凸轮轴盖作为凸轮轴的安装载体,它与气缸盖连接紧固，用来密封气缸盖、气门室和凸轮轴，是发动机总成的关键零部件。
与其他汽车零件比较，凸轮轴盖易变形，表面质量和尺寸精度哀求高。
压铸产品在多数工业领域都用到广泛运用，尤其汽车制造领域。
如果压铸模浇注系统设计不合理，高速压铸过程中随意马虎卷气，凝固后将形成气孔、缩孔和缩松等毛病。

1 铸件构造剖析及参数设置

铝合金凸轮轴盖零件为矩形框架构造，其三维模型见图1。
形状尺寸为361 mm ×160 mm ×44 mm，体积约为4.34×105 mm3，最大壁厚为8 mm（见图1a中圈选位置），最小壁厚为4 mm。
鉴于凸轮轴盖铸件为长方形框架构造，浇注系统采取侧浇办法。
为缩短金属液的流动间隔，浇口设置在框架长边一侧；又由于该框架形铸件内部有6处横梁构造，宜采取分叉式横浇道。

(a)铸件外侧 (b)铸件内侧

图1 凸轮轴盖铸件三维图

压铸模紧张设计和选用参数见表1。

根据铸件构造特色和浇注系统设计理论，设计了3种浇注系统方案，见图2。

（a）方案1 (b)方案2 (c)方案3

图2 凸轮轴盖铸件浇注系统设计方案

2 数值仿照结果与谈论

2.1 压铸充型过程剖析

3种浇注系统设计方案的充型过程仿真结果见图3。
方案1中，金属液沿着直浇道进入型腔，整体上知足顺序添补，但由于凸轮轴盖的框架构造，使得金属液多次分流和汇合，不可避免地增加卷气。
在添补率为50 %时，金属液在圆圈标记位置形成汇合，被压缩气体无法通过铸件横梁形成的型腔排出，随意马虎在此处造成卷气和熔接痕。

方案2与方案1比较，金属液流态基本相似，在添补率为50 %时，金属液在圆圈标记位置也形成了液流汇合，但汇合流处于型腔通道，产生气孔和熔接痕的可能性较小。
同时由于方案2在铸件圆台一侧开设了溢流槽，可减小卷气和缩孔毛病。

方案3与前两种方案比较，圆圈标记区域的液流汇合位置靠近溢流槽一侧，也处于型腔通道位置，见图3c。
方案3显然避免了两股金属液在铸件内部交汇和相互冲击，从而减少产生涡流、裹气以及氧化夹渣的发生可能，其浇注充型过程更合理。

从充填率70%和95%的充型状态来看，3种浇注系统设计方案充型情形均相似，型腔填满后，冷、污金属前流和多余的金属液及型腔中的空气可顺利进入溢流槽和排出。

图3 铸件在3种浇注方案下的充型过程

2.2 凝固过程剖析

铸件采取3种浇注系统方案完备凝固用时分别为51.6 s、53.8 s和51.7 s，其凝固过程基本同等,见图4。
总的来说，铸件薄壁和阔别浇道的一侧区域先凝固，厚壁和近浇道区域后凝固。
3种方案中铸件周边溢流槽都晚于铸件凝固，末了是横浇道和余料凝固，浇注系统能有效起到补缩浸染。

图4 3种浇注系统方案的凝固过程

壁厚不屈均的铸件厚大区域会形成热节，随意马虎产生缩孔缩松[12]。
由图4可见，凝固至靠近9 s时，浇注系统3种方案的A、B、C区域和长度方向中轴线上3个小通孔的眇小环形区域，固相率在临界补缩固相率70%以下，形成了伶仃液相区，随意马虎导致紧缩毛病。
左侧两处半圆台温度虽然在凝固温度以上，但有溢流槽补缩，对铸件质量影响不大。

2.3 缩孔缩松预测剖析

在同等浇注及溢流、排气条件下，方案1、方案2与方案3仿照结果比较，铸件区域的缩孔、缩松毛病更严重，见图5。
3种方案条件下，铸件的孔隙体积分别为5.45×10-2cm3、5.99×10-2 cm3和9.23×10-3 cm3。
鉴于凸轮轴盖力学哀求的严苛性，高孔隙率的方案1、方案2不能用于凸轮轴盖浇注系统的设计。

图5 不同浇注方案下铸件缩孔预测

3 优化方案的剖析与谈论

通过对充型凝固过程及缩孔、缩松的剖析比较，创造3种方案上钩划3的效果最好。
但根据图3c 添补率为50%时的充型仿真结果，金属液交汇流处于型腔通道上，充填和排气条件较好；同时缩孔、缩松仿真结果显示，3种方案中铸件A处孔隙未发生明显改变。
故考虑可去除图4c中A附近溢流槽，从而能降落该区域温度，加快凝固，提升压铸效率。

改进方案的充型过程见图6a。
仿照结果显示，充型过程整体上比较平稳，各区域的金属液基本上是齐头并进，差距较小，与图3c中的方案3比较，在添补率为50%时充填状态基本同等。
改进方案的凝固过程与方案3相似，见图6b。
从凝固韶光来看，改进方案因减少了附近内浇道的一处热节，其完备凝固用时46.7 s，与方案3用时51.7 s比较，缩短了凝固韶光，从而提高了生产效率。

图6 改进方案的充型过程和凝固过程

改进方案的缩孔缩松仿真结果见图7a。
与方案3（见图5c）中的结果比较，铸件厚大区域的3处缩孔有1处被直接肃清，其余两处缩孔体积减小，铸件缩孔体积为1.43×10-3 cm3。
仿照结果显示无其他不敷，优化方案知足铸件质量哀求，遂进行开模、试模，试模铸件经加工成形后见图7b。

图7 改进方案缩孔仿真结果与试模铸件

可以看出，试模铸件表面光滑，无流痕、熔接痕和裂纹等表面毛病。
采取X光对试模制得铸件关键部位探伤（见图7b中圈选位置），结果见图8。
由图8可见，铸件D、E、F这些U形槽和法兰轴孔的X光探伤结果均未创造孔隙，与仿真结果同等。
对试模制得铸件成品两处厚大部位剖切（见图7中M和N线），断面效果见图8d。
M断面及N断面1、2、3号处无孔洞和其他毛病，而在N断面4号厚大部位处存在2个孔洞，一个相对苗条，一个呈眇小的不规则圆形。
不雅观察创造孔洞呈暗玄色、孔壁粗糙，属于缩孔，这与图7仿照结果吻合。
从方案1、2、3及改进方案的铸件凝固预测创造，N4处确属铸件热节，随意马虎形成缩孔。
图8d中N4位置处2个缩孔毛病位置离加工螺纹孔分别为2 mm和5.5 mm，离高下表面为6 mm和17 mm，不影相应用。

图8 铸件毛病检测

4 结论

（1）框型凸轮轴盖铸件减少横浇道数量可改进金属液的流动形态，减少因卷气产生内部孔隙率。

（2）浇注系统优化方案可肃清多处厚大部位凝固紧缩形成的孔隙。

（3）浇注系统优化方案通过去除铸件半圆台附近溢流槽，降落了该区域的温度，铸件整体凝固韶光缩短至46.7 s，优化后的设计提高了生产效率。

（4）铸件切割和X光探伤仅创造一处非关键位置存在2孔洞，铸件质量符合利用哀求，基于ProCAST的压铸模具设计可有效提高设计效率和产品质量。

来源与引用：周涛，龚海军，李欢，等. 铝合金凸轮轴盖压铸模浇注系统设计[J].特种铸造及有色合金，2020，40（11）：1244-1248.

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