摩托车气缸头盖工艺性分析及设计制作优化

杨国军

摘 要：分析了摩托车气缸头盖压铸模具的结构特点，确定了摩托车气缸头盖压铸成型工艺及各工序尺寸，对摩托车气缸头盖压铸模具的总体结构设计及制造工艺进行了比较详细的论述。从模具设计进行优化，制作时合理安排加工艺，从而提高模具使用寿命。

关键词：摩托车气缸头盖；压铸模；模具设计；制造工艺；斜抽芯

一、产品零件结构特点及分析

摩托车气缸头盖是摩托车发动机上面的一个重要的零件，它安装在发动机气

缸的上方，里面要安装气门间隙调节螺杆。其形状如图1所示，具有以下几个特点：

（1）零件外形尺寸较多，形状复杂，材料厚度较厚，并且各部位厚度差别较大。整个外形要求压铸、去料头毛刺、打磨，之后还要交给机加车间CNC镗孔。外形大部分是曲面结构，各曲面衔接顺滑，不能有气孔或其它填充不良现象。

（2）零件材料为铝合金中的铝硅系合金，浇铸温度640-680℃。

（3）生产形式为大批量生产，模具寿命要求达到8万次以上。

二、产品零件压铸工艺性分析

该制件外形最大实体尺寸166.8x134.2x68.5mm，内部和外表曲面复杂起伏不平，相似一个不规则的瓢形，各部位壁厚有4-7mm，对外观有较高的要求，表面要平整、光滑，不能有影响外观的缩水痕、熔接痕、缺料、裂纹、变形和碰伤等工艺缺陷，还要烤漆处理。产品的材料为铝合金，综合性能好，机械强度高，流动性中性，有一定的表面硬度。从产品结构上分析，定模有两处孔位妨碍脱模，一处是直孔，另一处是斜孔。开模前，此两处的抽芯要先从产品中退出来，保证与产品在脱模方向上有足够的避空不干涉。所以，定模上要安排两个抽芯脱模，安排抽芯时要注意保证抽芯的强度，斜抽芯要加有高强度导向的保护套，本处的难点就是斜抽芯的结构设计。由于摩托车气缸头盖产品对外观要求较高，为了不影响产品外观，斜抽芯的结构的分型面设计，反映到产品上要美观且不影响打磨。

三、模具结构设计

（一）分型面设计。模具结构如图2所示，该模具结构采用两板式大浇口结构，动、定模的分型方案，以底部的平面为大分型面，而另一部分（见图2左图右）的分型面则分在滑块上，它的成型部分也排位在滑块上。

排气槽主要设置在定、动模的排渣器上，排渣器位于型腔的末端，熔融的铝合金在高压下充满整个型腔后，气体则通过排渣器被挤出。排气槽的深度为0.5mm，宽度为50mm，截面呈现一波浪形，气体则可有效地从此排出。

（二）浇铸系统设计。由于产品尺寸精度要求较高，产品外表面光滑，再加上产品的材料是铝合金，注定了模具要采用一模一腔的两板结构，及大浇口高压浇注系统。根据产品性能要求，浇口位置选择如图3所示，并对浇口尺寸、流道尺寸进行优化。考虑到产品右侧的厚度较厚，所以流道设计分主流道和分流道。主流道直接流向产品的正方，分流道则从产品右侧进料。如果不设计分流道，熔化的铝液从主流道直接流向产品的第一部位，在壁厚的地方很容易产生气泡，而且还会容易出现生料的现象。在产品的末端设计渣包，因为铝液浇铸完型腔后，温度已经有所降低，特别是首先冲出的铝液，温度还要低一些，所以让这首先出来的铝液在渣包的底面固化，而后面的铝液依然可以正常地流动。分流道的末端设有冷料穴，铝液的前锋面上的冷料流动时首先冲向冷料穴，后面的正常铝液则浇铸向产品，防止产品出现冷纹，对产品的质量大为提高。

（三）脱模机构设计。由于本产品正面有一处直孔位和一处斜孔位，且直孔的下方有倒扣，为了便于脱模，决定在定模位置设计一斜抽芯（见图4），直孔位及倒扣则合并在一起，做一个整体滑块在动模上。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处开有排气，以减少斜抽芯拔出的力度。滑块上则安装有两个镶针，开模后，滑块在液压油缸的拉力下，滑块和镶针同时从产品上退出到合适位置。

（四）冷卻系统设计。该模具的冷却系统主要根据动、定模型芯的结构特点以及模具零件的分布来布置水路。定模芯上有斜抽芯，滑块的成型部位则嵌在定模芯平面之下，这两部分的水路就单独设置，它们的水管用耐压管与定模芯的水管相联接。定模芯的水路则分为两部分，竖直方向采用“L”型常用水路，水平方向用水井结构，水井内装有往复冷却水管组（结构见图5）。动模芯上由于顶针孔很多，就主要在背面用设计水井，水井内装单式冷却水管和往复冷却水管组。单式冷却水管在竖直方向用普通水路相通，两端用紫铜堵塞。

设置往复冷却水管组目的为了避免冷却运水与相关的模具零件发生干涉，而又不影响其冷却效果，从进水到出水从一个水井中完成。

（五）顶出机构设计。模具的顶出结构有顶针、复位杆、定针板、动针板组成。顶针装配在动针板上，用定针板压紧，定、动针板用中托司定位，以使得两针板能在导柱上移动顺畅。

四、制造工艺安排

（一）模具关键元件制作。摩托车气缸头盖铝合金压铸模的关键元件主要有定模芯、动模芯、滑块、斜抽芯等，它们都要采用热作模具钢。热作模具钢工作时承受很大的压力，并伴有强烈的摩擦，此外，模腔反复受热和冷却，造成模具因磨损以及由于热疲劳所产生的龟裂（网状裂纹）从而失效。因此要求热作模具钢有好的综合性能，包括高温下能保持较高的力学性能（较高的强度、韧性、足够的硬度和耐磨性），良好的耐热疲劳性、良好的热导性、良好的高温抗氧化性，对尺寸较大的模具还要求较高的淬透性和较小的热处理变形。

摩托车气缸头盖铝合金件压铸模的关键元件，诸如定模芯、动模芯、斜抽芯、抽芯套、滑块、浇口套、分流锥等，其材料选用瑞典ASSAB厂家钢号8407。这种钢的相变温度较高，抵抗冷热交变的耐、热疲劳性良好，钢的淬透性高，抗热疲劳开裂性和抗热熔损性均良好，出厂退火硬度≤235HBS。此种热作模具钢含有较多的易形成碳化物的铬元素（见表1），因此在高温下有较高的强度和硬度，但其韧性和塑性则相对较差。

在制造过程中，每一个零件我们都编制加工工艺卡片。比如说定、动模芯，它的加工工艺如下：

1.钻孔。先把背面的螺丝孔、运水孔、慢走丝线切割穿丝孔要一一钻孔，按照明细表中的孔数，每钻一孔打钩，以免漏钻。

2.CNC开粗。CNC开粗时，每面预留2mm加工余量。

3.粗加工后热处理。开粗完毕后，拉到材料厂家进行热处理，要求洛氏硬度HRC43-48。此种热作钢热处理淬火时，我们把材料送到ASSAB公司指定的热处理厂家。他们通常采用“延时淬火”方法，先在空气中或预冷炉中冷却一定时间，再置于淬火介质中冷却。延时过程不但降低了工件进入淬火介质前的温度，而且减小了工件与淬火介质间的温差，因此可以减小淬火时的热应力和组织应力，从而减小工件淬火变形和开裂的倾向。

4.磨基准。周边四个面磨成直角，底面要磨平，磨削加工时，用百分表拖表校正，误差小于0.03mm。

5.CNC精加工型腔。加工前底面不能有铁屑等颗粒，四边分中，对刀时保证高度误差小开0.04mm。

6. CNC精加工斜抽芯在定模芯上的斜孔。加工前先把专用的工装放在CNC平台上，用百分表拖平之后固定。然后再把定模芯放在工装的斜面上，校正后固定，这样可以保证角度和各相关尺寸的加工穩定性。

7. 慢走丝线切割镶针孔。

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

9. EDM加工斜抽芯在定模芯上的斜孔。

10.省模。用砂纸抛去火花纹，粗糙度达到0.2。电火花加工型腔虽然是比较方便简单的手段，而且在相关尺寸的确保方面也很可靠，但由于电火花加工时，火花间隙处的温度要高达1000摄氏度左右，对模仁材料来讲已达到了淬火温度，故型腔表面会存在一层白层，厚度达0.05-0.08mm，这一层材质处在了细微龟裂状态，必须经打磨去除。

11.晒厂商标志、模具代号和日期章。我司全名是江门市蓬江区荣盛实业有限公司，简称荣盛公司，用英文“RS”代替。日期章中间表示年份，如12是2012年，周边外环分12空间，像时钟一样分度，代表1-12月份。要求线宽0.4，深度0.3mm。

（二）回火去应力。

1.精加工之后，需作去应力处理，因为型腔材料经热处理后作的精加工，特别是型腔火花机加工成型，顶杆孔线切割加工，都存在一定的应力，为了提高模具使用寿命，比必需作去应力的处理后，模具才能投入量产使用。

2.模具使用过程中，也会存在一定的应力，在浇铸产品1万件时，定、动模芯也要作去应力处理。回火时，回火组织为回火马氏体，降低了淬火应力及脆性，仍保持淬火后的高硬度和高耐磨性。

（三）镶针氮化。

由于镶针的体积较小，在浇铸时要与型腔承受相同的压力，很容易崩断。为了改善镶会的力学性能，将镶针置于含有氮元素介质中加热和保温，使氮元素分解某些元素的活性原子渗入工件表面，从而形成0.2mm厚度的渗层，以此来改变工件表面的化学成分和组织，达到强化工件表层的效果，这个过程我们称之氮化。通过提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度等力学性能，镶针获得了耐蚀性、耐热性、抗氧化性，使得镶针的寿命延长。

五、模具工作过程分析

模具的定、动模板均锁在压铸机的定、动模板上，定针板也锁在压铸机的定动模板上。合模时，动模上的滑块先复位，然后合模，压铸机的定、动模板压紧模具，定模上的斜抽芯在液压缸的推力下复位，可以浇铸。开模时，定模上的斜抽芯在液压缸的拉力下把抽芯拔出，压铸机的动模板向后移位开模，动模板上的滑块滑出，定针板在压铸机动模板的推板推力下把产品顶出，然后可以取出产品。

结束语

通过对该模具结构进行有效地设计，在制作过程中对工艺进行严格地控制，并且经过多年的生产实践验证，该模具寿命可达12万次以上。大长江集团压铸部反映我们设计制作的气缸头盖压压铸模，员工操作方便，生产效率高。能赢得了客户这样的评价，我心里也感到欣慰。

参考文献

[1] 冯炳尧，韩泰荣，蒋文森.模具设计与制造简明手册[M].上海：上海科学技术出版社，1998.

[2] 模具制造手册编写组.模具制造手册[M].北京：机械工业出版社，2001.