文：广东鸿图武汉压铸有限公司 安肇勇
摘要 汽车凸轮轴支架铝合金零件的压铸成形在技术开发中存在一定的难度。针对某汽车凸轮轴支架铝合金的压铸成形，应用数值模拟，通过了解铝液流动充型状态与铸件缺陷的分布，确定了铸件的浇注系统与排气系统，大大缩短了模具的开发周期。同时在试模与试生产阶段，从浇注、工艺、模具等方面分析了不同缺陷产生的原因，并且提出了改善措施。
结果表明，合理的浇注、排气系统与合理的冷却是获得高品质压铸件的关键。
关键词 数值模拟；浇注系统；排气系统；冷却
铝合金是汽车上应用最多的轻金属，通过添加合金化元素，可以使铝合金的强度大大提高，并由于质轻、散热性好等特性，完全满足了汽车凸轮轴支架在恶劣环境下工作的要求。
铝合金凸轮轴支架压铸成形技术可以通过净化、精炼、细化、变质等控制铸件材质，
使得铝铸件品质达到一致性和稳定性的目的。
１ 铸件的结构及开发技术要点
开发的汽车凸轮轴支架压铸零件见图 １。该零件轮廓尺寸为４３１ｍｍ×２３８ｍｍ×６９ｍｍ，压铸件质量为２．３ｋｇ，平 均 壁 厚 为 ７．２ ｍｍ，投影面积 为 １０２１００ｍｍ２，铸件材质 为 ＡｌＳｉ１１Ｃｕ２ 合 金。
该 铸 件 有 多 处 热节部位，易 造 成 缩 孔；产 品 毛 坯 平 面 度 要 求 达
０．８ｍｍ，外观无明显的压铸流痕。
产品加工后前安装面气缩孔要求在φ１ｍｍ 以下，深度为１ｍｍ 以下，间隔为５
ｍｍ 以上；压片安装面密封范围以内气缩孔要求在φ０．５ｍｍ 以下，间距＞３ｍｍ，密封范围以外宽０．５ｍｍ 以下的线状夹层长度在３ｍｍ 以内，其余位置气缩孔要求在φ１ｍｍ 以下，间距＞３ｍｍ；轴颈面气缩孔要求在φ０．５ｍｍ 以下，间距＞５ｍｍ。Ｍ８与 Ｍ６螺孔前４圈螺纹完整，４圈以后尺寸轴向允许 ３ 圈不完整，横向要求在 ３ｍｍ 以下，螺栓孔φ６．５ｍｍ 孔内气缩孔要求φ１．５ｍｍ不多于３个，
或φ２ｍｍ 少于２个，φ３ｍｍ 少于１个；临床感应器φ１８ｍｍ 孔内端面０～６ｍｍ 距离范围内气缩孔要求小于φ０．５ｍｍ，临床感应器φ１８ｍｍ 孔内倒角面缩孔小于φ０．５ｍｍ；前罩壳安装面气缩孔φ１ｍｍ 以下２个，间距＞５ｍｍ，深度为１ｍｍ 以下。内腔试漏压力为０．００５ ＭＰａ，不能有泄漏，油道试漏压力为０．２９ ＭＰａ，不能有泄露。该零件在布勒８４００ｋＮ 压铸机上生产。
该凸轮轴支架中间铝料没有两侧铝料多，所以产品的进浇量为两侧多中间少。
在开发过程中，为了缩短开发周期，通过使用压铸模拟分析软件，并参照实际生产参数，采取了两种不同的浇注方式。一种浇注方式是两侧进浇平行于产品侧边，见图１ａ。另一种浇注方式是两侧进浇与产品侧边成一角度，见图１ｂ。第１种进浇方式的优点是避免两侧通过内浇口的铝料沿着产品型壁过早封闭分型面与过早到达产品填充末端，这种进浇缺点是产品两侧的横浇道过渡不平滑，在该位置压力损失较大，且该横浇道卷气的可能性也较大；第２种进浇方式的优点是两侧横浇道过渡圆滑，在该位置压力损失少，且横浇道卷气的可能性较小。
对两种不同浇注方式进行网格剖分，见图 ２ 和图３。第１种方式的充型模拟结果见图４。其中黑斑点为压铸缺陷，图４中ａ～ｅ是重要的部位，并且该处压铸缺陷（缩孔、气孔）十分明显，机加工后缩孔、气孔外露的可能性较大。即使缩孔、气孔机加工之后不外露，试漏时泄漏的风险仍较大，特别是ａ处，该处为油道，试漏压力大。还有就是ｂ处，该处为一个气孔要求很高的传感器孔，在该位置有气缩孔也非常危险。第２种浇注方式得到的结果见图５，可以看到，第２种浇注方式ａ～ｅ同样存在压铸缺陷，但ａ、ｂ、ｅ的缺陷明显比第１种浇注方式小很多，并且就整个产品，第２种浇注方式形成的压铸缺陷比第１种浇注方式少很多，所以第２种浇注方式被确定为该产品的浇注方式。#p#分页标题#e#
２ 压铸生产中的问题
通过对凸轮轴支架的缺陷分类分析，发现凸轮轴支架废品主要集中在气孔、夹层、加工不过，３种缺陷所产生的废品率占凸轮轴支架产品的８４．０３％。
２．１ 气孔缺陷区域统计
通过对产品分区划分标识出气孔缺陷的主要区域，归纳总结区域气孔缺陷所占的比例，见图６。
从图６可以看出，凸轮轴支架气孔缺陷主要集中在Ｈ２区域，该区域占气孔缺陷的５４％；其次气孔缺陷集中在Ｉ１１区域，该区域占气孔缺陷的１９％；再次 Ｃ９区域，占气孔缺陷的７％。所以气孔缺陷主要产生的区域是水尾油道孔附件、垫片安装面与油道孔安装面、传感器孔气缩孔、入料口 Ｍ６螺纹缩孔。
２．２ 夹层缺陷区域统计
通过对产品分区划分标识出夹层缺陷的主要区域，归纳总结区域夹层缺陷所占的比例，见图７。从图７可以看出，凸轮轴支架夹层缺陷主要集中在 Ｂ５ 区域，该区域占夹层缺陷的４８％；其次，夹层缺陷集中在Ｊ６区域，该区域占夹层缺陷的１６％；再次，Ｇ５区域占夹层缺陷的１５％；Ａ５区域也占夹层缺陷的１５％。所以夹层缺陷主要报废的区域是入料口两侧垫片安装面、产品填充末端垫片安装面。
２．３ 加工后废品缺陷区域统计
通过对产品分区划分标识出加工后废品缺陷的主要区域，归纳总结区域加工后废品缺陷所占的比例，见图８。从图８可以看出，凸轮轴支架加工后废品缺陷主要集中在Ａ３区域，该区域占加工后废品缺陷的６０％；其次 集 中 在 １１ 区 域，该 区 域 占 加 工 后 废 品 缺 陷 的３３％。所以加工后废品缺陷主要报废的区域是传感器孔内孔与端面、油道孔内孔。
凸轮轴支架生产过程出现的问题主要见图９：①产品填充末端油道孔附近气孔，机加工后油道孔与垫片安装面气孔外 露；②φ１８ ｍｍ 传 感 器 孔 由 于 结 构 设 计 原因，很容易在该位置形成气
缩孔，实际生产中该孔机加工后报废率也很高；③产品填充末端垫片安装面与链条盖安装面气孔，机加工后气孔外露严重；④铸件飞料严重，披缝很厚，产品清理与模面清理困难；⑤入料口右侧垫片安装面夹层；⑥入料口 Ｍ６螺纹孔夹层；⑦入料口左侧垫片安装面夹层；⑧油道孔加工不过。
３ 缺陷的原因分析及对策
３．１
产品填充末端气孔成因分析与对策对产品的结构分析可知，Ａｌ液要达到铸件填充末端（油道孔附近、产品填充末端垫片安装面与链条盖安装面）进行填充，必须要经过过料通道，Ａｌ液的填充路径被分成６股向末端填充，当 Ａｌ液到达油道孔附近或垫片安装面与链条盖安装面处时，两股 Ａｌ液相汇回旋包卷，该处极易产生气孔、缩孔缺陷。
解决该处气缩孔缺陷的方法有：一是提高压铸件的填充速度，改变 Ａｌ液的填充状态；二是重新分配内浇口 Ａｌ液的浇注量，以改变 Ａｌ液的填充状态；三是引入抽真空工艺，通过减少型腔的气体压力以改变型腔 Ａｌ液的流动状态与较少 Ａｌ液包卷气体的可能性。
第１种方法可以通过调整压铸机的压射速度或通过修改内浇口的面积实现。通过调整压铸机的压射速度，在压铸机速度较高的情况下再提高压铸机的压射速度，会导致压
铸机压射的不稳定；通过修改内浇口的面积，在压射冲头不变的情况下补焊内浇口，减少内浇口面积，提高浇口比，这样就改变了浇道的组织结构，浇道腐蚀、冲蚀的可能性将大大增加。
第２种方法是重新分配内浇口铝料量，铝料量重新分配之后产品末端交汇的位置发生变化，包卷交汇的现象还是存在，并且垫片安装面的范围是整个产品的定模面，所以很难避免末端交汇的 Ａｌ液不在机加工面上，还有就是 Ａｌ液浇注量的重新分配同样需要补焊或错开相应的内浇口与横浇道，这同样会造成模具的严重损伤。#p#分页标题#e#
第３种方法是通过抽真空以降低产品成形末端的气孔，在同样的条件下真空工艺除了可以降低气压减少产品气孔外，还可以适当降低内浇口速度与产品铸造压力，这样在解决产品末端气孔的同时也保证了模具的寿命与压铸机速度的稳定。
采取第１种方法，压铸件内浇口烧伤、扣模的几率都会增大，压铸模具的寿命会降低。从产品的结构分析，重新分配 Ａｌ液的浇注量也不是最佳方案，所以选择抽真空工艺。
抽真空的常用方式有双芯机械真空阀与 Ｚ形排气块。双芯机械真空阀利用高速充型熔体流推动“启动阀芯”，带动联动的“排气阀芯”，关闭排气通道，但抽真空速度受制于变向曲折的抽真空通道，型腔抽真空速度较高，但维护困难且成本较高。Ｚ形排气块利用宽薄通道的激冷作用，快速凝固合金流，真空通道的开启由脉冲信号触发延时动作，抽真空时间由时间继电器控制；充型熔体流在排气通道的激冷作用下凝固，终止熔体流动；抽真空速度受制于宽薄、不断变向的 Ｚ形抽真空通道，型腔真空度提升速度较低，但维护方便且成本低。
双芯机械真空阀的应用效果非常明显，产品填充末端油道孔附近、垫片安装面与链条盖安装面的内部品质得到了很大的改善，试验证明双芯机械真空阀的大排气量对凸轮轴支架产品的内部品质影响很大，抽真空工艺的应用效果明显。但双芯机械真空阀应用过程中很容易堵塞，并且拆装与清理工序复杂，对压铸的连续性生产影响很大。
基于双芯机械真空阀应用堵塞、拆装与清理的问题，Ｚ形排气块可以很好地解决这些问题，只是瞬间的排气量不及双芯机械真空阀。单块Ｚ形排气块抽真空应用于凸轮轴支架模具，其填充末端油道孔附近、垫片安装面与链条盖安装面气孔品质比自然排气的品质有明显改善，但比不上双芯机械真空阀的效果。图１０为单块Ｚ形排气块设计的填充模拟分析，模拟结果显示中间３条溢流道过早堵塞主溢流道，造成产品两侧的气体难以排出，在产品的填充末端（油道孔附近、垫片安装面与链条盖安装面）出现气孔的概率很大。图１１为双Ｚ形排气块设计的填充模拟分析，结果显示使用两块 Ｚ 形排气块后产品的填充末端（油道孔附近、垫片安装面与链条盖安装面）的气压明显降低，两侧的溢流道与中间的溢流道几乎同时到达主溢流道。
从模拟来看，双 Ｚ形排气块的效果要明显优于单Ｚ形排气块。试验证明双Ｚ形排气块的抽真空效果要显著优于单块 Ｚ 形排气块的抽真空效果，接近双芯机械真空阀的效果。基于以上自然排气、双芯机械真空阀排气、单块Ｚ形排气块排气与双 Ｚ形排气块排气试验，证明双 Ｚ形排气块为该凸轮轴支架的最佳排气设计。
３．２ φ１８ｍｍ传感器孔成因分析与对策
凸轮轴支架传感器孔靠近Ａｌ液填充末端且为凸起，与产品成孤岛状态，所以Ａｌ
液填充时很容易封堵使其困气形成气缩孔。第１种解决方法是降低该位置的模具温度以降低该位置的缩孔，也就是在该位置模具的相应地方增加冷却水。
第２种解决方法是通过改变该位置 Ａｌ液的填充状态从而达到减少该位置的气缩孔缺陷。从图１２的模具温度布置可以得出传感器孔位置模具温度略高于周边其他区域，也就是第１种解决方案的应用效果不显著。可以通过不同的进浇射料方式改变 Ａｌ液在该位置的填充状态，图１３ａ为侧边搭接一条进浇以４５°角的方式切入传感器孔位置，模拟效果显示侧搭的铝料会沿着型壁过快到达产品填充末端且传感器孔填充状况也比较紊乱；图１３ｂ侧边搭接以９０°角的方式直接切入传感器孔，模拟效果显示侧搭的铝料大部分会直接到达传感器孔位置而先填充孤岛形式的传感器孔，之后和其他 Ａｌ液汇合一起填充产品末端，这样的填充状态比较理想，试验表明图１３ｂ的方案很好地解决了φ１８ｍｍ传感器孔的气缩孔问题。
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３．３ 产品飞料、夹层成因分析与对策
该铸件的投影面积为１０２１００ｍｍ２，铸造压力为８０ＭＰａ，使用８４００ｋＮ的压铸机锁模容易出现锁不死现象，产品很容易产生飞边（见图１４），由于产品是全自动生产，飞边毛刺很容易残留在模面或浇道上，残留的飞边毛刺被辗碎或重熔很容易产生夹层或杂质。采取的措施是：
模具的压射冲头直径由φ９０ ｍｍ改为φ１００ｍｍ，铸造压力由８０ ＭＰａ下降到６８ ＭＰａ。措施实施后，８４００ｋＮ 压铸机的锁模力已经足够，故产品的飞边毛刺基本消除，从而入料口的夹层也明显减少。
３．４ 油道孔加工废品成因分析与对策
图１５为油道孔加工废品形貌，其大端加工余量单边为０．６５ｍｍ，小端单边加工余量为０．８５ｍｍ，总的来说加工余量偏大。
采取的措施：孔加工位置型芯针针身做分级段，改善后图纸要求：孔大端加工余量单边为 ０．５ ｍｍ，孔小端加工余量为０．５５ｍｍ。措施实施后，该油道的废品率由改善前的１．５％下降到０．３％，效果很明显。
４ 结语
数值模拟能为铝合金压铸件的品质控制及缺陷改善提供良好的参考依据，缩短了开发时间；合理的排气结构设计是改善铸件内部品质的重要方法；合理的入料口设计不但是铸件良好内部品质的重要保障，还是铸件表面成形良好的重要依据；型芯针合理的加工余量能够大大减少产品的加工不过，提高成品率；压铸机足够的锁模力可以减少飞边毛刺的产生，是保证铸件硬度要求的重要手段。
