En tant que composant central de la fabrication de moteurs, le moule à culasse en alliage en aluminium est conçu pour fonctionner de manière stable pendant une longue période à haute température, à haute pression et à des conditions de travail complexes. Dans des conditions extrêmes de 200 bar (environ 2000 pression atmosphérique standard), la fiabilité du moule détermine directement les performances et la durée de vie du moteur.
1. Sélection du matériau: double garantie de résistance à la fatigue thermique et de résistance à l'usure
Les performances du matériau du moule sont à la base d'une haute pression résistée. En prenant le moule conçu par Yunmai (JYD) pour le moteur Isuzu à titre d'exemple, il utilise H13 Steel (4CR5MOSIV1) comme matériau central. Cet en acier à outils est largement utilisé dans le domaine des moules de travail à chaud et présente trois avantages principaux:
Résistance à haute température: l'acier H13 peut toujours maintenir une limite d'élasticité de plus de 500 MPa à 600 ℃, ce qui est bien plus élevé que l'acier en alliage ordinaire, garantissant que le moule ne subit pas de déformation plastique sous haute pression.
Résistance à la fatigue thermique: En contrôlant la morphologie et la distribution des carbures, l'acier H13 peut résister à des dizaines de milliers de cycles thermiques (de la température ambiante à 600 ° C) sans se fissurer, et s'adapter à l'amortisseur de pression à haute fréquence du fonctionnement continu du moteur.
Drecabilité et stabilité de la trempe: Après trempe à 1020 ° C, il peut être trempé à 580 ° C, la dureté de surface du moule peut atteindre HRC48-52, tandis que le noyau maintient la ténacité pour éviter la fissuration cassante en raison d'une dureté excessive.
2. Optimisation structurelle: dispersion de pression et conception de l'équilibre des contraintes
La structure de la moisissure doit atteindre la dispersion de la pression par optimisation topologique tridimensionnelle. Prenant un certain type de moisissure comme exemple, sa conception comprend les éléments clés suivants:
Armature de la surface de séparation: la surface de séparation étanche est adoptée avec un espace de traitement de 0,05 mm pour assurer un remplissage de liquide en aluminium lisse et éviter la luxation de surface de séparation sous haute pression.
Disposition des côtes de support: une côte de support en forme de "M" est conçue au bas de la cavité du moule, et l'épaisseur change progressivement de 15 mm au bord de la cavité à 8 mm au centre, ce qui améliore non seulement la rigidité mais réduit également les déchets de matériaux.
Réseau de canal d'eau de refroidissement: grâce à l'optimisation de la simulation courante ANSYS, un canal d'eau composite "croix en spirale" est conçu pour garantir que le gradient de température de la surface du moule est ≤ 30 ℃ / mm, réduisant la déformation causée par la contrainte thermique.
3. Processus de fabrication: Contrôle de précision au niveau du micron
La précision de fabrication de moisissure affecte directement sa capacité de roulement de pression. Yunmai utilise les processus suivants pour assurer une tolérance de ± 0,02 mm:
Traitement de liaison à cinq axes: En utilisant le centre d'usinage allemand DMG MORI à cinq axes, la cavité est finement traitée à un taux d'alimentation de 0,1 μm et la rugosité de surface RA≤0,4 μm.
Technologie de formation d'électrodischarge: Pour les surfaces complexes, l'usinage de l'électrodischarge miroir (EDM) est utilisé et des électrodes en graphite sont utilisées pour obtenir un contrôle de l'espace de décharge de 0,01 mm.
Traitement de renforcement de la surface: La surface du moule est traitée avec du nitrade ionique (IPN) pour former une couche de nitrade dure de 0,2 mm d'épaisseur (HV1200), ce qui augmente la dureté de 4 fois et la résistance à l'usure de 30%.
4. Vérification de la simulation: test de pression du virtuel à réel
La conception des moisissures doit être vérifiée par simulation de champ multi-physics:
Analyse de couplage thermique-mécanique: ABAQUS est utilisé pour établir un modèle de couplage du système de refroidissement liquide à aluminium de moule et la répartition des contraintes de la pression sous 200 à barres est simulée. On constate que le point de contrainte maximal est proche de la porte. En augmentant l'épaisseur locale, le pic de contrainte est réduit de 1200 MPa à 850 MPa.
Prédiction de la durée de vie de la fatigue: Sur la base du logiciel FE-SAFE, les paramètres réels des conditions de travail (cycle de température 200-600 ℃, pression 200 bar, fréquence 50 fois / minute) sont en entrée, et la durée de vie du moule devrait atteindre 150 000 cycles, qui répond aux exigences de production massive.
Vérification du prototype: Un moule à prototype 1: 1 est fabriqué et 100 000 cycles sont testés sur une presse hydraulique de 200 bar, et la déformation est surveillée à ≤0,01 mm pour vérifier la fiabilité de la conception.
