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主軸承蓋零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化——工藝仿真分析及優(yōu)化——鑄件試制——質(zhì)量檢測(cè)——臺(tái)架試驗(yàn)

任俊成,陳頌,李濤,等.半固態(tài)流變壓鑄鋁合金主軸承蓋[J].特種鑄造及有色合金，2022,42(7) :917-920.

REN J C，CHEN S，LIT,et al. Semi-solid die casting for aluminunm alloy main bearing cap of engine block[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2022，42(7):917-920.

●結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

選用高固相半固態(tài)流變壓鑄工藝制造主軸承蓋，半固態(tài)漿料固相率約為45%。主軸承蓋原型為某三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，為QT500-7球墨鑄鐵鑄造，單件質(zhì)量為289 g，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)搭載4件，改為半固態(tài)鋁合計(jì)鑄件后，采用了Al-Si-(Cu)-Mg系319S半固態(tài)鋁合金，并通過(guò)固溶和時(shí)效處理以提高性能，合金化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

結(jié)合319S半固態(tài)鋁合金的性能典型值，目標(biāo)為抗拉強(qiáng)度≥390 MPa，屈服強(qiáng)度≥305 MPa，疲勞強(qiáng)度≥164 MPa，通過(guò)相應(yīng)熱處理工藝達(dá)到。由于319S的彈性模量、拉伸性能、疲勞性能都低于原球墨鑄鐵材料，需開(kāi)展相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使其性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

對(duì)半固態(tài)鋁合金主軸承蓋開(kāi)展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，主要包括靜強(qiáng)度分析、疲勞安全系數(shù)、接觸壓強(qiáng)、相對(duì)/絕對(duì)滑移量分析等。根據(jù)分析結(jié)果中的薄弱點(diǎn)不斷優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 半固態(tài)鋁合金主軸承蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程

通過(guò)擴(kuò)大排氣側(cè)的加強(qiáng)筋，并在進(jìn)氣側(cè)增加加強(qiáng)筋，解決了鋁合金主軸承蓋靜強(qiáng)度不足的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖2；增高主軸承蓋的螺栓孔周?chē)膶?shí)體，增高量為5 mm，使鋁合金主軸承蓋相對(duì)滑移量達(dá)到設(shè)計(jì)要求；將兩螺栓孔之間填滿(mǎn)實(shí)體，見(jiàn)圖3，以提高零件剛度及疲勞性能，同時(shí)保證充型過(guò)程中漿料平穩(wěn)順序地由厚壁充型至薄壁區(qū)域，增強(qiáng)凝固時(shí)的高壓補(bǔ)縮效果。

（a）進(jìn)氣側(cè)              （b）排氣側(cè)

圖2 QT500主軸承蓋和319S主軸承蓋的結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖3 鋁合金主軸承蓋與鑄鐵主軸承蓋

對(duì)優(yōu)化后的最終數(shù)模采用ABAQUS軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度、接觸壓強(qiáng)、絕對(duì)滑移與相對(duì)滑移仿真計(jì)算，采用FEMFAT軟件MAX模塊進(jìn)行疲勞安全系數(shù)仿真計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。其中，靜強(qiáng)度應(yīng)力最大值小于材料屈服強(qiáng)度（見(jiàn)圖4），疲勞安全系數(shù)大于1.1（見(jiàn)圖5），滑移量小于限值。

●鑄造工藝仿真分析及優(yōu)化

鑄件為一模兩件，模具材料設(shè)置為H13鋼，鑄件材料設(shè)置為自定義數(shù)據(jù)庫(kù)的半固態(tài)319S材料，主要物理性質(zhì)包括密度、熱膨脹系數(shù)、固相分?jǐn)?shù)、粘度等，均是溫度變化的函數(shù)。主要模擬參數(shù)見(jiàn)表3。

針對(duì)半固態(tài)鋁合金漿料充型溫度區(qū)間較窄，充型溫度較低的特點(diǎn)，澆口位置應(yīng)選取在鑄件的中心位置，以避免充型過(guò)程中漿料流動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)造成冷隔、澆不足等缺陷，有利于實(shí)現(xiàn)半固態(tài)壓鑄平穩(wěn)充型；鑄件中心位置的壁厚要和內(nèi)澆口配合，保證補(bǔ)縮通道連續(xù)性。鋁合金主軸承蓋的內(nèi)澆口開(kāi)設(shè)在頂部中心位置，壁厚在裝配空間允許范圍內(nèi)增至最大。

主軸承蓋充型仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

經(jīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證該零件在半固態(tài)壓鑄充型之后實(shí)現(xiàn)順序凝固，即最后充型位置、零件、澆注系統(tǒng)依次凝固，這樣有利于實(shí)現(xiàn)充型之后的高壓補(bǔ)縮，提高產(chǎn)品致密度，消除縮孔縮松缺陷，溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 溫度場(chǎng)分布結(jié)果

●鑄件試制

結(jié)合鑄造工藝CAE模擬和現(xiàn)場(chǎng)壓鑄試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)為：慢速速度為0.15~0.25 m/s，二快速度為0.3~0.5 m/s，開(kāi)始?jí)毫?4~36 MPa，建壓時(shí)間為0.02 s，工作壓力90~105 MPa，保壓時(shí)間為30 s。試制樣件見(jiàn)圖8，主軸承蓋毛坯質(zhì)量為180 g，機(jī)加后成品質(zhì)量為159 g，相比原鑄鐵件減重130 g，減重比例45%。

圖8 主軸承蓋試制樣件

采取三級(jí)固溶處理的熱處理方案，結(jié)合有關(guān)研究，選擇（470 ℃×4 h）+（500 ℃×160 min）+（510 ℃×160 min）的三級(jí)固溶處理，然后自然時(shí)效12 h，人工時(shí)效170 ℃×10h的熱處理方案。由于該319S鋁合金在高溫固溶時(shí)，可能因工藝不當(dāng)或爐溫控制精度不夠，在晶界處出現(xiàn)過(guò)燒孔洞類(lèi)缺陷，所以在熱處理過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照熱處理工藝參數(shù)執(zhí)行，并嚴(yán)格控制爐體實(shí)際溫度不超過(guò)設(shè)定值。

● 質(zhì)量檢測(cè)

從主軸承蓋成品毛坯上取樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

從主軸承蓋上取樣，熱處理后金相組織見(jiàn)圖9，可以看出，α-Al相呈球狀，變質(zhì)正常，分布均勻，通過(guò)截線法計(jì)算晶粒大小為109.8 μm。共晶Si顆粒較為圓整，并均勻分布在初生α-Al晶界處，無(wú)針狀或大塊硅顆粒；平均Si顆粒尺寸小于8.0 μm，最大Si顆粒尺寸小于10.0μm。

（a）100X    (b)500X

●臺(tái)架試驗(yàn)

參考JB/T 13203 ，對(duì)半固態(tài)鋁合金主軸承蓋進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)在六路液壓油加載管路試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工裝示意圖見(jiàn)11。試驗(yàn)將主軸承蓋、螺栓、定位環(huán)和主軸瓦按實(shí)際工況裝配在缸體上，并通過(guò)模擬活塞、連桿及曲軸與試驗(yàn)臺(tái)裝配。

試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)基數(shù)107次，失效判據(jù)為樣件在試驗(yàn)載荷作用下明顯破壞，如產(chǎn)生局部斷裂或有裂紋產(chǎn)生。加載順序?yàn)?-2-3缸順序加載，加載相位間隔120°，加載波形為正弦波，加載頻率10 Hz，加載幅值為1.5倍缸壓，即15.75  MPa，加載壓力峰值為(15.75±0.1)MPa，加載壓力谷值不大于0.63 MPa。載荷最終作用到主軸承座軸瓦面上，通過(guò)對(duì)連桿等貼應(yīng)變片測(cè)量確認(rèn)載荷傳遞是否有損失。經(jīng)測(cè)量，連桿應(yīng)力為78.8 MPa，判斷液壓加載腔內(nèi)脈動(dòng)載荷基本無(wú)損失的傳遞到模擬加載軸，最終加載至主軸承蓋。完成107次加載后，主軸承蓋外觀完好，無(wú)可見(jiàn)裂紋、破損或變形，通過(guò)驗(yàn)證。

● 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋生產(chǎn)工藝由球墨鑄鐵砂型鑄造工藝改為半固態(tài)鋁合金流變壓鑄鑄造工藝，結(jié)合結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化，成品質(zhì)量為159g，相比鑄鐵件減重45%，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減重520g，輕量化效果顯著。

對(duì)主軸承蓋進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足零件各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，對(duì)澆道結(jié)構(gòu)、澆口位置及尺寸等開(kāi)展了設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)過(guò)三級(jí)固溶、自然時(shí)效、人工時(shí)效熱處理，得到的零件金相組織致密，力學(xué)性能好，內(nèi)部無(wú)氣孔、縮松等缺陷。