摩托車氣缸頭蓋工藝性分析及設(shè)計制作優(yōu)化

楊國軍

摘 要：分析了摩托車氣缸頭蓋壓鑄模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了摩托車氣缸頭蓋壓鑄成型工藝及各工序尺寸，對摩托車氣缸頭蓋壓鑄模具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝進(jìn)行了比較詳細(xì)的論述。從模具設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，制作時合理安排加工藝，從而提高模具使用壽命。

關(guān)鍵詞：摩托車氣缸頭蓋；壓鑄模；模具設(shè)計；制造工藝；斜抽芯

一、產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分析

摩托車氣缸頭蓋是摩托車發(fā)動機(jī)上面的一個重要的零件，它安裝在發(fā)動機(jī)氣

缸的上方，里面要安裝氣門間隙調(diào)節(jié)螺桿。其形狀如圖1所示，具有以下幾個特點(diǎn)：

（1）零件外形尺寸較多，形狀復(fù)雜，材料厚度較厚，并且各部位厚度差別較大。整個外形要求壓鑄、去料頭毛刺、打磨，之后還要交給機(jī)加車間CNC鏜孔。外形大部分是曲面結(jié)構(gòu)，各曲面銜接順滑，不能有氣孔或其它填充不良現(xiàn)象。

（2）零件材料為鋁合金中的鋁硅系合金，澆鑄溫度640-680℃。

（3）生產(chǎn)形式為大批量生產(chǎn)，模具壽命要求達(dá)到8萬次以上。

二、產(chǎn)品零件壓鑄工藝性分析

該制件外形最大實(shí)體尺寸166.8x134.2x68.5mm，內(nèi)部和外表曲面復(fù)雜起伏不平，相似一個不規(guī)則的瓢形，各部位壁厚有4-7mm，對外觀有較高的要求，表面要平整、光滑，不能有影響外觀的縮水痕、熔接痕、缺料、裂紋、變形和碰傷等工藝缺陷，還要烤漆處理。產(chǎn)品的材料為鋁合金，綜合性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，流動性中性，有一定的表面硬度。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分析，定模有兩處孔位妨礙脫模，一處是直孔，另一處是斜孔。開模前，此兩處的抽芯要先從產(chǎn)品中退出來，保證與產(chǎn)品在脫模方向上有足夠的避空不干涉。所以，定模上要安排兩個抽芯脫模，安排抽芯時要注意保證抽芯的強(qiáng)度，斜抽芯要加有高強(qiáng)度導(dǎo)向的保護(hù)套，本處的難點(diǎn)就是斜抽芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于摩托車氣缸頭蓋產(chǎn)品對外觀要求較高，為了不影響產(chǎn)品外觀，斜抽芯的結(jié)構(gòu)的分型面設(shè)計，反映到產(chǎn)品上要美觀且不影響打磨。

三、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）分型面設(shè)計。模具結(jié)構(gòu)如圖2所示，該模具結(jié)構(gòu)采用兩板式大澆口結(jié)構(gòu)，動、定模的分型方案，以底部的平面為大分型面，而另一部分（見圖2左圖右）的分型面則分在滑塊上，它的成型部分也排位在滑塊上。

排氣槽主要設(shè)置在定、動模的排渣器上，排渣器位于型腔的末端，熔融的鋁合金在高壓下充滿整個型腔后，氣體則通過排渣器被擠出。排氣槽的深度為0.5mm，寬度為50mm，截面呈現(xiàn)一波浪形，氣體則可有效地從此排出。

（二）澆鑄系統(tǒng)設(shè)計。由于產(chǎn)品尺寸精度要求較高，產(chǎn)品外表面光滑，再加上產(chǎn)品的材料是鋁合金，注定了模具要采用一模一腔的兩板結(jié)構(gòu)，及大澆口高壓澆注系統(tǒng)。根據(jù)產(chǎn)品性能要求，澆口位置選擇如圖3所示，并對澆口尺寸、流道尺寸進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到產(chǎn)品右側(cè)的厚度較厚，所以流道設(shè)計分主流道和分流道。主流道直接流向產(chǎn)品的正方，分流道則從產(chǎn)品右側(cè)進(jìn)料。如果不設(shè)計分流道，熔化的鋁液從主流道直接流向產(chǎn)品的第一部位，在壁厚的地方很容易產(chǎn)生氣泡，而且還會容易出現(xiàn)生料的現(xiàn)象。在產(chǎn)品的末端設(shè)計渣包，因為鋁液澆鑄完型腔后，溫度已經(jīng)有所降低，特別是首先沖出的鋁液，溫度還要低一些，所以讓這首先出來的鋁液在渣包的底面固化，而后面的鋁液依然可以正常地流動。分流道的末端設(shè)有冷料穴，鋁液的前鋒面上的冷料流動時首先沖向冷料穴，后面的正常鋁液則澆鑄向產(chǎn)品，防止產(chǎn)品出現(xiàn)冷紋，對產(chǎn)品的質(zhì)量大為提高。

（三）脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計。由于本產(chǎn)品正面有一處直孔位和一處斜孔位，且直孔的下方有倒扣，為了便于脫模，決定在定模位置設(shè)計一斜抽芯（見圖4），直孔位及倒扣則合并在一起，做一個整體滑塊在動模上。斜抽芯的成型部分做有拔模斜度2度，并且在斜抽芯和抽芯套的配合處開有排氣，以減少斜抽芯拔出的力度。滑塊上則安裝有兩個鑲針，開模后，滑塊在液壓油缸的拉力下，滑塊和鑲針同時從產(chǎn)品上退出到合適位置。

（四）冷卻系統(tǒng)設(shè)計。該模具的冷卻系統(tǒng)主要根據(jù)動、定模型芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及模具零件的分布來布置水路。定模芯上有斜抽芯，滑塊的成型部位則嵌在定模芯平面之下，這兩部分的水路就單獨(dú)設(shè)置，它們的水管用耐壓管與定模芯的水管相聯(lián)接。定模芯的水路則分為兩部分，豎直方向采用“L”型常用水路，水平方向用水井結(jié)構(gòu)，水井內(nèi)裝有往復(fù)冷卻水管組（結(jié)構(gòu)見圖5）。動模芯上由于頂針孔很多，就主要在背面用設(shè)計水井，水井內(nèi)裝單式冷卻水管和往復(fù)冷卻水管組。單式冷卻水管在豎直方向用普通水路相通，兩端用紫銅堵塞。

設(shè)置往復(fù)冷卻水管組目的為了避免冷卻運(yùn)水與相關(guān)的模具零件發(fā)生干涉，而又不影響其冷卻效果，從進(jìn)水到出水從一個水井中完成。

（五）頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計。模具的頂出結(jié)構(gòu)有頂針、復(fù)位桿、定針板、動針板組成。頂針裝配在動針板上，用定針板壓緊，定、動針板用中托司定位，以使得兩針板能在導(dǎo)柱上移動順暢。

四、制造工藝安排

（一）模具關(guān)鍵元件制作。摩托車氣缸頭蓋鋁合金壓鑄模的關(guān)鍵元件主要有定模芯、動模芯、滑塊、斜抽芯等，它們都要采用熱作模具鋼。熱作模具鋼工作時承受很大的壓力，并伴有強(qiáng)烈的摩擦，此外，模腔反復(fù)受熱和冷卻，造成模具因磨損以及由于熱疲勞所產(chǎn)生的龜裂（網(wǎng)狀裂紋）從而失效。因此要求熱作模具鋼有好的綜合性能，包括高溫下能保持較高的力學(xué)性能（較高的強(qiáng)度、韌性、足夠的硬度和耐磨性），良好的耐熱疲勞性、良好的熱導(dǎo)性、良好的高溫抗氧化性，對尺寸較大的模具還要求較高的淬透性和較小的熱處理變形。

摩托車氣缸頭蓋鋁合金件壓鑄模的關(guān)鍵元件，諸如定模芯、動模芯、斜抽芯、抽芯套、滑塊、澆口套、分流錐等，其材料選用瑞典ASSAB廠家鋼號8407。這種鋼的相變溫度較高，抵抗冷熱交變的耐、熱疲勞性良好，鋼的淬透性高，抗熱疲勞開裂性和抗熱熔損性均良好，出廠退火硬度≤235HBS。此種熱作模具鋼含有較多的易形成碳化物的鉻元素（見表1），因此在高溫下有較高的強(qiáng)度和硬度，但其韌性和塑性則相對較差。

在制造過程中，每一個零件我們都編制加工工藝卡片。比如說定、動模芯，它的加工工藝如下：

1.鉆孔。先把背面的螺絲孔、運(yùn)水孔、慢走絲線切割穿絲孔要一一鉆孔，按照明細(xì)表中的孔數(shù)，每鉆一孔打鉤，以免漏鉆。

2.CNC開粗。CNC開粗時，每面預(yù)留2mm加工余量。

3.粗加工后熱處理。開粗完畢后，拉到材料廠家進(jìn)行熱處理，要求洛氏硬度HRC43-48。此種熱作鋼熱處理淬火時，我們把材料送到ASSAB公司指定的熱處理廠家。他們通常采用“延時淬火”方法，先在空氣中或預(yù)冷爐中冷卻一定時間，再置于淬火介質(zhì)中冷卻。延時過程不但降低了工件進(jìn)入淬火介質(zhì)前的溫度，而且減小了工件與淬火介質(zhì)間的溫差，因此可以減小淬火時的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而減小工件淬火變形和開裂的傾向。

4.磨基準(zhǔn)。周邊四個面磨成直角，底面要磨平，磨削加工時，用百分表拖表校正，誤差小于0.03mm。

5.CNC精加工型腔。加工前底面不能有鐵屑等顆粒，四邊分中，對刀時保證高度誤差小開0.04mm。

6. CNC精加工斜抽芯在定模芯上的斜孔。加工前先把專用的工裝放在CNC平臺上，用百分表拖平之后固定。然后再把定模芯放在工裝的斜面上，校正后固定，這樣可以保證角度和各相關(guān)尺寸的加工穩(wěn)定性。

7. 慢走絲線切割鑲針孔。

8. EDM加工型腔。先用粗公打火花，火花位按0.3設(shè)定，完后再用精公打火花，火花位按0.08設(shè)定。

9. EDM加工斜抽芯在定模芯上的斜孔。

10.省模。用砂紙拋去火花紋，粗糙度達(dá)到0.2。電火花加工型腔雖然是比較方便簡單的手段，而且在相關(guān)尺寸的確保方面也很可靠，但由于電火花加工時，火花間隙處的溫度要高達(dá)1000攝氏度左右，對模仁材料來講已達(dá)到了淬火溫度，故型腔表面會存在一層白層，厚度達(dá)0.05-0.08mm，這一層材質(zhì)處在了細(xì)微龜裂狀態(tài)，必須經(jīng)打磨去除。

11.曬廠商標(biāo)志、模具代號和日期章。我司全名是江門市蓬江區(qū)榮盛實(shí)業(yè)有限公司，簡稱榮盛公司，用英文“RS”代替。日期章中間表示年份，如12是2012年，周邊外環(huán)分12空間，像時鐘一樣分度，代表1-12月份。要求線寬0.4，深度0.3mm。

（二）回火去應(yīng)力。

1.精加工之后，需作去應(yīng)力處理，因為型腔材料經(jīng)熱處理后作的精加工，特別是型腔火花機(jī)加工成型，頂桿孔線切割加工，都存在一定的應(yīng)力，為了提高模具使用壽命，比必需作去應(yīng)力的處理后，模具才能投入量產(chǎn)使用。

2.模具使用過程中，也會存在一定的應(yīng)力，在澆鑄產(chǎn)品1萬件時，定、動模芯也要作去應(yīng)力處理。回火時，回火組織為回火馬氏體，降低了淬火應(yīng)力及脆性，仍保持淬火后的高硬度和高耐磨性。

（三）鑲針氮化。

由于鑲針的體積較小，在澆鑄時要與型腔承受相同的壓力，很容易崩斷。為了改善鑲會的力學(xué)性能，將鑲針置于含有氮元素介質(zhì)中加熱和保溫，使氮元素分解某些元素的活性原子滲入工件表面，從而形成0.2mm厚度的滲層，以此來改變工件表面的化學(xué)成分和組織，達(dá)到強(qiáng)化工件表層的效果，這個過程我們稱之氮化。通過提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能，鑲針獲得了耐蝕性、耐熱性、抗氧化性，使得鑲針的壽命延長。

五、模具工作過程分析

模具的定、動模板均鎖在壓鑄機(jī)的定、動模板上，定針板也鎖在壓鑄機(jī)的定動模板上。合模時，動模上的滑塊先復(fù)位，然后合模，壓鑄機(jī)的定、動模板壓緊模具，定模上的斜抽芯在液壓缸的推力下復(fù)位，可以澆鑄。開模時，定模上的斜抽芯在液壓缸的拉力下把抽芯拔出，壓鑄機(jī)的動模板向后移位開模，動模板上的滑塊滑出，定針板在壓鑄機(jī)動模板的推板推力下把產(chǎn)品頂出，然后可以取出產(chǎn)品。

結(jié)束語

通過對該模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地設(shè)計，在制作過程中對工藝進(jìn)行嚴(yán)格地控制，并且經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐驗證，該模具壽命可達(dá)12萬次以上。大長江集團(tuán)壓鑄部反映我們設(shè)計制作的氣缸頭蓋壓壓鑄模，員工操作方便，生產(chǎn)效率高。能贏得了客戶這樣的評價，我心里也感到欣慰。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮炳堯，韓泰榮，蔣文森.模具設(shè)計與制造簡明手冊[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[2] 模具制造手冊編寫組.模具制造手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.