文 ：勾建勇，崔美卿
摘要：介绍了汽车平衡轴盖压铸件的开发过程，采用压铸数值模拟对铸件填充模式进行优化，针对产品特点进行缺陷分析，预测铸件的潜在缺陷，分析缺陷产生原因并制订解决措施，通过产品试制及批量生产验证了设计的有效性。
关键词：平衡轴盖；压铸件；数值模拟；填充模式
当汽车发动机处在工作状态时，活塞的运动速度非常快，而且速度很不均匀，除了在活塞运动的上下止点位置外，其他惯性力并不能完全达到平衡状态，此时的发动机便产生了振动。增加平衡轴使发动机获得良好的平衡效果，是目前通常减少发动机振动的主要方法。本文介绍的平衡轴盖，是应用于汽车发动机上的一款双平衡轴的端盖，为达到良好的减振效果，要求平衡轴孔自身精度及相对于发动机的装配基准有非常高的尺寸精度，同时由于在发动机运转过程中平衡轴盖始终承受动载荷冲击，因此对铸件的内部质量有非常高的要求。
一、产品技术要求与压铸难点分析
平衡轴盖外形如图1所示。产品重量：1.95kg。材料：DIN EN AC 170646000 / Al Si9Cu3(Fe) 。
内部气孔要求：X-ray无损检测满足ASTME505标准I级。加工面气孔要求：气孔直径小于0.5mm，一个加工面允许气孔不超过3个，平衡轴安装孔不允许有加工面气孔。
压铸难点分析：
（1）由于铸件功能需要，对内部气孔、缩孔要求非常高，平衡轴孔外壁与螺栓孔位置相对其他区域的壁厚不均匀，螺栓孔与平衡轴孔连接处的壁厚达18.5mm，而底部曲面的壁厚只有3.5mm，容易导致压铸过程卷入性气孔及缩孔的产生，需要解决金属液填充造成的卷气与热节处的缩松问题。
（2）平衡轴孔的位置度、圆度以及轴线的直线度要求非常苛刻，除了加工的定位、加工顺序、刀具的选择外，毛坯孔位置的稳定性是保证加工尺寸精度的关键。
二、压铸工艺CAE模拟分析及优化
（1）针对铸件内部气孔、缩孔的缺陷分析
要防止铸件内部的卷入性气孔，产品铸造过程的填充模式是模具设计的关键，合理的流动模式可以有效避免由于金属液汇流及紊流造成的外来夹杂物及卷气缺陷。对于产品壁厚集中造成的热节点，我们采用MAGMA软件进行凝固模拟，分析产品的凝固顺序，找出缩松、缩孔的高风险区域，通过模具内部的冷却实现产品的顺序凝固。
（2）针对填充模式的模拟分析与优化
根据产品的结构特点，属于框架类铸件，这类铸件一般采用多个扇形浇口，从侧面或端部填充，根据压铸生产经验，我们优化设计了几种填充方案，通过采用模拟软件进行模拟分析，以优化并选择最合理的填充方案。
方案一：梳状浇口侧面填充模式，如图2所示。
方案二：端部与两侧组合的底注填充模式，如图3所示。
方案三：两侧均衡的填充模式，如图4所示。
从模拟结果分析，方案一在3个平衡轴孔的位置金属液流动非常快，产品的上半区金属紊流严重，产品温度不均衡，上半区容易产生夹杂、冷隔类缺陷；方案二端部的底注式浇口与两侧浇口在填充的初期存在严重的紊流，低温预填充的冷金属比较多，不同区域温差较大；方案三的金属液填充状态与温度平衡非常理想，不足之处是在产品下半区有一个裹气的高气压区域，容易产生气孔与填充不足。综合来看，方案三的温度场与材料流动顺序控制最理想，所以确定采用方案三这种两侧填充模式作为基本工艺方案，在此基础上再对排气与热节点采取改善措施。
（3）针对气孔与热节点的模拟分析与优化#p#分页标题#e#
针对方案三的气孔与热节点模拟预测，如图5所示根据C A E模拟的结果，从型腔气压模拟预测分析（见图5 ） ， 在 型 腔 气 压 的 模 拟 分 析中有A1/ A2/A3三个高气压风险区域，针对A1位置，调整了集渣包与溢流口位置，针对A2位置，设置一处排气顶针利用间隙排气，针对A3位置，调整内浇口的填充角度与宽度。
从热节点模拟预测分析，在两端的平衡轴孔位置，标记见图5b的B2区域，存在缩孔的低风险区域；标记见图5b的B1位置，存在缩孔的高风险区域。从模具设计上，在对应B1热节点位置，设置3处高压点冷却；在对应B2热节点位置，设置6处普通点冷却，以改善热节点位置金属的凝固速度。从气孔模拟预测结果分析结果看，没有产生气孔的高风险区域。
三 、 关键工序开发FMEA与预防措施
1. 熔炼过程铝合金材料为 DIN 1706 ENAC 46000，材料液相线温度610℃，固相线温度580℃，根据标准选择内控化学成分与力学性能，见表1、表2。
为防止Si元素偏析导致测量误差，原材料采购时，收紧Si元素含量上限，为防止铝合金粘模倾向及减少铁对铝合金强度的影响，设定F e元素下限并收紧上限。为有效控制铝合金成分与力学性能并减少熔炼过程烧损，选择熔化效率为1.0t/h的中央熔炼炉，铝锭与回炉料配比按照（60~80):（40~20），出炉温度（760 ±20）℃，采用石墨转子与氮气进行转运包内除氢，控制铝合金密度指数小于3。
2. 压铸过程
（1）压铸机选择
根据方案三确定的浇排系统设计，对于高致密铸件，压铸比压选用80 MPa，锁模分析计算如下。模具主涨型力6400k N，滑块分涨型力900k N，模具总涨型力7300 k N。
按公司现有TOYO 8000k N 压铸机哥林柱间距计算4个哥林柱承受分解涨型力，下侧两个哥林柱承受涨型力最大，Fm a x为1 7 5 6 k N ，模具需要的锁模力为（安全系数
k选1.1）：F锁＝4k Fm a x＝4×1.10×1756 = 7726k N根据锁模力计算，确定选用8000k N的压铸机，实际锁模安全系数为1.14。
（2）模具工艺需求与压铸机射出能力的P-Q校核
模具设计的容杯直径选用90mm，内浇道面积490c m2，压铸工艺的高速压射速度3.8m/s，内浇道充型速度48.8m/s，理论填充时间38.6ms。采用P-Q图对工艺窗口进行校核，工艺需求与理论工艺窗口吻合较好。
3. 压铸模具设计
（1）模具的浇排系统
根据CAE分析结论，选用方案三作为最终填充方案，采用真空辅助排气，激冷块式真空阀。
（2）模具的冷却设计
参照C A E的凝固模拟分析，图5b中标记B1的3处采用高压点冷却控制，标记B2的6出采用普通点冷却控制，天侧、地侧滑块抽芯的型芯采用普通点冷却控制，流道区域与地侧滑块座采用线冷却控制。
（3）平衡轴孔毛坯位置度控制
针对平衡轴孔不易脱模的问题，抽芯成形部分采用Ti/N/C涂层的P V D表面处理，为减少抽芯抽出时导致的平衡轴孔的变形与位置偏移，在滑块上采用了机械式预抽芯机构，预抽行程8mm。
（4）模具排气设计
采用真空压铸工艺辅助排气，采用车间现有集中真空系统，激冷块式真空阀。
（5）模具总体设计
模具设计两组抽芯，采用液压缸驱动，模具总体设计如图6所示。
四、试生产验证与检测
1. 生产条件
（ 1 ） 压 铸 机
生 产 采 用TOYO V5 8000k N压铸机，循环节拍60s。
（ 2 ） 材 质
铝 合 金 牌 号ZAl Si8Cu3（Fe)，集中熔炼，机边保温，采用氮气转子除气，控
制密度指数小于3，铝液保温温度（665±10）℃。
（3）主要压铸参数
低速速度0.25m/s，高速速度3.8m/s，高 速 行 程 1 0 5 m m ， 铸 造 比 压#p#分页标题#e#
80MPa，增压建压时间20ms。
（4）真空
真空启动位置150mm ，真空度小于200mbar（1bar=105Pa）。
产品内部缺陷无损检测及模具温度场分布如图7所示。
2. 验证结果与量产优化
该平衡轴盖产品经过生产验证，平衡轴毛坯孔位置度小于0.4mm，按ASTM E505标准I级及外观缺陷标准要求，压铸过程合格率大于98.5%，加工过程气孔等毛坯不良缺陷小于0.5%，产品质量达到项目开发指标。实际批量生产过程中，地侧滑块抽芯温度过低，导致个别产品平衡轴孔内壁轻微冷隔纹。因此，进行工艺调整优化，地侧抽芯冷却水改为间歇供水，高速切换位置启动通水，通水时间15 s，吹气清扫时间20 s，通水压力0.5 MPa，经过批量生产验证，生产过程质量稳定，压铸过程设备综合效率（OEE）大于75%。
五、结语
在工艺开发阶段，采用CAE工具对工艺方案的模拟优化及缺陷预测，对提高工艺开发的成功率非常重要，可以有效避免设计失误，在产品开发中可充分识别压铸件的缺陷并针对可能的风险进行时效模式分析，制订针对性解决措施，能够有效避免铸件缺陷的产生。
