摩托車氣缸頭蓋工藝性分析及設計制作優化

楊國軍

摘 要：分析了摩托車氣缸頭蓋壓鑄模具的結構特點，確定了摩托車氣缸頭蓋壓鑄成型工藝及各工序尺寸，對摩托車氣缸頭蓋壓鑄模具的總體結構設計及制造工藝進行了比較詳細的論述。從模具設計進行優化，制作時合理安排加工藝，從而提高模具使用壽命。

關鍵詞：摩托車氣缸頭蓋；壓鑄模；模具設計；制造工藝；斜抽芯

一、產品零件結構特點及分析

摩托車氣缸頭蓋是摩托車發動機上面的一個重要的零件，它安裝在發動機氣

缸的上方，里面要安裝氣門間隙調節螺桿。其形狀如圖1所示，具有以下幾個特點：

（1）零件外形尺寸較多，形狀復雜，材料厚度較厚，并且各部位厚度差別較大。整個外形要求壓鑄、去料頭毛刺、打磨，之后還要交給機加車間CNC鏜孔。外形大部分是曲面結構，各曲面銜接順滑，不能有氣孔或其它填充不良現象。

（2）零件材料為鋁合金中的鋁硅系合金，澆鑄溫度640-680℃。

（3）生產形式為大批量生產，模具壽命要求達到8萬次以上。

二、產品零件壓鑄工藝性分析

該制件外形最大實體尺寸166.8x134.2x68.5mm，內部和外表曲面復雜起伏不平，相似一個不規則的瓢形，各部位壁厚有4-7mm，對外觀有較高的要求，表面要平整、光滑，不能有影響外觀的縮水痕、熔接痕、缺料、裂紋、變形和碰傷等工藝缺陷，還要烤漆處理。產品的材料為鋁合金，綜合性能好，機械強度高，流動性中性，有一定的表面硬度。從產品結構上分析，定模有兩處孔位妨礙脫模，一處是直孔，另一處是斜孔。開模前，此兩處的抽芯要先從產品中退出來，保證與產品在脫模方向上有足夠的避空不干涉。所以，定模上要安排兩個抽芯脫模，安排抽芯時要注意保證抽芯的強度，斜抽芯要加有高強度導向的保護套，本處的難點就是斜抽芯的結構設計。由于摩托車氣缸頭蓋產品對外觀要求較高，為了不影響產品外觀，斜抽芯的結構的分型面設計，反映到產品上要美觀且不影響打磨。

三、模具結構設計

（一）分型面設計。模具結構如圖2所示，該模具結構采用兩板式大澆口結構，動、定模的分型方案，以底部的平面為大分型面，而另一部分（見圖2左圖右）的分型面則分在滑塊上，它的成型部分也排位在滑塊上。

排氣槽主要設置在定、動模的排渣器上，排渣器位于型腔的末端，熔融的鋁合金在高壓下充滿整個型腔后，氣體則通過排渣器被擠出。排氣槽的深度為0.5mm，寬度為50mm，截面呈現一波浪形，氣體則可有效地從此排出。

（二）澆鑄系統設計。由于產品尺寸精度要求較高，產品外表面光滑，再加上產品的材料是鋁合金，注定了模具要采用一模一腔的兩板結構，及大澆口高壓澆注系統。根據產品性能要求，澆口位置選擇如圖3所示，并對澆口尺寸、流道尺寸進行優化。考慮到產品右側的厚度較厚，所以流道設計分主流道和分流道。主流道直接流向產品的正方，分流道則從產品右側進料。如果不設計分流道，熔化的鋁液從主流道直接流向產品的第一部位，在壁厚的地方很容易產生氣泡，而且還會容易出現生料的現象。在產品的末端設計渣包，因為鋁液澆鑄完型腔后，溫度已經有所降低，特別是首先沖出的鋁液，溫度還要低一些，所以讓這首先出來的鋁液在渣包的底面固化，而后面的鋁液依然可以正常地流動。分流道的末端設有冷料穴，鋁液的前鋒面上的冷料流動時首先沖向冷料穴，后面的正常鋁液則澆鑄向產品，防止產品出現冷紋，對產品的質量大為提高。

（三）脫模機構設計。由于本產品正面有一處直孔位和一處斜孔位，且直孔的下方有倒扣，為了便于脫模，決定在定模位置設計一斜抽芯（見圖4），直孔位及倒扣則合并在一起，做一個整體滑塊在動模上。斜抽芯的成型部分做有拔模斜度2度，并且在斜抽芯和抽芯套的配合處開有排氣，以減少斜抽芯拔出的力度。滑塊上則安裝有兩個鑲針，開模后，滑塊在液壓油缸的拉力下，滑塊和鑲針同時從產品上退出到合適位置。

（四）冷卻系統設計。該模具的冷卻系統主要根據動、定模型芯的結構特點以及模具零件的分布來布置水路。定模芯上有斜抽芯，滑塊的成型部位則嵌在定模芯平面之下，這兩部分的水路就單獨設置，它們的水管用耐壓管與定模芯的水管相聯接。定模芯的水路則分為兩部分，豎直方向采用“L”型常用水路，水平方向用水井結構，水井內裝有往復冷卻水管組（結構見圖5）。動模芯上由于頂針孔很多，就主要在背面用設計水井，水井內裝單式冷卻水管和往復冷卻水管組。單式冷卻水管在豎直方向用普通水路相通，兩端用紫銅堵塞。

設置往復冷卻水管組目的為了避免冷卻運水與相關的模具零件發生干涉，而又不影響其冷卻效果，從進水到出水從一個水井中完成。

（五）頂出機構設計。模具的頂出結構有頂針、復位桿、定針板、動針板組成。頂針裝配在動針板上，用定針板壓緊，定、動針板用中托司定位，以使得兩針板能在導柱上移動順暢。

四、制造工藝安排

（一）模具關鍵元件制作。摩托車氣缸頭蓋鋁合金壓鑄模的關鍵元件主要有定模芯、動模芯、滑塊、斜抽芯等，它們都要采用熱作模具鋼。熱作模具鋼工作時承受很大的壓力，并伴有強烈的摩擦，此外，模腔反復受熱和冷卻，造成模具因磨損以及由于熱疲勞所產生的龜裂（網狀裂紋）從而失效。因此要求熱作模具鋼有好的綜合性能，包括高溫下能保持較高的力學性能（較高的強度、韌性、足夠的硬度和耐磨性），良好的耐熱疲勞性、良好的熱導性、良好的高溫抗氧化性，對尺寸較大的模具還要求較高的淬透性和較小的熱處理變形。

摩托車氣缸頭蓋鋁合金件壓鑄模的關鍵元件，諸如定模芯、動模芯、斜抽芯、抽芯套、滑塊、澆口套、分流錐等，其材料選用瑞典ASSAB廠家鋼號8407。這種鋼的相變溫度較高，抵抗冷熱交變的耐、熱疲勞性良好，鋼的淬透性高，抗熱疲勞開裂性和抗熱熔損性均良好，出廠退火硬度≤235HBS。此種熱作模具鋼含有較多的易形成碳化物的鉻元素（見表1），因此在高溫下有較高的強度和硬度，但其韌性和塑性則相對較差。

在制造過程中，每一個零件我們都編制加工工藝卡片。比如說定、動模芯，它的加工工藝如下：

1.鉆孔。先把背面的螺絲孔、運水孔、慢走絲線切割穿絲孔要一一鉆孔，按照明細表中的孔數，每鉆一孔打鉤，以免漏鉆。

2.CNC開粗。CNC開粗時，每面預留2mm加工余量。

3.粗加工后熱處理。開粗完畢后，拉到材料廠家進行熱處理，要求洛氏硬度HRC43-48。此種熱作鋼熱處理淬火時，我們把材料送到ASSAB公司指定的熱處理廠家。他們通常采用“延時淬火”方法，先在空氣中或預冷爐中冷卻一定時間，再置于淬火介質中冷卻。延時過程不但降低了工件進入淬火介質前的溫度，而且減小了工件與淬火介質間的溫差，因此可以減小淬火時的熱應力和組織應力，從而減小工件淬火變形和開裂的傾向。

4.磨基準。周邊四個面磨成直角，底面要磨平，磨削加工時，用百分表拖表校正，誤差小于0.03mm。

5.CNC精加工型腔。加工前底面不能有鐵屑等顆粒，四邊分中，對刀時保證高度誤差小開0.04mm。

6. CNC精加工斜抽芯在定模芯上的斜孔。加工前先把專用的工裝放在CNC平臺上，用百分表拖平之后固定。然后再把定模芯放在工裝的斜面上，校正后固定，這樣可以保證角度和各相關尺寸的加工穩定性。

7. 慢走絲線切割鑲針孔。

8. EDM加工型腔。先用粗公打火花，火花位按0.3設定，完后再用精公打火花，火花位按0.08設定。

9. EDM加工斜抽芯在定模芯上的斜孔。

10.省模。用砂紙拋去火花紋，粗糙度達到0.2。電火花加工型腔雖然是比較方便簡單的手段，而且在相關尺寸的確保方面也很可靠，但由于電火花加工時，火花間隙處的溫度要高達1000攝氏度左右，對模仁材料來講已達到了淬火溫度，故型腔表面會存在一層白層，厚度達0.05-0.08mm，這一層材質處在了細微龜裂狀態，必須經打磨去除。

11.曬廠商標志、模具代號和日期章。我司全名是江門市蓬江區榮盛實業有限公司，簡稱榮盛公司，用英文“RS”代替。日期章中間表示年份，如12是2012年，周邊外環分12空間，像時鐘一樣分度，代表1-12月份。要求線寬0.4，深度0.3mm。

（二）回火去應力。

1.精加工之后，需作去應力處理，因為型腔材料經熱處理后作的精加工，特別是型腔火花機加工成型，頂桿孔線切割加工，都存在一定的應力，為了提高模具使用壽命，比必需作去應力的處理后，模具才能投入量產使用。

2.模具使用過程中，也會存在一定的應力，在澆鑄產品1萬件時，定、動模芯也要作去應力處理。回火時，回火組織為回火馬氏體，降低了淬火應力及脆性，仍保持淬火后的高硬度和高耐磨性。

（三）鑲針氮化。

由于鑲針的體積較小，在澆鑄時要與型腔承受相同的壓力，很容易崩斷。為了改善鑲會的力學性能，將鑲針置于含有氮元素介質中加熱和保溫，使氮元素分解某些元素的活性原子滲入工件表面，從而形成0.2mm厚度的滲層，以此來改變工件表面的化學成分和組織，達到強化工件表層的效果，這個過程我們稱之氮化。通過提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞強度等力學性能，鑲針獲得了耐蝕性、耐熱性、抗氧化性，使得鑲針的壽命延長。

五、模具工作過程分析

模具的定、動模板均鎖在壓鑄機的定、動模板上，定針板也鎖在壓鑄機的定動模板上。合模時，動模上的滑塊先復位，然后合模，壓鑄機的定、動模板壓緊模具，定模上的斜抽芯在液壓缸的推力下復位，可以澆鑄。開模時，定模上的斜抽芯在液壓缸的拉力下把抽芯拔出，壓鑄機的動模板向后移位開模，動模板上的滑塊滑出，定針板在壓鑄機動模板的推板推力下把產品頂出，然后可以取出產品。

結束語

通過對該模具結構進行有效地設計，在制作過程中對工藝進行嚴格地控制，并且經過多年的生產實踐驗證，該模具壽命可達12萬次以上。大長江集團壓鑄部反映我們設計制作的氣缸頭蓋壓壓鑄模，員工操作方便，生產效率高。能贏得了客戶這樣的評價，我心里也感到欣慰。

參考文獻

[1] 馮炳堯，韓泰榮，蔣文森.模具設計與制造簡明手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1998.

[2] 模具制造手冊編寫組.模具制造手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.