鋁合金水泵座壓鑄模具設(shè)計(jì)

摘 要：通過(guò)對(duì)水泵壓鑄件的結(jié)構(gòu)分析以及壓鑄機(jī)工藝研究，初步確定模具的分型面，設(shè)計(jì)澆注、排溢系統(tǒng)，以及頂出機(jī)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)采用重慶東科模具公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的特殊單孔雙回路冷卻水道，確定使用型腔在定模，型芯在動(dòng)模的普通兩板式結(jié)構(gòu)。智鑄超云CAE模擬鑄件充型凝固過(guò)程，通過(guò)X射線探傷技術(shù)發(fā)現(xiàn)試模鑄件表面無(wú)裂紋，內(nèi)部無(wú)明顯孔隙，質(zhì)量滿(mǎn)足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：鋁合金；壓力鑄造；模具設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Aluminum alloy water pump seat die-casting mold design

GONG Chenpu1， LU Honglin2， HUANG Qian1

（1. School of Mechatromechanical and Vehicle Engineering，

Chongqing Jiaotong University， Chongqin 400074， China;

2. Chongqing Dongke Mould Manufacturing Co.，Ltd.，Chongqing 401320， China）

Abstract： Through the structural analysis and process research of die castingmachine technology， the parting surface of the mold， the design of the pouring and drainage system and the ejection mechanism are preliminarily determined， and the cooling system adopts the special single-hole double-circuit cooling channel developed and designed by Chongqing Dongke Mold Co.， Ltd. to determine the ordinary two-plate structure that uses the cavity in the fixed mold and the core in the moving mold. Zhizhu Chaoyun CAE simulates the filling and solidification process of castings， and finds that there are no cracks on the surface of the castings and no obvious pores inside the castings through X-ray flaw detection， and the quality meets the industry standards.

Key words： aluminum alloy; pressure casting; mold design

0 前 言

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，輕量化零部件已然成為了產(chǎn)業(yè)優(yōu)化的趨勢(shì)之一，鋁合金因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)度高、密度低、耐腐蝕和易于回收等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［1-2］。汽車(chē)水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，需要在極度惡劣的環(huán)境下通過(guò)冷卻劑將熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不過(guò)熱狀態(tài)下工作［3］。以往泵體的制造采用的是金屬型鑄造工藝（又稱(chēng)重力鑄造），生產(chǎn)的鑄件力學(xué)性能優(yōu)異，尺寸精度高，在成本降低的同時(shí)保證了高效，但由于高速高壓高溫的生產(chǎn)模式，使得其極易產(chǎn)生缺陷（縮松縮孔、裂紋和粘模等）［4］。

目前，壓鑄件的模具設(shè)計(jì)研究已取得了顯著成果，吳涵超等［5］針對(duì)新能源汽車(chē)車(chē)載充電器殼體工藝復(fù)雜，力學(xué)性能要求高等特點(diǎn)，進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)以及模流分析，證明設(shè)計(jì)的合理性。周海軍等［6］為了解決鑄件制造困難、廢品率高等問(wèn)題，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，其中包括應(yīng)用并完善高壓點(diǎn)冷型芯針、修改擠壓銷(xiāo)的尺寸。胡濱鎧等［7］面對(duì)壓鑄過(guò)程中拉鏈頭零件容易起泡、留痕，和內(nèi)部氣孔等缺陷，對(duì)壓鑄工藝參數(shù)以及模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，最終得到的鑄件滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)要求。王道欣［8］利用Pro/E平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款將油缸和斜導(dǎo)柱抽芯相結(jié)合的整體模具，在保證質(zhì)量良好的同時(shí)其生產(chǎn)效率比低壓澆鑄提高3%～5%。本文以鋁合金水泵壓鑄件作為研究對(duì)象，確定分型面，設(shè)計(jì)澆注排溢、冷卻系統(tǒng)，并用智鑄超云CAE模擬鑄件充型凝固過(guò)程，驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)合理性，并給實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 壓鑄件結(jié)構(gòu)分析以及工藝研究

1.1 水泵座壓鑄件結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，水泵壓鑄件輪廓尺寸為120.3mm×116.2mm×132.9mm，質(zhì)量約為0.716kg，體積約為265206.53mm3。鑄件最大壁厚20.76mm，平均壁厚4.28mm，鑄件形狀復(fù)雜且不均勻?qū)ΨQ(chēng)，存在三處較厚大區(qū)域以及兩處相對(duì)壁薄區(qū)域。模具材料采用H13，水泵座壓鑄件采用的是鋁合金ADC12（日本牌號(hào)），又稱(chēng)為12號(hào)鋁料。是一種壓鑄鋁合金，適用于氣缸蓋罩蓋、傳感器支架、缸體類(lèi)等［9］，也適用于本水泵壓鑄件。其化學(xué)成分見(jiàn)表1。由于水泵座是需要承受較大靜載荷工作條件的重要壓鑄件，制造尺寸公差為±0.62mm，平均表面粗糙度高度Ra≤3.2μm，內(nèi)部縮松密度［10］參考VW50093-5%-Ф2，化學(xué)成分和力學(xué)性能都按照J(rèn)B/T 9855規(guī)定檢測(cè)。

鑄件要求嚴(yán)格，要在保證模具加工精度的同時(shí)考慮材料收縮率，和鑄件開(kāi)模頂出位置不同變形程度不一樣的情況，也必須確保鑄件表面無(wú)翹曲變形，這就需要在壁厚較大區(qū)域設(shè)置冷卻水道，保證鑄件各區(qū)域冷卻速度保持一致。在內(nèi)部，必須滿(mǎn)足孔隙率標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中主要考慮的是，金屬液充型凝固過(guò)程中會(huì)在壁厚或者遠(yuǎn)離澆口的地方出現(xiàn)孤立液相區(qū)，產(chǎn)生縮松縮孔的同時(shí)讓鑄件的力學(xué)性能降低。

1.2 水泵座壓鑄機(jī)工藝研究

鑄造壓力又稱(chēng)為壓射比壓，是用壓鑄機(jī)的壓射力除以活塞頭的面積計(jì)算得到的［11］：

p=p0A0=p0×π4D2π4d2=p0×D2d2

（1）

式中，p是鑄造壓力；p0是壓射力；A0是活塞頭的面積；d是活塞頭的直徑；D是壓射油缸的直徑。

脹型力又稱(chēng)為開(kāi)模力，是鑄造壓力與鑄造面積的乘積；鎖模力是主脹型力和分脹型力之和，具體計(jì)算公式［11］如下：

FL=K（FM+Ff）

（2）

FM=Ap

（3）

Ff=∑（10Aptana）

（4）

式中，K是安全系數(shù)，一般為1.25； A是鑄件在分型面上的投影面積（cm2），多模型腔的投影面積是包含了溢流排氣系統(tǒng)的總的投影面積之和；a是楔緊塊的楔緊角度。鋁合金鑄造壓力設(shè)置為50MPa，推薦選用壓鑄機(jī)型號(hào)為550T。

2 壓鑄模具設(shè)計(jì)

2.1 分型面確定以及澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分型面的設(shè)計(jì)是壓鑄模具設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，能夠直接影響到模具的加工難度、生產(chǎn)效率以及鑄件質(zhì)量，其必要條件是滿(mǎn)足產(chǎn)品填充，流程簡(jiǎn)潔，易于加工。通過(guò)UG分析鑄件產(chǎn)品斜率，然后抽取出產(chǎn)品的分型線，通過(guò)拉伸、橋接曲線，和通過(guò)曲線網(wǎng)格等命令，得到定、動(dòng)模具之間的分型面。

澆注系統(tǒng)是由直澆道、橫澆道和內(nèi)澆口組成的。它對(duì)金屬液在模具內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及方向、溢流排氣條件和壓力傳導(dǎo)起到關(guān)鍵作用。排溢系統(tǒng)是鑄件充型過(guò)程中將冷污料以及殘余氣體排出的結(jié)構(gòu)［12］。產(chǎn)品預(yù)估產(chǎn)量每年8萬(wàn)件，為追求自動(dòng)化以及生產(chǎn)高效，選擇冷室臥式放置，為了避免金屬液正面沖擊型芯，和多道金屬液匯集產(chǎn)生渦流，且要滿(mǎn)足金屬液從鑄件厚壁往薄壁填充，縮短金屬液行程，在鑄件壁厚均勻設(shè)置澆道，內(nèi)澆口采用單邊三支側(cè)澆道的方式，以確保鋁液均速流動(dòng)以及及時(shí)填充型腔，內(nèi)澆口厚度選擇為20mm，計(jì)算得到內(nèi)澆口的截面積

Ag=M/（ρvgt）（5）

式中，M是通過(guò)內(nèi)澆口的金屬液質(zhì)量（包括溢流槽及排氣槽）；ρ是金屬液密度；vg是內(nèi)澆口處金屬液的流速；t是金屬液填充型腔的時(shí)間；Ag是內(nèi)澆口截面積。型腔總質(zhì)量為1420g，金屬液密度為2.55g/cm3，金屬液填充型腔時(shí)間約為3s，根據(jù)材料鋁合金和總質(zhì)量（1000～2500g）之間，選擇內(nèi)澆口處金屬液流速為50m/s，計(jì)算得到內(nèi)澆口截面積為371mm2。

橫澆道的厚度［13］：

D=（5～8）T

（6）

式中，D為橫澆道厚度；T為內(nèi)澆道厚度。得到橫澆道厚度為19mm

為了避免冷隔、氣孔等鑄造缺陷的發(fā)生，需要對(duì)壓鑄模具設(shè)計(jì)排溢系統(tǒng)。通常的排溢系統(tǒng)是由溢流槽、渣包和排氣道組成的，根據(jù)壓鑄模具設(shè)計(jì)理論以及經(jīng)驗(yàn)，制定了理論可行的壓鑄排溢系統(tǒng)。在金屬液流動(dòng)末端，即側(cè)部入水口圓形法蘭三孔附近設(shè)置4處溢流槽，溢流槽所有流道口的橫截面積之和按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為內(nèi)澆口截面積的65%，約為241mm2?？紤]到可能會(huì)出現(xiàn)初始金屬液流動(dòng)沖擊，局部形成渦流，因此在鑄件上端深腔設(shè)置一處渣包流道，其截面積取為內(nèi)澆口截面積的20%，約為74mm2，最終效果如圖2所示。

2.2 頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，采用推桿的方式，推動(dòng)鑄件從模仁型芯脫離。在頂出系統(tǒng)中，推桿的位置選擇是極其重要的。按照壓鑄模具設(shè)計(jì)手冊(cè)以及經(jīng)驗(yàn)，將推桿設(shè)計(jì)到型腔包緊力最大和厚壁區(qū)域［14］。推桿直徑大部分為8mm， 3個(gè)冷卻鑲塊位置預(yù)留3根推桿，溢流槽設(shè)置了16根推桿，直澆道和橫澆道分別設(shè)置了1根推桿。另外在鑄件的表面設(shè)置了6根推桿，泵殼側(cè)部圓形法蘭入水口三孔附近設(shè)置直徑為2mm的推桿。同時(shí)，為保證水泵殼上方分型面法蘭孔的成型，使用側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)提供的動(dòng)力通過(guò)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得側(cè)型芯抽出。其拔模力

p=p1cosa+p2sina=ALρ（μcosa-sina）

（7）

式中，p為拔模力；p1為抽芯阻力；p2為鑄件冷凝收縮后對(duì)型芯的包緊力；A為被鑄件包緊的型芯成型部分的斷面周長(zhǎng)；L為被鑄件包緊的型芯成型部分之長(zhǎng)度；ρ為單位面積的包緊力，鋁合金密度一般取1.0～1.2kg/mm2； μ為壓鑄合金對(duì)型芯的摩擦系數(shù)，一般取0.2～0.5； a為型芯成型部分的拔模角度。

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)好的冷卻系統(tǒng)能夠使得鑄件表面無(wú)翹曲變形，內(nèi)部無(wú)縮松縮孔。如圖4（b）是壓鑄模具內(nèi)部冷卻水道布置圖，直冷式水道直徑選擇為12mm，離壁間距為20mm。

由于壁厚區(qū)域深腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過(guò)添加較小鑲塊來(lái)達(dá)到冷卻效果，但是細(xì)窄深腔無(wú)法用傳統(tǒng)一進(jìn)一出的水回路來(lái)設(shè)計(jì)，因此結(jié)合鑲塊采用特殊雙回路水道制造方法。如圖4（a）所示，不同于傳統(tǒng)一進(jìn)出口水路，單孔連接既是進(jìn)水口的同時(shí)也是出水口，內(nèi)部設(shè)計(jì)為回路結(jié)構(gòu)，可以有效解決細(xì)窄深腔安裝冷卻鑲塊的問(wèn)題。

鑲塊水道可以采用直線型，也可以采用3D打印的隨形冷卻水道。直線型水道通常在模板上進(jìn)行機(jī)加工鉆孔得到，如不考慮成本想得到更好冷卻效果，可以采用隨形冷卻技術(shù)。其能根據(jù)鑲塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨形等距的水道，能夠有效增加水道與型腔的接觸面積，提高冷卻效率以及均勻性［15］。鑲塊隨形水路采用異形結(jié)構(gòu)，在鑲塊底部較寬區(qū)域水道橫截面為圓形，直徑為1mm，而在狹窄不規(guī)則頂部，水道橫截面與鑲塊頂部形狀近乎相同，水道離鑄件間距為1.5mm，鑲塊隨形水道如圖4（c）、 4（d）所示。

2.4 模具結(jié)構(gòu)以及總裝設(shè)計(jì)

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于制造的鑄件是否能夠順利脫模，以及如何在質(zhì)量滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的前提下獲得高產(chǎn)值。而成功的總裝設(shè)計(jì)不但要確保高精度，部件互相配合的情況下結(jié)構(gòu)件不產(chǎn)生沖突，還要保證模具的穩(wěn)定性與安全性。如圖5所示，本模具采用的是兩版式結(jié)構(gòu)，直接由液壓油缸產(chǎn)生鎖模力，型芯部分鑲在動(dòng)模，型腔部分鑲在定模的結(jié)構(gòu)。定模面斜度設(shè)置為2°，動(dòng)模面斜度設(shè)置為1°，以便于鑄件留在動(dòng)模并由頂出系統(tǒng)將其推出。壓鑄成型的每次循環(huán)，推出機(jī)構(gòu)推出鑄件后，必須準(zhǔn)確地回到初始位置，復(fù)位機(jī)構(gòu)就是實(shí)現(xiàn)此功能的。采用4根直徑為25mm的復(fù)位桿，而合模的導(dǎo)向采用4根導(dǎo)柱和導(dǎo)套，引導(dǎo)推板帶動(dòng)推出鑄件平穩(wěn)地做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3 充型凝固過(guò)程的數(shù)值模擬

對(duì)鑄件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，充填網(wǎng)格設(shè)置最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.7mm，最終計(jì)算得到網(wǎng)格量為15552512，凝固網(wǎng)格設(shè)置最小邊長(zhǎng)為1mm，計(jì)算得到網(wǎng)格量為7157594。模擬的工藝參數(shù)包括壓射行程為440mm，慢壓速度為0.2m/s，快壓速度為4m/s，壓射曲線如圖6所示。模具預(yù)熱溫度為180℃， ADC12澆注溫度為640℃。大部分換熱系數(shù)按照智鑄超云平臺(tái)默認(rèn)設(shè)置，模具與外界環(huán)境之間的換熱條件設(shè)置為空冷，環(huán)境溫度為20℃，換熱系數(shù)為10W/（m2·K）。

3.1 充型過(guò)程

如圖7所示，充型過(guò)程圖是截取的50%、 75%和90%充型進(jìn)度。充型50%時(shí)，金屬液就已經(jīng)通過(guò)內(nèi)澆口填充鑄件復(fù)雜壁厚部位，左側(cè)和右側(cè)內(nèi)澆口速度都維持在11.91～19.86m/s，相較于中間內(nèi)澆口23.83～35.74m/s的區(qū)間速度平緩許多。充型70%時(shí)，3股金屬液在深腔頂部匯合，提前設(shè)置的渣包有效緩解了金屬液被阻擋后形成渦流，還能順帶排出一些冷污金屬液和氣體。充型90%時(shí)，水泵壓鑄件區(qū)域已經(jīng)充滿(mǎn)，整體金屬液流動(dòng)速度較為平緩且繼續(xù)填充溢流槽，最終，充型時(shí)間為3.04s，充型效果較好。

3.2 凝固過(guò)程

如圖8所示，鑄件完全凝固的時(shí)間為17.34s，鑄件最先凝固的地方是溢流槽以及遠(yuǎn)離內(nèi)澆口位置的壁薄區(qū)域，最后凝固的地方是壁厚區(qū)域以及內(nèi)澆口、橫澆道和直澆道。其中，澆注系統(tǒng)對(duì)于壁厚區(qū)域可能出現(xiàn)的孤立液相區(qū)具有補(bǔ)縮作用，既能減少金屬液的浪費(fèi)，還能一定程度上避免或者減少了縮松縮孔缺陷的發(fā)生。如圖8（c）所示，在原本三壁厚區(qū)域易產(chǎn)生的熱節(jié)，由于設(shè)置了點(diǎn)冷鑲塊，較大程度地使水泵底座絕大部分區(qū)域保持了和周?chē)恢碌哪虝r(shí)間，確保了產(chǎn)品冷卻的均勻性。

4 生產(chǎn)結(jié)果

采用的是東科模具550T冷室臥式壓鑄機(jī)，用設(shè)計(jì)好的模具和計(jì)算好的壓鑄工藝參數(shù)來(lái)生產(chǎn)水泵壓鑄件，使用ADC12鋁合金材料，最終成型鑄件（包含溢流槽+渣包+料餅澆道）如圖9（a）所示，去除多余結(jié)構(gòu)后的產(chǎn)品如圖9（b）所示。

鑄件劃分為4個(gè)區(qū)域，進(jìn)行X射線探傷。X射線探傷能夠在不破壞受檢對(duì)象的前提下探測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察其是否存在氣孔、氣泡、縮松和裂紋等缺陷。如圖10所示，鑄件基本上無(wú)缺陷，生產(chǎn)符合預(yù)期結(jié)果。

5 結(jié) 論

（1） 根據(jù)水泵壓鑄件的結(jié)構(gòu)分析以及壓鑄機(jī)工藝參數(shù)研究，進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計(jì)，其內(nèi)容主要包括分型面的選擇、壓鑄機(jī)的選擇、澆注排溢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

（2） 使用智鑄超云CAE模擬鑄件充型凝固過(guò)程，具體設(shè)置參數(shù)為模具預(yù)熱溫度180℃，金屬液澆注溫度640℃，快壓慢壓速度分別為4m/s和0.2m/s。模擬結(jié)果是金屬液順序填充并形成完好的鑄件結(jié)構(gòu)，凝固過(guò)程無(wú)明顯孤立液相區(qū)，有效避免了縮松縮孔缺陷的發(fā)生。

（3） 理論指導(dǎo)生產(chǎn)，將模具制造出來(lái)并用相應(yīng)的壓鑄工藝參數(shù)產(chǎn)出試模鑄件，對(duì)其進(jìn)行X射線探傷試驗(yàn)，試模鑄件基本無(wú)缺陷，符合工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

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