摘要：通过对发动机缸体产品及压铸工艺参数分析，在CAE模拟的基础上，设计了模具浇排系统、冷却及加热系统、抽真空系统等，实现了高质量发动机缸体压铸件生产，产品合格率达98%以上，生产节拍在90s以下。本文还可以为其他产品开发及模具设计提供有效的思路，促进产品开发及模具设计的系统化及规范化。
前言
燃油车及混合动力轿车使用的发动机缸体，其压铸件形状复杂，浇铸重量30.2Kg以上。缸体内部存在水道、油道，气密性要求不同，对模具的冷却水控制、温度场控制、抽真空系统提出更高的设计要求，一直以来都是缸体压铸的重点及难点。为了解决这些问题，本文从以下几个方面对发动机缸体产品审核及模具开发予以阐述。
1、缸体铸件基本信息介绍
图1是一款燃油车及混合动力轿车使用的发动机缸体，其基本信息如下：
外形尺寸：长381mm×宽376mm×高281mm，壁厚如图2所示。
壁厚：产品主体壁厚4.5mm、最厚壁厚33.9mm、平均壁厚6.73mm，适合压铸生产。
成品净重：从3D图纸上测量，成品净重为17.4Kg
材料：AlSi9Cu3(Fe)
成品投影面积：1300cm²
从产品外形尺寸可以计算发动机缸体铸件的投影面积大小，初步分析压铸机合模力的大小。分析壁厚的主要目的是判断产品的充填时间及凝固时间，确定充填速度范围，为后面其他工艺参数选择打下基础。对材料的分析可以判断其力学性能及流动性能，为浇注铝水温度初步提供依据。通过对发动机缸体铸件的基本信息分析，可以得到产品特性要求，为后面模具开发打下基础。
2、缸体铸件的重点及难点分析
缸体产品主要有以下几个关键点。
2.1发动机铸件内部主油道
图2所示黄色部位显示的是油路，有较高密封要求。主油路直接压铸成型，中间钻孔打通。这对铸孔表面质量要求很高，同时需要严格控制头部偏心（铝液冲刷所致）。为保证主油道位置，通常采用专用检具，如图3所示。
2.2发动机曲轴面孔位
发动机曲轴面孔位，如图4所示的黄色部位，对气孔、硬度要求较高，压铸时需注意此面的冷却及加工余量大小。缸体铸件要求限制孔隙率，在模具设计上要考虑冷却水的控制。在要求限制孔隙率的部位要加大冷却水流量，模具温度控制要低。同时可以考虑增加网纹设计，改变流动性，确保产品的质量要求。
2.3发动机缸体交叉油道部位
由图5可看出，发动机缸体交叉油道处壁厚肥厚，很容易产生缩孔，导致泄漏。此处做减厚处理，隔断肥厚区域，同时做好冷却。模具设计在此处增加强制冷却，控制模具温度，产品改进方面要减小壁厚，确保缸体产品质量。
2.4.水泵接合面底部部位
图6所示的水泵接合面底部部位，最大壁厚达33mm，极易产生缩孔，与旁边油道贯穿，导致泄漏。设计浇口时需重点关注此水泵接合面底部处的补缩效果，同时考虑强制冷却。可在此处加设网纹设计，改变善铝水的流动特性。
2.5主油道孔周边部位
图7所示的红色部分是油道孔周边部位，壁厚肥厚，容易出现缩孔，导致泄漏，需要重点考虑增压补缩效果。同时可以在不影响油道油泵链接特性上改变产品壁厚，有利于提高产品质量。
如图8所示，红色部位的螺丝孔与油道孔很近，减重槽尺寸过小，很容易粘模，破坏表面层，导致泄漏。模具设计时需要重点关注此处的冷却，增加冷确水通道，提高冷却效果。
以上分析为模具的分型面设计、浇排系统设计、冷却系统设计、抽真空系统设计等提供了基本的设计依据。
3、模具的动、定模分型面及滑块设计
如图9所示，采用4个滑块结构，有利于开模及铸件顶出。如图10所示，模具的浇注系统采用单边进料方式，以减少模具制造成本。同时根据充填模流分析，这种结构能确保缸体充填的可靠性，有利于排气。
模具的分型面设计如图11所示，这样的分型面设计有利于浇注系统、排溢系统的布置。铸件的关键尺寸留在定模及动模型腔固定型芯内部，不留在模具的滑块部位，保证压铸件的尺寸精度。同时，避免浇口被冲刷及产品变形影响后续机加工。
4、发动机缸体浇排系统方案的选择
如图12、13所示，缸体采用单边的浇排系统方案、双抽真空方式。根据前面发动机缸体铸件产品的分析，采用这样的浇排系统设计是可靠的，抽真空设计可以有效的减少模具型腔各部分含气量。
5、压铸工艺参数及铸造条件设定
图14所示的线图称为p-Q2图，用于计算或核算压铸工艺参数和压铸机与模具的匹配状况。p-Q2图以压射比压为纵坐标，金属液流量为横坐标。蓝色曲线称压铸机的压力-流量特性曲线，绿色曲线称为模具压力-流量特性曲线。红色方框称为压铸工艺窗，由最大充填速度及最小充填速度，最大充填时间及最小充填时间决定。压铸工艺参数的设定要求是压铸机的压力-流量特性曲线和模具压力-流量特性曲线交叉点在工艺窗口内部，交叉点越居于中间位置越好，交叉点居中表会使工艺参数裕量加大。以下是缸体具体数据及通过p-Q2计算得到的工艺参数，压铸机锁模力为3000吨：
铸件重量：17.8Kg
浇道重量：5.8Kg
浇铸重量：27.34Kg
工艺出品率：59.25%
投影面积：2450cm2
适用压铸机：3000T
冲头大小：φ170mm
内浇口截面积：16.17cm2
冲头截面积：226.8cm2
压室充满度：44.6%（空打行程1000mm）
浇铸温度：660℃
高速行程：446mm
充填时间：125ms
一快速度：0.3m/s
二快速度：3.5m/s
二快切换：540~560mm
6、模流分析
利用上一节确定的工艺参数，对充型流动和温度变化进行了模拟验证。
6.1充填模拟分析
从浇口右侧观察，铝水进入到模具的型腔内部，充填流畅，表明单边进料对于发动机缸体模具的充填是有利的，如图15~18所示。通过填充模拟分析，确认铝水在型腔内部的充填性可靠。
6.2卷气模拟分析
图19~22显示铸件整体填充比较顺畅，曲轴孔处填充有紊流现象，有出现气孔的风险。加工余量先做小值，同时布置冷却。填充过程中，肥厚区域卷气比较明显，如曲轴孔表面、缸套外腔。图22中存在的黄色小点部位存在气孔的可能性，此处要做抽真空设计，以消除或减少气孔，提升铸件质量。
6.3凝固模拟分析
通过凝固模拟过程分析，产品中最后凝固位置是在图23~25所示红点部位。在成型的过程中，这些部位易产生缩孔等缺欠。在模具设计的过程中要对这些部位加以关注，需加入点式冷却，强制冷却，以达到模具热平衡。
6.4温度场模拟分析
图26和图27是不同方向观察的温度场分布。模具温度场的控制，是为了确保模具在生产状态下热平衡及镶块间的间隙，控制铸件在凝固过程中产生铸造缺陷、尺寸精度及变形量。在模具必要部位加设冷却管路，达到产品同时凝固。
7、模具的冷却水设置
根据仿真模拟中的凝固状态，布置冷却水道。在最后凝固和出现缩孔概率较大的区域重点布置冷却。冷却水的作用是带走金属液凝固释放的热量，冷却水道的排布需要根据释放的热量计算。
水冷却是压铸模具最常用的冷却方式，图28和图29是模具的冷却水路布置图。水路布置的好坏直接影响到产品的成型质量和生产周期，影响缸体生产效率。
采用点冷却方式对独立的深腔部分及细长型芯进行冷却，可实现延时控制及流量控制。如图30及图31所示，在曲轴部位及水泵部位采用高压点冷，实现很好的温度场控制，可以大幅度的提高产品质量，缺陷减少。分流锥、浇口套和冲头可以采用车间冷却系统供水冷却，专用的模温控制系统包括纯水机、水温控制机、模温机等。
如图32所示发动机缸体内装有4个缸套镶件，对于模具的温度控制要求极高。压铸模具的温度变化，会引起尺寸的变化，缸套镶件的尺寸一定，镶件要安装到模具上，应确保这些部位的温度变化不大。
发动机缸体生产需要设计冷却水路和和控制冷却水流量，使用单独的模温控制系统。模芯布置点冷却，并采用断续冷却的方式控制冷却水，
8、顶出方案
如图33所示，发动机缸体模具由于采用四个滑块结构，模具开模后四个滑块全部打开。模具打开后，产品在模具上的包紧力较小，在缸套部位布置顶出是合理的。
9、抽真空方案
如图34所示，缸体模具采用双抽真空阀设计，排溢道可以用双搓衣板式。主要应考虑抽真空阀的抽真空面积，抽真空体积，同时还要考虑真空罐的体积，真空罐到模具管道的体积以及真空泵的能力。在模拟的基础上，在容易卷气的部位开设真空通道，连接集渣包。
10、结语
根据缸体产品特性及压铸工艺技术特点，研究发动机缸体模具开发全过程，给出模具开发过程每部分的必要条件，可为缸体模具设计提供开发流程。首先要研讨缸体结构对压铸工艺参数的影响，其次通过计算模拟为后期的浇排系统设计、冷却系统设计、抽真空系统设计等提供有利保证。按照给出的开发流程，可以提高模具设计的可靠性，大幅度提高产品的质量，提高生产效率。
本文作者：
营口华峰动力发展股份有限公司营口周文强
重庆瑞方渝美压铸有限公司重庆卓晓成
南京合一智造汽车轻量化技术研究院有限公司江苏南京朱永权、闫念一
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