东风汽车集团:半固态流变压铸铝合金主轴承盖开发与设计

发布时间:2022-08-26

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铝合金已在缸体、缸盖、正时链轮壳、凸轮轴支座等壳体、支座类零件上使用。主轴承盖是发动机中的重要零件,通过螺栓将曲轴安装在龙门式缸体上,对曲轴起导向与固定作用,需要承担燃烧室爆发产生的压力和曲轴运动产生的往复惯性力,对强度和刚度要求较高,一般的铝合金铸件难以满足零件要求。半固态流变压铸技术,结合了半固态铸造和传统压铸的特点,生产效率高,铸件表面光洁度高、尺寸精度高、力学性能优良,可有效控制铸件内部缩孔、气孔缺陷含量,可经过热处理提高强度,已部分应用于汽车行业,但半固态铝合金发动机主轴承盖的开发在国内尚未见报道。

文章脉络:

主轴承盖零件结构设计优化——工艺仿真分析及优化——铸件试制——质量检测——台架试验

文献引用:

任俊成,陈颂,李涛,等.半固态流变压铸铝合金主轴承盖[J].特种铸造及有色合金,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.

●结构设计优化

选用高固相半固态流变压铸工艺制造主轴承盖,半固态浆料固相率约为45%。主轴承盖原型为某三缸涡轮增压发动机,为QT500-7球墨铸铁铸造,单件质量为289 g,每台发动机搭载4件,改为半固态铝合计铸件后,采用了Al-Si-(Cu)-Mg系319S半固态铝合金,并通过固溶和时效处理以提高性能,合金化学成分标准及实测值见表1。

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结合319S半固态铝合金的性能典型值,目标为抗拉强度≥390 MPa,屈服强度≥305 MPa,疲劳强度≥164 MPa,通过相应热处理工艺达到。由于319S的弹性模量、拉伸性能、疲劳性能都低于原球墨铸铁材料,需开展相关结构强度与刚度的优化设计,以使其性能指标满足要求。

对半固态铝合金主轴承盖开展结构强度仿真分析,主要包括静强度分析、疲劳安全系数、接触压强、相对/绝对滑移量分析等。根据分析结果中的薄弱点不断优化零件结构,零件结构优化过程见图1。

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图1 半固态铝合金主轴承盖设计优化过程


通过扩大排气侧的加强筋,并在进气侧增加加强筋,解决了铝合金主轴承盖静强度不足的问题,结构特征见图2;增高主轴承盖的螺栓孔周围的实体,增高量为5 mm,使铝合金主轴承盖相对滑移量达到设计要求;将两螺栓孔之间填满实体,见图3,以提高零件刚度及疲劳性能,同时保证充型过程中浆料平稳顺序地由厚壁充型至薄壁区域,增强凝固时的高压补缩效果。

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(a)进气侧              (b)排气侧

图2 QT500主轴承盖和319S主轴承盖的结构对比

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图3 铝合金主轴承盖与铸铁主轴承盖

对优化后的最终数模采用ABAQUS软件进行静强度、接触压强、绝对滑移与相对滑移仿真计算,采用FEMFAT软件MAX模块进行疲劳安全系数仿真计算,结果见表2,发现均满足设计要求。其中,静强度应力最大值小于材料屈服强度(见图4),疲劳安全系数大于1.1(见图5),滑移量小于限值。

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图4 主轴承盖静强度分析最大应力值


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图5 主轴承盖疲劳安全系数(最薄弱处)

●铸造工艺仿真分析及优化

铸件为一模两件,模具材料设置为H13钢,铸件材料设置为自定义数据库的半固态319S材料,主要物理性质包括密度、热膨胀系数、固相分数、粘度等,均是温度变化的函数。主要模拟参数见表3。

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针对半固态铝合金浆料充型温度区间较窄,充型温度较低的特点,浇口位置应选取在铸件的中心位置,以避免充型过程中浆料流动距离过长造成冷隔、浇不足等缺陷,有利于实现半固态压铸平稳充型;铸件中心位置的壁厚要和内浇口配合,保证补缩通道连续性。铝合金主轴承盖的内浇口开设在顶部中心位置,壁厚在装配空间允许范围内增至最大。

主轴承盖充型仿真结果见图6。

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图6 充型仿真结果

经产品结构优化及浇注系统优化设计,保证该零件在半固态压铸充型之后实现顺序凝固,即最后充型位置、零件、浇注系统依次凝固,这样有利于实现充型之后的高压补缩,提高产品致密度,消除缩孔缩松缺陷,温度场分布仿真结果见图7。

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图7 温度场分布结果

●铸件试制

结合铸造工艺CAE模拟和现场压铸试验,优化工艺参数为:慢速速度为0.15~0.25 m/s,二快速度为0.3~0.5 m/s,开始压力24~36 MPa,建压时间为0.02 s,工作压力90~105 MPa,保压时间为30 s。试制样件见图8,主轴承盖毛坯质量为180 g,机加后成品质量为159 g,相比原铸铁件减重130 g,减重比例45%。

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图8 主轴承盖试制样件

采取三级固溶处理的热处理方案,结合有关研究,选择(470 ℃×4 h)+(500 ℃×160 min)+(510 ℃×160 min)的三级固溶处理,然后自然时效12 h,人工时效170 ℃×10h的热处理方案。由于该319S铝合金在高温固溶时,可能因工艺不当或炉温控制精度不够,在晶界处出现过烧孔洞类缺陷,所以在热处理过程中应严格按照热处理工艺参数执行,并严格控制炉体实际温度不超过设定值。

● 质量检测

从主轴承盖成品毛坯上取样进行拉伸性能试验,结果见表4。

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从主轴承盖上取样,热处理后金相组织见图9,可以看出,α-Al相呈球状,变质正常,分布均匀,通过截线法计算晶粒大小为109.8 μm。共晶Si颗粒较为圆整,并均匀分布在初生α-Al晶界处,无针状或大块硅颗粒;平均Si颗粒尺寸小于8.0 μm,最大Si颗粒尺寸小于10.0μm。

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(a)100X    (b)500X

图9 半固态铝合金主轴承盖热处理金相组织

对铸件进行X光探伤和荧光探伤检验,结果显示铸件无气孔、缩松等缺陷,符合要求,见图10。

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(a)X光探伤              (b)荧光探伤

图10 铸件X光探伤和荧光探伤结果

●台架试验

参考JB/T 13203 ,对半固态铝合金主轴承盖进行台架试验验证,试验在六路液压油加载管路试验台上运行,设计试验工装示意图见11。试验将主轴承盖、螺栓、定位环和主轴瓦按实际工况装配在缸体上,并通过模拟活塞、连杆及曲轴与试验台装配。

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试验循环次数基数107次,失效判据为样件在试验载荷作用下明显破坏,如产生局部断裂或有裂纹产生。加载顺序为1-2-3缸顺序加载,加载相位间隔120°,加载波形为正弦波,加载频率10 Hz,加载幅值为1.5倍缸压,即15.75  MPa,加载压力峰值为(15.75±0.1)MPa,加载压力谷值不大于0.63 MPa。载荷最终作用到主轴承座轴瓦面上,通过对连杆等贴应变片测量确认载荷传递是否有损失。经测量,连杆应力为78.8 MPa,判断液压加载腔内脉动载荷基本无损失的传递到模拟加载轴,最终加载至主轴承盖。完成107次加载后,主轴承盖外观完好,无可见裂纹、破损或变形,通过验证。

● 结语

发动机主轴承盖生产工艺由球墨铸铁砂型铸造工艺改为半固态铝合金流变压铸铸造工艺,结合结构和工艺优化,成品质量为159g,相比铸铁件减重45%,单台发动机减重520g,轻量化效果显著。

对主轴承盖进行了重新设计以满足零件各项性能指标要求,对浇道结构、浇口位置及尺寸等开展了设计优化,经过三级固溶、自然时效、人工时效热处理,得到的零件金相组织致密,力学性能好,内部无气孔、缩松等缺陷。