W jaki sposób forma głowicy cylindrów aluminiowych może wytrzymać ciśnienie w pręcie 200+?

Jako podstawowy element w produkcji silników, Aluminium ze stopu do cylindra jest zaprojektowany do stabilnego działania przez długi czas w wysokiej temperaturze, wysokim ciśnieniu i złożonych warunkach pracy. W skrajnych warunkach 200 barów (około 2000 standardowych ciśnienia atmosferycznego) niezawodność formy bezpośrednio określa wydajność i żywotność silnika.

1. Wybór materiału: podwójna gwarancja odporności na zmęczenie termiczne i odporność na zużycie
Wydajność materiału pleśni jest podstawą wytrzymania wysokiego ciśnienia. Przykładając formę zaprojektowaną przez Yunmai (JYD) dla silnika Isuzu jako przykład, wykorzystuje stal H13 (4CR5MOSIV1) jako materiał podstawowy. Ta stal narzędzi jest szeroko stosowana w dziedzinie gorących form roboczych i ma trzy podstawowe zalety:
Wytrzymałość wysokiej temperatury: stal H13 może nadal utrzymywać granicę plastyczności ponad 500 MPa przy 600 ℃, która jest znacznie wyższa niż zwykła stal stopowa, zapewniając, że pleśń nie ulega deformacji plastiku pod wysokim ciśnieniem.
Odporność na zmęczenie termiczne: Kontrolując morfologię i rozkład węglików, stal H13 może wytrzymać dziesiątki tysięcy cykli termicznych (od temperatury pokojowej do 600 ° C) bez pękania i dostosowywanie się do wstrząsu ciśnienia o wysokiej częstotliwości ciągłej pracy silnika.
Stwardnienie i stabilność temperamentu: Po hartowaniu w temperaturze 1020 ° C w 580 ° C, twardość powierzchni formy może osiągnąć HRC48-52, podczas gdy rdzeń utrzymuje wytrzymałość, aby uniknąć kruchego pękania z powodu nadmiernej twardości.

2. Optymalizacja strukturalna: dyspersja ciśnienia i projekt bilansu stresowego
Struktura pleśni musi osiągnąć dyspersję ciśnienia poprzez trójwymiarową optymalizację topologiczną. Przyjmując określony rodzaj formy, jego projekt obejmuje następujące kluczowe elementy:
Wzmocnienie powierzchni rozstania: Przypuszczona powierzchnia rozstarnia jest przyjmowana z szczeliną przetwarzającą 0,05 mm, aby zapewnić gładkie napełnianie cieczy aluminium i uniknąć zwichnięcia powierzchni rozstania pod wysokim ciśnieniem.
Układ żebra wspornika: Żibro wsporcze „M” jest zaprojektowane na dnie wnęki pleśni, a grubość stopniowo zmienia się z 15 mm na krawędzi wnęki do 8 mm na środku, co nie tylko poprawia sztywność, ale także zmniejsza marnotrawstwo materiałowe.
Sieć kanału wodnego chłodzącego: Poprzez płynną optymalizację symulacji ANSYS, kompozytowy kanał wodny „spiralny krzyż” został zaprojektowany w celu zapewnienia, że gradient temperatury powierzchni formy wynosi ≤30 ℃/mm, zmniejszając odkształcenie spowodowane naprężeniem termicznym.

3. Proces produkcji: kontrola precyzyjna na poziomie mikrona
Dokładność produkcji pleśni bezpośrednio wpływa na jego łożyska ciśnienia. Yunmai wykorzystuje następujące procesy, aby zapewnić tolerancję ± 0,02 mm:
Pięcioosiowe przetwarzanie połączeń: Korzystając z niemieckiego pięciopasowego centrum obróbki DMG Mori, wnęka jest drobno przetwarzana z szybkością zasilającą 0,1 μm, a chropowatość powierzchni Ra ≤ 0,4 μm.
Technologia tworzenia elektrodurystyki: W przypadku złożonych powierzchni stosuje się obróbkę elektrodam w lustrze (EDM), a do osiągnięcia kontroli szczeliny rozładowania stosuje się elektrody grafitowe.
Obróbka wzmacniająca powierzchnię: powierzchnia pleśni jest traktowana azotem jonów (IPN), tworząc twardą warstwę azotowania o grubości 0,2 mm (HV1200), która zwiększa twardość o 4 razy i odporność na zużycie o 30%.

4. Weryfikacja symulacji: Test ciśnienia od wirtualnego do rzeczywistego
Projektowanie pleśni należy zweryfikować za pomocą symulacji pola wielofizycznego:
Analiza sprzęgania termicznego: ABAQUS służy do ustalenia modelu sprzęgania systemu chłodzącego ciecz w formacie, a symulowany jest rozkład naprężeń formy pod ciśnieniem 200 barów. Stwierdzono, że maksymalny punkt naprężenia znajduje się w pobliżu bramy. Zwiększając grubość miejscową, pik naprężeń jest zmniejszony z 1200 MPa do 850 MPa.
Przewidywanie życia zmęczeniowego: Na podstawie oprogramowania bezpiecznego FE faktyczne parametry stanu roboczego (cykl temperatury 200-600 ℃, ciśnienie 200bar, częstotliwość 50 razy/minutę) są wprowadzane, a żywotność pleśni osiągnie 150 000 cykli, co spełnia wymagania dotyczące masowych produkcji.
Prototypowa weryfikacja: Prototypowa forma 1: 1 jest wytwarzana, a 100 000 cykli jest testowanych na prasie hydraulicznej 200 BAR, a deformacja jest monitorowana jako ≤0,01 mm, aby zweryfikować niezawodność projektu.