原标题：发动机主轴承座压铸件的开发与实践

主轴承座零件外轮廓尺寸为410 mm×184 mm×87 mm，产品质量为3.36 kg，三维示意图见图1。主体部分有5个壁厚为22～24 mm的支撑梁，梁中心有直径为ϕ55 mm的半圆面，每个半圆面两侧有两个直径为ϕ10 mm的螺栓过渡孔。产品底部有带加强筋的不规则形状结构的薄壁环绕，将5处支撑梁连接为一体。铸件一般壁厚为4 mm，过渡圆角R为3 mm，起模斜度为1.5°。通过对铸件的形状及结构分析，发现铸件呈框架式结构，壁厚不均而且局部存在厚大，铸造工艺性不佳。零件的技术要求是轴承座在基准垫压紧下最小载荷为6.7 kN，气孔规范执行ES1S7G-6F098-AA。

由于主轴承座的主要功能是支撑发动机曲轴，并保证曲轴的正常运行，因此必须保证轴承座的内部铸造质量，才能满足轴承座达到功能要求的抗拉强度和疲劳试验。但由于主轴承座铸件存在严重的壁厚不均，在受力最大的支撑梁处，铸件壁厚大于20 mm，压铸过程中极易产生缩孔缺陷，这是压铸过程需要解决的难点。

图1 主轴承盖支架三维示意图

发动机主轴承座材质为ADC12合金，执行JIS H 5302：2006标准，材料化学成分见表1。其中Fe的含量较宽泛，Fe含量（质量分数，下同）低于0.6%时易粘模，高于1.2%会降低合金流动性和力学性能，影响铸件质量，因此将Fe含量内控在0.6%～1.2%内。ADC12合金的抗拉强度为228 MPa，屈服强度为154 MPa，伸长率为1.4%，弹性模量为71 GPa。该材料具有良好的力学性能、切削性能和铸造性能。

采用东大三建2.0 t/h铝连续型熔化保持炉进行熔炼。投料时回炉料采用一类回炉料，质量小于总熔化铝合金质量的40%。熔化时炉气温度设定为900 ℃，铝液出炉温度为720~770 ℃。铝液出炉后倒入浇包，用精炼除气机通氮气进行精炼。精炼时，加入Al-10Sr杆，控制铝液中Sr含量为0.03%～0.04%，在精炼出渣除气的同时进行变质处理。图2为变质处理前后ADC12合金金相组织。变质处理改变了合金的组织形态，枝状结构转变为球状结构。细化后的组织均匀，无粗细晶粒交错的混晶区存在，提高了材料的强度和伸长率。使用SPECTRDMX.06直读光谱仪对精炼后合金进行化学成分检验，使用HZY-A220测氢仪进行密度值检验，使用“K模”进行含渣量检验，使用MXM-101手持式热电偶对合金温度进行检验，以上项目检测合格才能转至压铸机定量炉进行压铸生产。

表1 ADC12合金化学成分(%)

图2 变质处理前后ADC12合金的金相组织

使用AnyCasting软件进行CAE流场模拟数值分析。首先根据铸件本身的结构特点，结合类似产品零件的经验，设计压铸件的浇排系统，再通过不同的工艺参数进行多次模拟分析，在此过程中对横浇道的形状和内浇口的厚度进行优化，最终确定的工艺参数见表2。优化的模拟填充顺序、填充速度结果见图3。针对铸件的开发难点即厚壁处可能出现的铸造缺陷进行详细的凝固收缩过程分析，凝固顺序及收缩缺陷分析结果见图4。

表2 压铸工艺参数

图2 铸件连接滤清器局部位置图

图4 ADC12铸件凝固过程分析

由图3可见，金属液在充填过程中从内浇口流入型腔，在前4个支撑座充满之后，熔体才在压力下流向第5个支撑座。当充填至98%时，只有最后一个支撑座的溢流槽和排气道未充满，配合末端抽真空系统，充填过程较稳定；内浇道填充速度在48 m/s时不会出现对型腔的冲蚀，但由于内浇口正对型芯，会冲蚀型芯并且影响金属液的流向，易出现卷气。在模具设计时考虑适当缩短型芯高度尺寸，留出金属液流动的通道。图4为ADC12合金凝固过程分析。通过图4发现铸件在5个支撑座厚壁区域，会出现不同程度的缩孔和缩松，这主要是由于产品的结构所致。铸件局部体积过大，金属液凝固过程中体积收缩，得不到外来金属液的补充，则会产生缩孔和缩松。分析表明，支撑座中间可能出现的缩孔缩松基本上距离轴瓦加工面10 mm以外，对铸件的性能影响很小。为减少中间厚壁部位产生缩孔缩松，模具设计时要考虑内浇口的厚度及预留足够的填充通道，以保证在金属液充填完毕到完全凝固之前，进行加压补缩。图5为加大内浇口厚度缩短定模型芯长度后，铸件缩松的分布位置及状态对比图。当内浇口厚4.0 mm，定模型芯长15 mm时，铸件内部缩松相比内浇口厚度为3.2 mm，定模型长为30 mm时明显减少。

根据数值模拟方案，发动机主轴承座压铸模的浇注系统采用纵向双向填充，每个轴承座轴颈两侧布置大容量的集渣包，在填充末端采用阻尼式抽真空，模具结构示意图见图6。型腔采用整体式镶块结构，成形部分通过高速铣数控加工，局部异形及小圆角处采用电火花加工。根据产品结构及形状，铸件成形部分采用推管推出，浇道及集渣包采用推杆推出。依据模拟分析的结果，模具设计时，在满足内浇口截面积的基础上，适当增大内浇口厚度，同时缩短定模型芯长度，给金属液留出补缩的通道，见图5b。

图5 ADC12铸件的缩松分布

图6 模具结构示意图
1.推管 2.动模镶块 3.定模型芯 4.铸件
5.铸件 6.推杆 7.动模型芯 8.冷却水道

主轴承座模具压铸生产的设备为ZDC-900TCS，配备史杰克西定量炉，铝液温度设定为（665±15） ℃。慢压射速度为0.25 m/s， 快压射速度为3.5 m/s，增压压力为110 MPa，射出增压时间为10 s，冷却时间为15 s。压铸过程采用自制真空系统，真空度达到10～20 kPa。在连续生产过程中监控模具型腔温度，在（180±30） ℃工艺要求范围内。压铸试生产500件，见图7。可以看出，铸件毛坯无冷隔、留痕、擦伤等外观缺陷，铸件毛坯去除浇口清理飞刺后进行抛丸处理，抛丸后铸件见图7a。试生产零件100%进行X光探伤，重点检测主轴座轴颈位置内部质量， X光探伤结果见图7b。同时抽取10件毛坯对轴颈处进行剖切，剖切面质量见图7c。通过X光探伤结合剖切面质量分析，可见铸件内无大于2 mm的缩孔缩松，内部质量符合客户的要求并优于CKD零件；主轴承座5个轴颈处，第3轴颈（中间轴颈）和第5轴颈（最后填充）内部质量略差。

图7 铸件外观及内部质量

发动机运行期间，主轴承座除了受静载以外，绝大多数的破坏均是由疲劳引起。因此需要对主轴承座进行疲劳试验和静强度破坏试验，以确定铸件质量是否能够满足设计要求。取汽车发动机主轴承座试样并进行标号，通过X光探伤发现内部质量相对薄弱的为1、3和5轴颈位置，疲劳试验和静强度破坏试验均选择主轴承座的1、3和5轴颈。对1~9号零件进行疲劳试验，确定不同平均应力下疲劳极限（对应的循环应力次数＞107）。疲劳试验使用PLG-100型微机控制高频疲劳试验机，输出系统为华东振动测试系统，测试条件及测试结果见图8及表3。试验载荷下均没有发生疲劳破坏现象。用同一夹具对主轴承座进行静强度破坏试验，图9为破坏试验后轴承座的照片，破坏试验结果见表4。断裂应力最小值为347 MPa，0.2%耐力最小值146 MPa。以上结果满足铸件质量要求，并优于CKD零件。

图8 疲劳试验
1.应变片 2.零件 3.压头 4.夹具

表3 疲劳试验结果

图9 破坏试验后轴承座的照片

表4 静态破坏试验结果

结论

（1）采用CAE软件对铸件的工艺方案进行模拟分析，能够快速识别压铸件的缺陷，在设计阶段采取有效措施降低缺陷的可能性，缩短开发周期降低开发成本。

（2）根据铸件的结构特点，设计合理的浇注系统，并通过适当加大内浇口厚度、缩短型芯长度等措施，制造出合理的填充及增压补缩通道，减少铸件厚壁处缩孔的产生。

（3）针对铸件局部厚壁区域，需加大模具局部冷却能力，保持最佳的模具工作温度。厚壁铝合金铸件的合理工作温度为（180±30） ℃。

（4）铝合金原材料熔化过程采用变质处理工艺，结合良好的铸件内部质量，能够提高铸件的力学性能，保证疲劳强度满足质量要求。

《发动机主轴承座压铸件的开发与实践》

董少峥 侯丽彬 朱桂霖

大连科技学院机械工程学院

本文转载自《特种铸造及有色合金》