Разработка процесса литья под давлением корпусов автомобильных водяных насосов.
2026-05-25
Алюминиевые сплавы, благодаря своей низкой плотности, высокой прочности и коррозионной стойкости, широко используются в автомобильной, аэрокосмической и транспортной промышленности. Корпуса водяных насосов, являющиеся ключевым компонентом автомобильных систем охлаждения, имеют сложную геометрию и внутренние циркуляционные каналы, что требует превосходных механических свойств и герметичности. Учитывая условия эксплуатации, корпуса водяных насосов также должны выдерживать высокие температуры и давления. Алюминиевые сплавы, благодаря хорошему теплоотводу и высокой прочности, полностью соответствуют требованиям условий эксплуатации корпуса водяного насоса. Однако из-за своей уникальной структуры аналогичные изделия подвержены усадочной пористости и другим дефектам при литье под давлением из алюминиевых сплавов, что приводит к повышенному риску утечек при определенных условиях давления. Это создает проблемы для проектирования процесса литья под давлением и снижения дефектов. Для решения этой проблемы в данном исследовании предлагаются и анализируются соответствующие меры, призванные служить ориентиром для соответствующего производства.
Деталь представляет собой корпус водяного насоса, его трехмерная структура показана на рисунке 1. Габариты детали составляют 162 мм × 141,5 мм × 167,5 мм, а вес — 1,38 кг. Она изготовлена из литого сплава ADC12 со средней толщиной стенки 3 мм. Поверхность изделия и поверхность разъема должны быть свободны от заусенцев и дефектов в виде облоя. Все внешние размеры должны соответствовать чертежам и требованиям к сборке. К изделию предъявляются строгие технические требования в отношении герметичности: отсутствие утечек в масляных каналах при давлении воздуха 0,2 МПа и отсутствие утечек в водяных каналах при давлении воздуха 0,2 МПа. Следовательно, внутренние полости масляных и водяных каналов не должны иметь внутренних дефектов качества, таких как усадочные полости или пузырьки воздуха.
Основной литниковый канал спроектирован таким образом, чтобы пропускать поток расплавленного алюминия различной длины, обеспечивая его движение от более толстых стенок к более тонким. Для предотвращения преждевременного засорения каналов подачи расплавленного металла ширина и толщина основного литникового канала соответственно увеличены. Поскольку направление потока в основном литниковом канале почти перпендикулярно направлению заполнения штырьковых опор, заполнение штырьковых опор становится затруднительным. Поэтому в эти труднозаполняемые участки добавляется литниковый затвор для обеспечения полного заполнения; таким образом, боковой литниковый канал добавляется непосредственно напротив штырьковых опор. Из-за потока материала из основного и боковых литниковых каналов центральная колонна, окруженная ими, становится последней областью, подлежащей заполнению. Учитывая потенциальную возможность образования холодных перекрытий и пористости, вызванных тем, что колонна заполняется последней, что значительно влияет на качество продукции, между двумя литниковыми каналами добавляется небольшой ответвленный литниковый канал для смягчения влияния заполнения колонны на качество продукции. На основе вышеизложенного анализа предварительно спроектированная литниковая система показана на рисунке 2.
Эта деталь представляет собой компонент малого или среднего размера со сложной структурой. Для ее изготовления используется метод литья «одна форма — одна полость». В соответствии с результатами разделения изделия, основная конструкция формы показана на рисунке 3. Помимо обычного подвижного и неподвижного разделения формы, для обеспечения нормального формирования всей конструкции изделия также необходимы два ползунка для вытягивания стержня и один штифт для вытягивания стержня. Процесс вытягивания стержня требует соблюдения последовательной зависимости между левым штифтом для вытягивания стержня 2 и наклонным штифтом для вытягивания стержня 1: после открытия формы сначала необходимо вставить наклонный штифт для вытягивания стержня 1, прежде чем можно будет вставить левый штифт для вытягивания стержня 2; перед закрытием формы сначала необходимо вставить левый штифт для вытягивания стержня 2, а затем наклонный штифт для вытягивания стержня 1.
Предварительно разработанная система литниковых каналов для детали была смоделирована с использованием программного обеспечения Magma, и результаты были проанализированы. Процесс заполнения расплавленным алюминием показан на рисунке 4. Видно, что процесс заполнения расплавленным алюминием стабилен, с множеством литниковых каналов, где потоки расплавленного металла сходятся у отверстий водных каналов. Каналы потока четко определены, без явных явлений заклинивания или скручивания. Центральные штыревые опоры заполняются основным каналом потока. Хотя предварительно разработанная система бокового литникового канала с защитой от заклинивания не заполняет штыревые опоры, она оказывает очень заметное влияние на заполнение водного хвоста. Поэтому система бокового литникового канала пока сохраняется.
На рисунке 5 показано температурное поле заполненного жидкого алюминия. Видно, что температура жидкого алюминия составляет 650 ℃, что выше температуры ликвидуса ADC12, равной 580 ℃. Общая температура равномерна и находится в разумном диапазоне.
На рисунке 6 показаны результаты моделирования давления заполняющего газа. Видно, что большая часть газа сосредоточена в основном в области мешка со шлаком, а основная проблема продукта заключается в средней части штифтового столбика, где происходит серьезное запутывание газа.
На рисунке 7 представлена схематическая диаграмма результатов моделирования скорости заполнения литникового канала алюминиевой матрицей. Исходя из производственного опыта и предполагая отсутствие прилипания при ударе о литник, скорость заполнения литника для отливок с требуемой пористостью обычно контролируется в диапазоне от 40 до 70 м/с. Анализ скорости показывает, что скорость заполнения литника в главном канале изделия составляет 65 м/с, что находится в разумном диапазоне.
На рисунке 8 показаны результаты моделирования теплоносителя изделия. Видно, что теплоноситель наиболее выражен в месте прохождения масла через изделие, где противоположен основной канал потока. В этом месте также наблюдается наибольшая толщина стенки изделия и самая медленная кристаллизация, что создает значительный риск образования усадочных камер. Для обеспечения последовательной кристаллизации отливки в соответствующем месте следует добавить охлаждение.
Исходя из проектной формы отливки, площадь проекции изделия составляет 22 490 мм², площадь проекции литниковой системы — 20 164 мм², площадь проекции левого ползунка — 10 135 мм², а площадь проекции правого ползунка — 10 462 мм². Принимая коэффициент запаса прочности 1,25, давление впрыска составляет 80 МПа, угол клина ползунка — 8°, усилие расширения — 456 кН. Измеренная толщина пресс-формы составляет 815 мм. На основе существующей модели для производства выбрана литейная машина с усилием 8000 кН.
Проверка проводилась на литьевой машине с усилием 8000 кН в реальных производственных условиях. Теоретически рассчитанное положение высокоскоростного переключения составляло 420 мм. Для проверки в реальных производственных условиях были выбраны три положения высокоскоростного переключения (400 мм, 420 мм и 440 мм), результаты показаны на рисунке 9. С использованием окончательно подтвержденных параметров было непрерывно произведено 200 деталей. После завершения последующих процессов удаления заусенцев и механической обработки данные о производстве представлены в таблице 1 (отдельные дефекты статистически анализировались отдельно; некоторые изделия имели несколько дефектов). Статистический анализ показал, что наиболее существенными проблемами, приводящими к браку продукции, были пористость, усадочные полости и усадочная пористость.
Внутренние поры отверстия склонны к протечкам, что указывает на то, что первоначальная конструкция не обеспечивает существенного повышения эффективности. Для решения этой проблемы предлагается следующий план усовершенствования.
Вариант 1: Усиление боковой литниковой системы. Поскольку боковая литниковая система непосредственно обращена к направлению заполнения штифтовых столбиков, применяется усиленная боковая литниковая система для улучшения заполнения структуры штифтовых столбиков расплавленным алюминием, что улучшает ее внутреннее качество. Ширина боковой литниковой системы увеличена вдвое по сравнению с первоначальным размером. На рисунке 10 показана боковая литниковая система до и после модификации. После усиления боковой литниковой системы 10 образцов были непрерывно изготовлены на высокой скорости и отправлены на проверку процесса. Шесть из этих образцов показали различную степень утечки пористости через штифтовые отверстия, что составляет относительно высокую долю. Утечка пористости показана на рисунке 11. Усиленная боковая литниковая система не привела к значительному улучшению пористости через штифтовые отверстия. Основная причина заключается в том, что путь боковой литниковой системы относительно длинный, и когда расплавленный алюминий в боковой литниковой системе не полностью заполняет штифтовые столбики, он выталкивается обратно от соединительных ребер с другой стороны основным потоком, образуя спирали и вызывая пористость. Усиленная система боковых затворов значительно улучшила пористость водного хвоста. Модифицированный путь потока сохранен для дальнейшей проверки других вариантов.
Вариант 2 предполагает добавление локализованной экструзии. После заполнения формы расплавленным металлом, его охлаждения и затвердевания в течение определенного периода времени, пока расплавленный металл находится в полутвердом состоянии внутри полости формы, давление прикладывается к самой толстой части стенки формы через экструзионный штифт, вызывая усадку, что делает структуру более плотной и, таким образом, уменьшает или устраняет усадочные полости и дефекты пористости. Штифтовая колонна имеет достаточно места в зоне крепления к форме для размещения экструзионного цилиндра, а стержень штифта штифтовой колонны заменяется экструзионным штифтом. После добавления локализованной экструзии пористость штифтовой колонны немного улучшается; результаты рентгеновского контроля показаны на рисунке 12. Видно, что при одинаковых условиях процесса на внешней стороне штифтовой колонны в обоих изделиях все еще присутствуют разрозненные поры, и пористость нуждается в дальнейшем улучшении. Кроме того, экструзионный штифт нестабилен во время использования и легко приводит к прилипанию колонны к форме. Даже увеличение угла наклона наконечника экструзионного штифта и угла некоторых положений изделия мало влияет на улучшение адгезии.
Вариант 3 предполагает добавление перемычек из материала. Во-первых, это решает проблему застревания экструзионного штифта в матрице во время использования, которая обычно возникает после разрушения боковых ребер, указывающих на неспособность ребер выдерживать усилие, оказываемое на штифт экструзионным штифтом. Добавление перемычек из материала позволяет сбалансировать это усилие. Во-вторых, добавление перемычек из материала в основном направлении потока позволяет расплавленному алюминию быстрее заполнять центральный штифт, обеспечивая его внутреннее качество. На рисунке 13 показаны этапы до и после добавления перемычек из материала. Видно, что добавление перемычек из материала стабилизирует эффект экструзии. Рентгеновский контроль штифта, как показано на рисунке 14, не выявляет пористости в штифте.
Добавление экструзионных штифтов и перемычек из материала позволило одновременно реализовать два решения. Для пробной обработки и проверки было непрерывно произведено пятнадцать деталей. Все отверстия от штифтов соответствовали требованиям. Улучшенное состояние процесса показано на рисунке 15. Проблема с отверстиями от штифтов была полностью решена.
В ходе численного моделирования было установлено, что боковая литниковая система в основном заполняла хвостовую часть потока воды. Хотя боковая литниковая система была сохранена, ее первоначальная ширина была несколько меньше, что ограничивало ее эффективность в заполнении хвостовой части. Позже, в процессе улучшения пористости, вызванной микропорами, усиление боковой литниковой системы не оказало влияния на пористость, вызванную микропорами, но значительно улучшило пористость хвостовой части. Это указывает на то, что сохранение и усиление боковой литниковой системы оказывает существенное влияние на улучшение пористости хвостовой части. Результаты рентгеновского контроля показаны на рисунке 16. Общая пористость в хвостовой части демонстрирует улучшение по сравнению с рисунком 9c, но заметная пористость сохраняется в середине отливки (рисунок 16b), что требует дальнейшего улучшения.
Это место находится в самой толстой части изделия. Учитывая недостаточную усадку из-за перегрева в этом месте, было разработано решение с точечным охлаждением иглой, но рентгеновский контроль не показал существенного улучшения. Это место находится в конце процесса заполнения, где трудно выгрузить окончательно охлажденный материал. На соответствующей линии разъема был добавлен мешок со шлаком, как показано на рисунке 17. После добавления мешка со шлаком рентгеновский контроль показал значительное улучшение пористости в этом месте.
Масляный канал на входе представляет собой толстый участок отливки, поскольку конструкция формы ограничивает возможность выхода иглы. Обработка этой отливки в готовом масляном канале эквивалентна обработке отверстия диаметром ϕ14 мм × 26 мм в цельном алюминиевом блоке. Это предполагает обработку большого количества алюминия, что приводит к значительной усадке после обработки.
Вариант 1: Использование 3D-печати для конформного охлаждения. На рисунке 19 показаны изменения расположения масляных каналов до и после конформного охлаждения. На рисунке 19а вставка неправильной формы с правой стороны слишком мала для размещения двух точечных охлаждающих соединений. Поэтому с правой стороны вставки просверлено отверстие для точечного охлаждения, а посередине вставки — два канала для соединения с водопроводной трубой слева. Три технологических отверстия герметизированы винтовыми заглушками. После соединения водопроводной трубы поток воды в отверстии для точечного охлаждения с правой стороны вставки неправильной формы затруднен, и регулировка времени подачи воды малоэффективна. Вставка неправильной формы с правой стороны заменяется с исходного точечного охлаждения и открытого ряда отверстий для точечного охлаждения на конформное охлаждение. После соединения водопроводной трубы охлаждающая вода циркулирует внутри вставки, облегчая отвод тепла и тем самым улучшая охлаждающий эффект, как показано на рисунке 19б.
После модификации вставки для конформного охлаждения было изготовлено 15 образцов для проверки. Масляные каналы изделий были обработаны механически, и состояние обработки масляных каналов после модификации для конформного охлаждения показано на рисунке 20. По сравнению с рисунком 18, усадочные полости значительно уменьшились, но все еще присутствуют. Это указывает на то, что напечатанная на 3D-принтере вставка для конформного охлаждения уменьшает усадочную пористость, вызванную затвердеванием в изделии, и необходимы дальнейшие улучшения.
Вариант 2: Уменьшение толщины литникового канала в месте, препятствующем его затоплению. Для более быстрого охлаждения масляного канала необходимо уменьшить количество каналов, непрерывно подающих к нему тепло. Это достигается путем уменьшения толщины литникового канала в месте, препятствующем его затоплению, до половины общей толщины литникового канала основного рабочего колеса. На рисунке 21 показана схематическая диаграмма до и после уменьшения толщины литникового канала. Путем уменьшения толщины литникового канала и использования 3D-печатных вставок для конформного охлаждения было непрерывно произведено 50 деталей на высокой скорости, все они были обработаны и проверены. Усадка масляного канала была значительно улучшена, а улучшенное состояние обработки показано на рисунке 22.
в заключение
Численное моделирование может служить хорошим ориентиром для контроля качества и устранения дефектов при литье из алюминиевых сплавов под давлением, сокращая время разработки; разумный выбор точек переключения скорости является важной основой для обеспечения хорошего внутреннего качества и чистоты поверхности отливок. Когда корректировка параметров процесса не может повлиять на качество продукции, причины дефектов следует рассматривать с разных сторон, включая структуру отливки, литниковую систему и систему вентиляции.
Пожалуйста, оставьте нам сообщение
-
-
-
-
WhatsApp
-
WeChat
