原標(biāo)題：發(fā)動機主軸承座壓鑄件的開發(fā)與實踐

主軸承座零件外輪廓尺寸為410 mm×184 mm×87 mm，產(chǎn)品質(zhì)量為3.36 kg，三維示意圖見圖1。主體部分有5個壁厚為22～24 mm的支撐梁，梁中心有直徑為?55 mm的半圓面，每個半圓面兩側(cè)有兩個直徑為?10 mm的螺栓過渡孔。產(chǎn)品底部有帶加強筋的不規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)的薄壁環(huán)繞，將5處支撐梁連接為一體。鑄件一般壁厚為4 mm，過渡圓角R為3 mm，起模斜度為1.5°。通過對鑄件的形狀及結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)鑄件呈框架式結(jié)構(gòu)，壁厚不均而且局部存在厚大，鑄造工藝性不佳。零件的技術(shù)要求是軸承座在基準(zhǔn)墊壓緊下最小載荷為6.7 kN，氣孔規(guī)范執(zhí)行ES1S7G-6F098-AA。

由于主軸承座的主要功能是支撐發(fā)動機曲軸，并保證曲軸的正常運行，因此必須保證軸承座的內(nèi)部鑄造質(zhì)量，才能滿足軸承座達(dá)到功能要求的抗拉強度和疲勞試驗。但由于主軸承座鑄件存在嚴(yán)重的壁厚不均，在受力最大的支撐梁處，鑄件壁厚大于20 mm，壓鑄過程中極易產(chǎn)生縮孔缺陷，這是壓鑄過程需要解決的難點。

圖1 主軸承蓋支架三維示意圖

發(fā)動機主軸承座材質(zhì)為ADC12合金，執(zhí)行JIS H 5302：2006標(biāo)準(zhǔn)，材料化學(xué)成分見表1。其中Fe的含量較寬泛，F(xiàn)e含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）低于0.6%時易粘模，高于1.2%會降低合金流動性和力學(xué)性能，影響鑄件質(zhì)量，因此將Fe含量內(nèi)控在0.6%～1.2%內(nèi)。ADC12合金的抗拉強度為228 MPa，屈服強度為154 MPa，伸長率為1.4%，彈性模量為71 GPa。該材料具有良好的力學(xué)性能、切削性能和鑄造性能。

采用東大三建2.0 t/h鋁連續(xù)型熔化保持爐進行熔煉。投料時回爐料采用一類回爐料，質(zhì)量小于總?cè)刍X合金質(zhì)量的40%。熔化時爐氣溫度設(shè)定為900 ℃，鋁液出爐溫度為720~770 ℃。鋁液出爐后倒入澆包，用精煉除氣機通氮氣進行精煉。精煉時，加入Al-10Sr桿，控制鋁液中Sr含量為0.03%～0.04%，在精煉出渣除氣的同時進行變質(zhì)處理。圖2為變質(zhì)處理前后ADC12合金金相組織。變質(zhì)處理改變了合金的組織形態(tài)，枝狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罱Y(jié)構(gòu)。細(xì)化后的組織均勻，無粗細(xì)晶粒交錯的混晶區(qū)存在，提高了材料的強度和伸長率。使用SPECTRDMX.06直讀光譜儀對精煉后合金進行化學(xué)成分檢驗，使用HZY-A220測氫儀進行密度值檢驗，使用“K模”進行含渣量檢驗，使用MXM-101手持式熱電偶對合金溫度進行檢驗，以上項目檢測合格才能轉(zhuǎn)至壓鑄機定量爐進行壓鑄生產(chǎn)。

表1 ADC12合金化學(xué)成分(%)

圖2 變質(zhì)處理前后ADC12合金的金相組織

使用AnyCasting軟件進行CAE流場模擬數(shù)值分析。首先根據(jù)鑄件本身的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合類似產(chǎn)品零件的經(jīng)驗，設(shè)計壓鑄件的澆排系統(tǒng)，再通過不同的工藝參數(shù)進行多次模擬分析，在此過程中對橫澆道的形狀和內(nèi)澆口的厚度進行優(yōu)化，最終確定的工藝參數(shù)見表2。優(yōu)化的模擬填充順序、填充速度結(jié)果見圖3。針對鑄件的開發(fā)難點即厚壁處可能出現(xiàn)的鑄造缺陷進行詳細(xì)的凝固收縮過程分析，凝固順序及收縮缺陷分析結(jié)果見圖4。

表2 壓鑄工藝參數(shù)

圖2 鑄件連接濾清器局部位置圖

圖4 ADC12鑄件凝固過程分析

由圖3可見，金屬液在充填過程中從內(nèi)澆口流入型腔，在前4個支撐座充滿之后，熔體才在壓力下流向第5個支撐座。當(dāng)充填至98%時，只有最后一個支撐座的溢流槽和排氣道未充滿，配合末端抽真空系統(tǒng)，充填過程較穩(wěn)定；內(nèi)澆道填充速度在48 m/s時不會出現(xiàn)對型腔的沖蝕，但由于內(nèi)澆口正對型芯，會沖蝕型芯并且影響金屬液的流向，易出現(xiàn)卷氣。在模具設(shè)計時考慮適當(dāng)縮短型芯高度尺寸，留出金屬液流動的通道。圖4為ADC12合金凝固過程分析。通過圖4發(fā)現(xiàn)鑄件在5個支撐座厚壁區(qū)域，會出現(xiàn)不同程度的縮孔和縮松，這主要是由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)所致。鑄件局部體積過大，金屬液凝固過程中體積收縮，得不到外來金屬液的補充，則會產(chǎn)生縮孔和縮松。分析表明，支撐座中間可能出現(xiàn)的縮孔縮松基本上距離軸瓦加工面10 mm以外，對鑄件的性能影響很小。為減少中間厚壁部位產(chǎn)生縮孔縮松，模具設(shè)計時要考慮內(nèi)澆口的厚度及預(yù)留足夠的填充通道，以保證在金屬液充填完畢到完全凝固之前，進行加壓補縮。圖5為加大內(nèi)澆口厚度縮短定模型芯長度后，鑄件縮松的分布位置及狀態(tài)對比圖。當(dāng)內(nèi)澆口厚4.0 mm，定模型芯長15 mm時，鑄件內(nèi)部縮松相比內(nèi)澆口厚度為3.2 mm，定模型長為30 mm時明顯減少。

根據(jù)數(shù)值模擬方案，發(fā)動機主軸承座壓鑄模的澆注系統(tǒng)采用縱向雙向填充，每個軸承座軸頸兩側(cè)布置大容量的集渣包，在填充末端采用阻尼式抽真空，模具結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。型腔采用整體式鑲塊結(jié)構(gòu)，成形部分通過高速銑數(shù)控加工，局部異形及小圓角處采用電火花加工。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及形狀，鑄件成形部分采用推管推出，澆道及集渣包采用推桿推出。依據(jù)模擬分析的結(jié)果，模具設(shè)計時，在滿足內(nèi)澆口截面積的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增大內(nèi)澆口厚度，同時縮短定模型芯長度，給金屬液留出補縮的通道，見圖5b。

圖5 ADC12鑄件的縮松分布

圖6 模具結(jié)構(gòu)示意圖
1.推管 2.動模鑲塊 3.定模型芯 4.鑄件
5.鑄件 6.推桿 7.動模型芯 8.冷卻水道

主軸承座模具壓鑄生產(chǎn)的設(shè)備為ZDC-900TCS，配備史杰克西定量爐，鋁液溫度設(shè)定為（665±15） ℃。慢壓射速度為0.25 m/s， 快壓射速度為3.5 m/s，增壓壓力為110 MPa，射出增壓時間為10 s，冷卻時間為15 s。壓鑄過程采用自制真空系統(tǒng)，真空度達(dá)到10～20 kPa。在連續(xù)生產(chǎn)過程中監(jiān)控模具型腔溫度，在（180±30） ℃工藝要求范圍內(nèi)。壓鑄試生產(chǎn)500件，見圖7。可以看出，鑄件毛坯無冷隔、留痕、擦傷等外觀缺陷，鑄件毛坯去除澆口清理飛刺后進行拋丸處理，拋丸后鑄件見圖7a。試生產(chǎn)零件100%進行X光探傷，重點檢測主軸座軸頸位置內(nèi)部質(zhì)量， X光探傷結(jié)果見圖7b。同時抽取10件毛坯對軸頸處進行剖切，剖切面質(zhì)量見圖7c。通過X光探傷結(jié)合剖切面質(zhì)量分析，可見鑄件內(nèi)無大于2 mm的縮孔縮松，內(nèi)部質(zhì)量符合客戶的要求并優(yōu)于CKD零件；主軸承座5個軸頸處，第3軸頸（中間軸頸）和第5軸頸（最后填充）內(nèi)部質(zhì)量略差。

圖7 鑄件外觀及內(nèi)部質(zhì)量

發(fā)動機運行期間，主軸承座除了受靜載以外，絕大多數(shù)的破壞均是由疲勞引起。因此需要對主軸承座進行疲勞試驗和靜強度破壞試驗，以確定鑄件質(zhì)量是否能夠滿足設(shè)計要求。取汽車發(fā)動機主軸承座試樣并進行標(biāo)號，通過X光探傷發(fā)現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量相對薄弱的為1、3和5軸頸位置，疲勞試驗和靜強度破壞試驗均選擇主軸承座的1、3和5軸頸。對1~9號零件進行疲勞試驗，確定不同平均應(yīng)力下疲勞極限（對應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)＞107）。疲勞試驗使用PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，輸出系統(tǒng)為華東振動測試系統(tǒng)，測試條件及測試結(jié)果見圖8及表3。試驗載荷下均沒有發(fā)生疲勞破壞現(xiàn)象。用同一夾具對主軸承座進行靜強度破壞試驗，圖9為破壞試驗后軸承座的照片，破壞試驗結(jié)果見表4。斷裂應(yīng)力最小值為347 MPa，0.2%耐力最小值146 MPa。以上結(jié)果滿足鑄件質(zhì)量要求，并優(yōu)于CKD零件。

圖8 疲勞試驗
1.應(yīng)變片 2.零件 3.壓頭 4.夾具

表3 疲勞試驗結(jié)果

圖9 破壞試驗后軸承座的照片

表4 靜態(tài)破壞試驗結(jié)果

結(jié)論

（1）采用CAE軟件對鑄件的工藝方案進行模擬分析，能夠快速識別壓鑄件的缺陷，在設(shè)計階段采取有效措施降低缺陷的可能性，縮短開發(fā)周期降低開發(fā)成本。

（2）根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計合理的澆注系統(tǒng)，并通過適當(dāng)加大內(nèi)澆口厚度、縮短型芯長度等措施，制造出合理的填充及增壓補縮通道，減少鑄件厚壁處縮孔的產(chǎn)生。

（3）針對鑄件局部厚壁區(qū)域，需加大模具局部冷卻能力，保持最佳的模具工作溫度。厚壁鋁合金鑄件的合理工作溫度為（180±30） ℃。

（4）鋁合金原材料熔化過程采用變質(zhì)處理工藝，結(jié)合良好的鑄件內(nèi)部質(zhì)量，能夠提高鑄件的力學(xué)性能，保證疲勞強度滿足質(zhì)量要求。

《發(fā)動機主軸承座壓鑄件的開發(fā)與實踐》

董少崢 侯麗彬 朱桂霖

大連科技學(xué)院機械工程學(xué)院

本文轉(zhuǎn)載自《特種鑄造及有色合金》