發(fā)動機懸置支架球墨鑄鐵砂型鑄造工藝

發(fā)動機懸置支架球墨鑄鐵砂型鑄造工藝

發(fā)動機懸索支架是車輛懸索系統(tǒng)中的一個重要部件。這是發(fā)動機和車身之間的連接件。它不僅支持發(fā)動機的重量，還能承受發(fā)動機的重量和功率。因此，懸索支架應(yīng)滿足足夠的強度、剛度和使用壽命要求。1u2004零件的結(jié)構(gòu)特點和零件結(jié)構(gòu)原理1.1u2004零件的優(yōu)化分析發(fā)動機懸置支架作為汽車懸置系統(tǒng)中重要的承力結(jié)構(gòu)件，原產(chǎn)品采用砂型鑄造球墨鑄鐵件，重量達(dá)8.57kg。根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)特點和受力情況，對原始鑄件的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以方便擠壓鑄造工藝的生產(chǎn)和后續(xù)機械加工、裝配等要求。零件主要優(yōu)化部分如圖1所示，圖1中a所示部分需進(jìn)行切除以利于抽芯，b與c所示部分需適當(dāng)減小壁厚以利于脫模，零件整體起模斜度控制在1°～2°。優(yōu)化后的發(fā)動機懸置支架外形總體尺寸為189mm×161mm×331mm，平均壁厚為19mm，零件重為3.18kg，相比原來球墨鑄鐵件減重約62.9%。零件在多個方向存在通孔，需采用側(cè)向抽芯機構(gòu)完成抽芯。優(yōu)化后的發(fā)動機懸置支架零件圖如圖2所示。該零件熱處理后本體取樣的力學(xué)性能要求：硬度（HB）≥100，抗拉強度≥310MPa，屈服強度≥250MPa，斷后伸長率≥8%，且零件內(nèi)部無氣孔、縮孔、縮松、夾渣等缺陷。試驗材料為鋁合金A356.2，合金成分見表1。1.2試驗?zāi)＞呒斑^程根據(jù)發(fā)動機懸置支架的結(jié)構(gòu)特點，采用間接式擠壓鑄造工藝開發(fā)該零件。圖3為發(fā)動機懸置支架的擠壓鑄造工藝方案。考慮零件平均壁厚較厚，且內(nèi)部質(zhì)量要求較高，設(shè)計中采用一模一件，且將澆道直接開設(shè)在鑄件端部厚壁處，便于保壓補縮。試驗中選用的鑄造設(shè)備為日本宇部HVSC800PL臥式擠壓鑄造機，壓射沖頭直徑為125mm。模具結(jié)構(gòu)見圖4。模具的工作過程為：將熔煉好的鋁合金液澆入壓室中，壓射沖頭自下而上推動金屬液經(jīng)澆道進(jìn)入模具型腔，充型完成后鑄件在高壓下凝固成形，并保壓一段時間；保壓完成后，兩個側(cè)抽芯油缸完成側(cè)向抽芯，動模后移到指定位置，由推出機構(gòu)將鑄件從動模型腔中推出；取出鑄件，噴刷涂料便可進(jìn)入下一個工作循環(huán)。2u2004值的模擬為了優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及減少試模次數(shù)，對懸置支架擠壓鑄造充型與凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬2.1壓室充型過程分析鑄件充型模擬過程如圖5所示，完成整個充型過程所需時間為2.64s。第一階段金屬液快速充滿壓室和料柄，在0.825s時進(jìn)入內(nèi)澆道，由于在澆道中部與鑄件中部時沖頭速度由180mm/s降到80mm/s，金屬液進(jìn)入鑄件型腔后作穩(wěn)定的層流運動，向四周填充時沒有產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，整個充型過程非常平穩(wěn)，直至充型結(jié)束。金屬液以層流方式充型大大降低鑄件中出現(xiàn)氣孔缺陷的概率。2.3凝固過程及分析圖6為鑄件凝固過程的模擬結(jié)果。從圖中可以看出，排氣槽、溢流槽與支架邊緣處，壁厚相對較薄，散熱快，最先開始凝固；在18.93s時，溢流槽、排氣槽已經(jīng)完全凝固完成，支架本體、澆道以及料餅邊緣處依次開始凝固；內(nèi)澆道處支架壁厚較大，散熱相對較慢，凝固速度較慢，在131.46s時鑄件本體凝固完成；在242.41s時，澆注系統(tǒng)及厚大料餅全部凝固。凝固模擬顯示，金屬液的凝固符合順序凝固的原則，凝固補縮效果好。采用Niyamal判據(jù)對鑄件凝固過程中可能產(chǎn)生的縮孔、縮松缺陷進(jìn)行預(yù)測。圖7為發(fā)動機懸置支架組合缺陷分布圖。由圖7可知，除了溢流槽、排氣槽以及澆道上可能會出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，鑄件本體中出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷概率較低。鑄件本體中縮孔、縮松缺陷少是因為澆注系統(tǒng)尺寸較大，對鑄件厚大部位能起到良好的補縮；而溢流槽、排氣槽中縮孔、縮松缺陷較多是因為溢流口較薄，凝固快，沒有后續(xù)金屬液對其進(jìn)行補縮。3u2004模型、圖紙和輸出工藝的參數(shù)選擇3.1u2004模具設(shè)計3.1.1鎖模力計算要求為防止金屬液充型時從分型面處飛濺，擠壓鑄造機必須具備足夠大的鎖模力。擠壓鑄造機所需要的鎖模力F式中：F脹型力可按以下公式計算：式中：A為鑄件在分型面上的投影面積（mm擠壓鑄造機所需要的最小鎖模力為6625kN，而宇部HVSC800PL臥式擠壓鑄造機提供的鎖模力為7840kN，符合鎖模要求。3.1.2u2004模具結(jié)構(gòu)的復(fù)合分型對于間接擠壓鑄造，其分型面的選擇應(yīng)綜合考慮以下幾個原則：(1)分型面應(yīng)選在鑄件外形輪廓尺寸最大截面處，以便取出鑄件；(2)應(yīng)盡可能使鑄件在開模后留在動模部分，以方便推出機構(gòu)將其推出；(3)應(yīng)保證鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量；(4)應(yīng)簡化模具結(jié)構(gòu)，便于模具加工；(5)應(yīng)方便溢流、排氣槽的布置本文研究的發(fā)動機懸置支架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、曲面較多，且部分結(jié)構(gòu)有形位公差要求，擬采用階梯分型與曲面分型相結(jié)合的復(fù)合分型方案，如圖8所示。選擇支架的最大截面作為主分型面，并將支架大部分結(jié)構(gòu)留在動模一側(cè)，支架的側(cè)孔采用側(cè)抽芯油缸帶動滑塊的側(cè)抽芯分型。采用復(fù)合分型方案可以保證鑄件的尺寸精度以及外觀要求，同時有利于澆注系統(tǒng)與溢流系統(tǒng)的布置。3.1.3灌溉系統(tǒng)的設(shè)計澆注系統(tǒng)是引導(dǎo)金屬液以一定的方式進(jìn)入模具型腔的通道。澆注系統(tǒng)對金屬液的充型速度、流動方向、填充時間的長短、壓力的傳遞等方面有較大影響3.1.4溢流槽設(shè)置與缺陷的治理溢流槽與排氣槽設(shè)置部位如圖10所示。通過數(shù)值模擬得出金屬液可能產(chǎn)生沖擊與匯流的部位（圖10中c與d處），在此處設(shè)置溢流槽可以有效地減少鑄件產(chǎn)生氣泡與冷隔的缺陷；可能產(chǎn)生渦流的部位（圖10中b處），在此處設(shè)置溢流槽可以減少氣泡以及氧化夾雜缺陷的產(chǎn)生；在內(nèi)澆道兩側(cè)的死角處（圖10中a與e處）開設(shè)溢流槽可以消除死角部位澆不足缺陷。在溢流槽后端設(shè)置相應(yīng)排氣槽，確保型腔內(nèi)的氣體能夠順利排出。溢流槽采用梯形結(jié)構(gòu)形式（見圖11），沿分型面分布于動、定模兩側(cè)，該結(jié)構(gòu)較常規(guī)壓鑄用溢流槽容積更大，除了起溢流、排氣等作用，還用于改善模具局部熱平衡。3.2數(shù)值模擬優(yōu)化擠壓鑄造的成形工藝參數(shù)包括擠壓比壓、擠壓速度、澆注溫度、模具溫度、保壓時間等，成形工藝參數(shù)的合理選擇對高品質(zhì)鑄件的生產(chǎn)有著重要影響增大擠壓比壓，可以使擠壓鑄件組織致密，力學(xué)性能提高；但擠壓比壓過大，會降低模具的使用壽命，同時也會增加設(shè)備動力消耗擠壓速度指壓射沖頭向上運動速度，當(dāng)鑄件內(nèi)澆道尺寸確定后，金屬液的充型速度就由擠壓速度確定。擠壓速度過高，會使金屬液充型過程中產(chǎn)生卷氣、粘模等缺陷；過低會使鑄件輪廓不清，甚至出現(xiàn)澆不足缺陷。在本試驗中，采用數(shù)值模擬中的分段調(diào)速充型，即從料餅到澆道中部為第一段，沖頭速度設(shè)置為180mm/s；澆道中部到鑄件中部為第二段，沖頭速度設(shè)置為80mm/s；鑄件后半部為第三段，沖頭速度設(shè)置為50mm/s。充型第一段需要快速充型，減少鑄件總的充型時間；充型第二段、第三段適當(dāng)降低擠壓速度使金屬液進(jìn)入型腔后作穩(wěn)定的層流運動。澆注溫度對鑄件的成形有著非常重要的影響。過高的澆注溫度會導(dǎo)致金屬熔煉過程中吸氣、氧化加劇，鑄件內(nèi)易產(chǎn)生氣孔、縮孔等缺陷；過低的澆注溫度會使金屬液流動性降低，不易充滿型腔，產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷過高的模具溫度會導(dǎo)致粘模嚴(yán)重，降低模具壽命，使鑄件脫模困難；過低的模具溫度則使金屬液在充型過程中冷卻加快、流動性降低，成形困難。在本試驗中，采用模具溫度控制系統(tǒng)，將模具的工作溫度控制在200℃左右。保壓時間過長，既影響生產(chǎn)效率又會降低模具壽命；保壓時間過短，則導(dǎo)致金屬液還沒有完全凝固，鑄件內(nèi)部可能出現(xiàn)組織疏松。凝固數(shù)值模擬顯示，在88s左右時鑄件本體大部分都已凝固，88～240s之間主要是厚大的澆注系統(tǒng)及料餅心部的凝固。由于數(shù)值模擬中未考慮凝固階段高壓力對鑄件與模具間換熱能力的影響，所以凝固數(shù)值模擬的時間比實際生產(chǎn)過程中的凝固時間要長。在本試驗中，保壓時間控制在75s左右，既保證了鑄件主體部分的完全凝固與補縮，同時又不影響鑄件的取出，提高了生產(chǎn)效率。4u2004試驗結(jié)果用上述擠壓鑄造模具和工藝參數(shù)進(jìn)行試驗與批量生產(chǎn)，得到鑄件毛坯見圖12。對試樣可能存在的縮孔、縮松以及氣孔缺陷，采用X射線對支架整體進(jìn)行無損探傷檢測。從圖13中可以看出，鑄件內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的黑點、顯微縮孔以及樹枝狀的暗區(qū)，支架內(nèi)部質(zhì)量良好，縮孔、縮松≤ASTM（美國材料與試驗協(xié)會）E115一級，滿足要求。鑄件經(jīng)T6熱處理后（535℃×6h固溶+170℃×6h時效+8min水淬），本體取樣力學(xué)性能為：抗拉強度340.5MPa，屈服強度274.5MPa，斷后伸長率為10%，滿足支架整體力學(xué)性能要求。對熱處理后的發(fā)動機懸置支架進(jìn)行臺架疲勞試驗，通過特定的試驗臺模擬實際工況下發(fā)動機懸置支架裝車后的抗疲勞特性。本試驗在某測試中心完成，測試時在X、Y、Z三個方向?qū)χЪ芊謩e進(jìn)行相應(yīng)載荷的加載，當(dāng)支架經(jīng)過50萬次循環(huán)后，未出現(xiàn)裂紋、斷裂等失效現(xiàn)象，則被判定為合格，否則判定為不合格。圖14為發(fā)動機懸置支架臺架試驗示意圖。測試結(jié)果顯示支架在X、Y、Z三個方向上進(jìn)行相應(yīng)載荷的加載后，經(jīng)過50萬次循環(huán)，樣品未出現(xiàn)斷裂、裂紋等失效現(xiàn)象；后又增加到100萬次循環(huán)實驗，仍沒有出現(xiàn)失效現(xiàn)象，表明該發(fā)動機懸置支架能完全滿足使用性能的要求。5液充型平穩(wěn)(1）完成了鋁合金發(fā)動機懸置支架擠壓鑄造工藝和模具設(shè)計，包括鎖模力校核，分型面選擇，澆注系統(tǒng)、溢流槽與排氣槽等的設(shè)計；數(shù)值模擬分析表明金屬液充型平穩(wěn)，符