原标题：发动机前盖支架处缩孔的原因分析及模具优化设计

图1为某汽车发动机前盖，轮廓尺寸为437 mm×423 mm×222.5 mm，质量为3.94 kg。零件主体结构由前盖、发动机支架和水泵支撑3部分组成。该前盖外形不规则、内部结构复杂，发动机支架处于前盖的中心底部，有3个M10螺栓孔起连接作用；水泵支撑处于前盖侧向，中心有水泵出水孔，出水孔边缘有8个M8螺栓孔用于固定水泵。除前盖与缸体结合面有密封要求外，在水泵连接处有密封性要求，在支架处有较高的强度要求。铸件材质为A380铝合金，一般壁厚为3.5 mm，最大壁厚在支架处，壁厚在24~30 mm之间。

为满足前盖的密封性和强度要求，必须保证铸件内部质量。批量生产过程中，通过X光探伤发现前盖支架处有明显的孔洞，缺陷比例占70%以上，铸件机加工后M10螺纹孔暴露缺陷，缺陷形式见图2。

图1 发动机前盖
1.支架处 2.水泵连接处

图2 前盖缺陷位置及状态

铝合金压铸件内部存在孔穴，需要通过模具设计和工艺优化将孔穴控制在可接受的范围，以保证铸件的品质满足要求。孔穴分为气孔和缩孔，由于气体存在而形成的内表面光亮和光滑、形状较为规则的为气孔；在凝固过程中，由于体积减少，金属液补偿不足所形成的暗色、形状不规则的为缩孔，主要出现在铸件厚壁处。对前盖缺陷件进行剖切，发现孔穴存在于厚壁处心部，形状不规则，孔内壁呈现暗色，确定前盖支架处孔穴主要为缩孔。

在压铸过程中，金属液注入型腔后，表面先冷却成硬壳，内部后冷却的金属液凝固过程体积减少，减小的体积如果得不到外来金属液的补充即会形成缩孔或缩松。铝合金压铸件缩孔缺陷主要与铸件结构、压铸工艺以及压铸模的浇注系统和排溢系统的设计有关：①铸件结构，铸件局部壁厚厚大，有热节部位。②压铸工艺，合金液浇注温度过高、压射最终补压压力不足、余料饼太薄等。③浇注系统，内浇口位置不当、内浇口过薄。④排溢系统，溢流槽位置不对或容量不够。

首先对压铸模具及压铸工艺进行分析，发动机前盖的模具结构见图3。铸件纵向布置，为满足复杂的零件结构的充填， 采用U型充填方式，填充末端多股金属液汇集处设计溢流槽和排气道。动模上方设置滑块抽芯机构，以满足前盖侧向异形及侧向螺栓孔成形；动模右侧设置独立的抽芯机构，用于侧向孔的成形；定模上方设置抽芯机构，用于实现支架处3个螺栓预铸孔的抽芯。为简化模具结构、便于动作顺序程序操作，3处均采用液压抽芯方式。进一步对铸件结构进行分析，前盖支架处壁厚在24 mm以上，约为铸件一般壁厚的7倍，厚壁处是铸件最后凝固的位置，在凝固成形中会产生缩孔。同时对铸件进行CAE分析，模拟分析金属液填充顺序，其结果见图4，可见支架处厚壁区域位于深腔的底部，是金属液最后填充的区域。

图3 模具结构方案

图4 模拟填充顺序

前盖压铸模具内抽芯机构优化前结构见图5。支架处3个螺纹孔的预铸孔抽芯机构设置在定模上，3个直径为ϕ8 mm的型芯与定模镶块滑动配合，在液压缸的带动下实现插芯和抽芯，模具结构简单，但无法设置溢流槽。
优化后内抽芯结构见图6，3个直径为ϕ8 mm的型芯固定在直径为ϕ82 mm的内抽芯上，直径为ϕ82 mm的内抽芯与定模镶块滑动配合，在液压缸的带动下实现插芯和抽芯。3个ϕ8 mm的型芯设置在内抽芯的上部，下部设置溢流槽，抽芯后溢流槽进料口处的形状与内抽芯成形处脱离，实现溢流槽无干涉的脱模。

图5 优化前内抽芯结构
1.铸件 2.定模镶块 3.内抽芯

图6 优化后内抽芯结构
1.铸件 2.定模镶块 3.型芯 4.内抽芯 5.溢流槽

压铸模中溢流槽主要作用是排除型腔中的气体，储存混有气体和涂料残渣的前流冷污金属液。在模具设计时，溢流槽一般是按区域分布的，每个溢流槽的容积与相邻型腔的容积有关，溢流槽容积占相邻型腔区域的比率见表1。前盖一般壁厚为3.5 mm，查表1得溢流槽容积占相邻型腔容积25%以上，金属液流过浇道和型腔250 mm，溢流槽的容积还要在表1中所列数据的基础上提高20%。根据前盖支架处结构形式及局部壁厚厚大、处于填充末端等特点，计划设计集渣包容积比为50%。

通过计算，前盖内抽芯的锁紧力远大于抽芯力，需要设计独立的锁紧机构。由于前盖内抽芯在定模，需要将内抽芯抽拔到完全脱离型腔的安全位置后才能开模，因此需要将锁紧块设计在定模，在与内抽芯运动方向垂直的方向布置。前盖内抽芯的锁模主要采用液压辅助机械机构进行，通过锁紧块和固定板来实现机械锁紧，通过液压缸带动锁紧块的移动。定模内抽芯及其锁紧机构结构图见图7，其动作顺序为合模-定模内抽芯机构插芯→内抽芯机构锁紧→压射→内抽芯机构锁紧块撤回→内抽芯机构抽芯→开模→取件。

表1 溢流槽容积推荐值

图7 定模内抽芯及其锁紧机构结构图
1.定模内抽芯 2.定模套板 3.侧向锁紧油缸 4.固定板 5.抽芯油缸 6.抽芯油缸固定板 7.楔紧块 8.内抽芯连接板 9.行程开关连接板 10.抽芯油缸支板 11.行程开关组件总成

通过上述措施对前盖压铸模内抽芯结构进行优化后，用力劲18 000 kN压铸机进行生产。铸造压力为75 MPa，慢压射速度为0.15 m/s，高速阶段冲头速度为4.2 m/s，优化后的模具批量生产2 000件，全部进行X光探伤检验，观察到支架处无明显缩孔，产品质量改善显著。前盖外观及内部品质见图8。批量供货产品经机加工后，产品的局部缩孔缺陷降低到2%以下。经过大批量生产验证，前盖产品品质稳定，模具运行平稳、可靠、耐用。

图8 优化后的前盖X光检验

结论

（1）前盖产品在支架处因浇注成形困难，局部壁厚过大，冷却凝固成形过程中无法有效地实施补缩从而导致缩孔产生。

（2）局部增加大容量的溢流槽，可以有效地改善充填成形，并对局部实施补缩，降低缩孔产生的风险。

（3）对铸件深腔局部厚大处，尤其是无法使用常规方法设计溢流槽时，可通过侧抽芯设计溢流槽，从而改变溢流槽的脱模方向，抽芯后溢流槽可以顺利脱模。

（4）对于锁模力大的液压抽芯机构，采用液压辅助机械锁模机构，能有效减小锁模机构的体积，且锁紧稳定、可靠。

《发动机前盖支架处缩孔的原因分析及模具优化设计》

董淑婧 侯丽彬 吕海霆 郭瑞

大连科技学院机械工程学院

本文转载《特种铸造及有色合金》