当汽车发动机处在工作状态 时，活塞的运动速度非常快，而 且速度很不均匀，除了在活塞运 动的上下止点位置外，其他惯性 力并不能完全达到平衡状态，此 时的发动机便产生了振动。增加 平衡轴使发动机获得良好的平衡 效果，是目前通常减少发动机振 动的主要方法。本文介绍的平衡 轴盖，是应用于汽车发动机上的 一款双平衡轴的端盖，为达到良 好的减振效果，要求平衡轴孔自 身精度及相对于发动机的装配基 准有非常高的尺寸精度，同时由 于在发动机运转过程中平衡轴盖 始终承受动载荷冲击，因此对铸 件的内部质量有非常高的要求。

一、产品技术要求与

压铸难点分析 平衡轴盖外形如图1所示。 产品重量： 1.95kg。 材料： D I N E N A C 1706 46000 / AlSi9Cu3(Fe) 。 内部气孔要求： X-ray无损检 测满足ASTME505标准I级。 加工面气孔要求：气孔直径 小于0.5mm，一个加工面允许气 孔不超过3个，平衡轴安装孔不 允许有加工面气孔。

压铸难点分析：

（ 1）由于铸件功能需要， 对内部气孔、缩孔要求非常高， 平衡轴孔外壁与螺栓孔位置相 对其他区域的壁厚不均匀，螺栓 孔与平衡轴孔连接处的壁厚达 18.5m m，而底部曲面的壁厚只 有3.5mm，容易导致压铸过程卷 入性气孔及缩孔的产生，需要解 决金属液填充造成的卷气与热节 处的缩松问题。

（ 2）平衡轴孔的位置度、 圆度以及轴线的直线度要求非常 苛刻，除了加工的定位、加工顺 序、刀具的选择外，毛坯孔位置 的稳定性是保证加工尺寸精度的 关键。

二、压铸工艺C A E模 拟分析及优化

（ 1）针对铸件内部气孔、 缩孔的缺陷分析 要防止铸件内 部的卷入性气孔，产品铸造过程 的填充模式是模具设计的关键， 合理的流动模式可以有效避免由 于金属液汇流及紊流造成的外来 夹杂物及卷气缺陷。

对于产品壁厚集中造成的热 节点，我们采用MAGMA软件进行凝固模拟，分析产品的凝固顺 序，找出缩松、缩孔的高风险区 域，通过模具内部的冷却实现产 品的顺序凝固。

（ 2）针对填充模式的模拟 分析与优化 根据产品的结构 特点，属于框架类铸件，这类铸 件一般采用多个扇形浇口，从侧 面或端部填充，根据压铸生产经 验，我们优化设计了几种填充方 案，通过采用MAGMA模拟软件 进行模拟分析，以优化并选择最 合理的填充方案。

方案一：梳状浇口侧面填充 模式，如图2所示。

方案二：端部与两侧组合的 底注填充模式，如图3所示。

方案三：两侧均衡的填充模 式，如图4所示。

从模拟结果分析，方案一在 3个平衡轴孔的位置金属液流动 非常快，产品的上半区金属紊 流严重，产品温度不均衡，上半 区容易产生夹杂、冷隔类缺陷； 方案二端部的底注式浇口与两侧 浇口在填充的初期存在严重的紊 流，低温预填充的冷金属比较 多，不同区域温差较大；方案三 的金属液填充状态与温度平衡非 常理想，不足之处是在产品下半 区有一个裹气的高气压区域，容 易产生气孔与填充不足。综合来 看，方案三的温度场与材料流动 顺序控制最理想，所以确定采用 方案三这种两侧填充模式作为基 本工艺方案，在此基础上再对排 气与热节点采取改善措施。

（ 3）针对气孔与热节点的 模拟分析与优化 针对方案三的 气孔与热节点模拟预测，如图5 所示。

根据 C A E模拟的结果，从 型腔气压模拟预测分析（见图 5），在型腔气压的模拟分析 中有A1/A2/A3三个高气压风险区域，针对A1位置，调整了集渣包 与溢流口位置，针对A2位置，设 置一处排气顶针利用间隙排气， 针对A3位置，调整内浇口的填充 角度与宽度。

从热节点模拟预测分析，在 两端的平衡轴孔位置，标记见图 5b的B2区域，存在缩孔的低风险 区域；标记见图5b的B1位置，存 在缩孔的高风险区域。从模具 设计上，在对应B1热节点位置， 设置3处高压点冷却；在对应B 2 热节点位置，设置6处普通点冷 却，以改善热节点位置金属的凝 固速度。从气孔模拟预测结果分 析结果看，没有产生气孔的高风 险区域。

三 、 关 键 工 序 开 发 FMEA与预防措施

1. 熔炼过程

铝 合 金 材 料 为 D I N 1 7 0 6 ENAC 46000，材料液相线温度 610℃，固相线温度580℃，根据 标准选择内控化学成分与力学性 能，见表1、表2。

为防止Si元素偏析导致测量 误差，原材料采购时，收紧Si元 素含量上限，为防止铝合金粘模 倾向及减少铁对铝合金强度的影 响，设定F e元素下限并收紧上 限。为有效控制铝合金成分与力 学性能并减少熔炼过程烧损， 选择熔化效率为1.0t/h的中央熔 炼炉，铝锭与回炉料配比按照 （ 60~80):（ 40~20），出炉温度 （ 760 ±20）℃，采用石墨转子 与氮气进行转运包内除氢，控制 铝合金密度指数小于3。

2. 压铸过程

（ 1）压铸机选择 根据方 案三确定的浇排系统设计，对 于高致密铸件，压铸比压选用 80 MPa，锁模分析计算如下。 模具主涨型力6400kN，滑块 分涨型力900kN，模具总涨型力 7300 kN。

按公司现有TO Y O 8000k N 压铸机哥林柱间距计算4个哥林 柱承受分解涨型力，下侧两个 哥林柱承受涨型力最大， F max为 1756k N，模具需要的锁模力为 （安全系数k选1.1）： F 锁＝4kF max＝4×1.10×1756 = 7726kN 根据锁模力计算，确定选用 8000kN的压铸机，实际锁模安全 系数为1.14。

（ 2）模具工艺需求与压铸 机射出能力的P-Q校核 模具设 计的容杯直径选用90mm，内浇 道面积490c m 2，压铸工艺的高 速压射速度3.8m/s，内浇道充 型速度48.8m/s，理论填充时间 38.6ms。采用P-Q图对工艺窗口 进行校核，工艺需求与理论工艺 窗口吻合较好。

3. 压铸模具设计

（ 1）模具的浇排系统 根 据CAE分析结论，选用方案三作 为最终填充方案，采用真空辅助 排气，激冷块式真空阀。

（ 2）模具的冷却设计 参照 CAE的凝固模拟分析，图5b中标 记B1的3处采用高压点冷却控制， 标记B 2的6出采用普通点冷却控 制，天侧、地侧滑块抽芯的型芯 采用普通点冷却控制，流道区域 与地侧滑块座采用线冷却控制。

（ 3）平衡轴孔毛坯位置度 控制 针对平衡轴孔不易脱模的 问题，抽芯成形部分采用Ti/N/ C涂层的PVD表面处理，为减少 抽芯抽出时导致的平衡轴孔的变 形与位置偏移，在滑块上采用了 机械式预抽芯机构，预抽行程 8mm。

（ 4）模具排气设计 采用 真空压铸工艺辅助排气，采用车 间现有集中真空系统，激冷块式 真空阀。

（ 5）模具总体设计 模具 设计两组抽芯，采用液压缸驱 动，模具总体设计如图6所示。

四、试生产验证与检测

1. 生产条件

（ 1 ） 压 铸 机 生 产 采 用TOYO V5 8000kN压铸机，循环 节拍60s。

（ 2 ） 材 质 铝 合 金 牌 号 ZAlSi8Cu3（ Fe)，集中熔炼，机 边保温，采用氮气转子除气，控 制密度指数小于3，铝液保温温 度（ 665±10）℃。

（ 3）主要压铸参数 低速 速度0.25m/s，高速速度3.8m/s， 高 速 行 程 1 0 5 m m ， 铸 造 比 压 80MPa，增压建压时间20ms。

（ 4）真空 真空启动位置 150m m，真空度小于200m b a r （ 1bar=105Pa）。 产品内部缺陷无损检测及模 具温度场分布如图7所示。

2. 验证结果与量产优化

该平衡轴盖产品经过生产验 证，平衡轴毛坯孔位置度小于 0.4mm，按ASTM E505标准I级 及外观缺陷标准要求，压铸过程 合格率大于98.5%，加工过程气 孔等毛坯不良缺陷小于0.5%，产 品质量达到项目开发指标。 实际批量生产过程中，地侧 滑块抽芯温度过低，导致个别产 品平衡轴孔内壁轻微冷隔纹。因 此，进行工艺调整优化，地侧抽 芯冷却水改为间歇供水，高速切 换位置启动通水，通水时间15 s，吹气 清扫时间20 s，通水压力0.5 MPa， 经过批量生产验证，生产过程质 量稳定，压铸过程设备综合效率 （ OEE）大于75%。

五、结语

在工艺开发阶段，采用CAE 工具对工艺方案的模拟优化及缺 陷预测，对提高工艺开发的成功 率非常重要，可以有效避免设计 失误，在产品开发中可充分识别 压铸件的缺陷并针对可能的风险 进行时效模式分析，制订针对性 解决措施，能够有效避免铸件缺 陷的产生。