Làm thế nào có thể khuôn đầu xi lanh nhôm có thể chịu được áp suất thanh 200+?

Là một thành phần cốt lõi trong sản xuất động cơ, Khuôn đầu xi lanh hợp kim nhôm được thiết kế để hoạt động ổn định trong một thời gian dài dưới nhiệt độ cao, áp suất cao và điều kiện làm việc phức tạp. Trong điều kiện khắc nghiệt của 200 bar (khoảng 2000 áp suất khí quyển tiêu chuẩn), độ tin cậy của khuôn trực tiếp xác định hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.

1. Lựa chọn vật liệu: Bảo đảm kép về khả năng chống mỏi nhiệt và khả năng chống mài mòn
Hiệu suất của vật liệu nấm mốc là cơ sở để chịu được áp lực cao. Lấy khuôn được thiết kế bởi Yunmai (JYD) cho động cơ Isuzu làm ví dụ, nó sử dụng thép H13 (4CR5MOSIV1) làm vật liệu cốt lõi. Thép công cụ này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khuôn làm việc nóng và có ba lợi thế cốt lõi:
Độ bền nhiệt độ cao: Thép H13 vẫn có thể duy trì cường độ năng suất hơn 500MPa ở mức 600, cao hơn nhiều so với thép hợp kim thông thường, đảm bảo rằng khuôn không trải qua biến dạng dẻo dưới áp suất cao.
Điện trở mỏi nhiệt: Bằng cách kiểm soát hình thái và phân bố cacbua, thép H13 có thể chịu được hàng chục ngàn chu kỳ nhiệt (từ nhiệt độ phòng đến 600 ° C) mà không bị nứt và thích nghi với sốc áp suất tần số cao của hoạt động động cơ liên tục.
Độ cứng và độ ổn định ủ: Sau khi dập tắt ở nhiệt độ 1020 ° C ở 580 ° C, độ cứng bề mặt của khuôn có thể đạt đến HRC48-52, trong khi lõi duy trì độ dẻo dai để tránh bị nứt giòn do độ cứng quá mức.

2. Tối ưu hóa cấu trúc: Phân tán áp lực và thiết kế cân bằng ứng suất
Cấu trúc khuôn cần phải đạt được sự phân tán áp lực thông qua tối ưu hóa tôpô ba chiều. Lấy một loại khuôn nhất định làm ví dụ, thiết kế của nó bao gồm các yếu tố chính sau:
Củng cố bề mặt chia tay: Bề mặt chia tay bước được áp dụng với khoảng cách xử lý 0,05mm để đảm bảo làm đầy chất lỏng nhôm mịn và tránh chia tay trật khớp bề mặt dưới áp suất cao.
Bố cục sườn hỗ trợ: RIB hỗ trợ hình chữ "M" được thiết kế ở dưới cùng của khoang khuôn và độ dày dần thay đổi từ 15mm ở rìa khoang thành 8 mm ở trung tâm, không chỉ cải thiện độ cứng mà còn làm giảm chất thải vật liệu.
Mạng kênh nước làm mát: Thông qua tối ưu hóa mô phỏng lưu loát ANSYS, kênh nước hỗn hợp "chéo xoắn ốc" được thiết kế để đảm bảo độ dốc nhiệt độ của bề mặt khuôn là ≤30 ℃/mm, làm giảm biến dạng do ứng suất nhiệt.

3. Quy trình sản xuất: Kiểm soát độ chính xác cấp Micron
Độ chính xác sản xuất nấm mốc ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu áp suất của nó. Yunmai sử dụng các quy trình sau để đảm bảo dung sai ± 0,02mm:
Xử lý liên kết năm trục: Sử dụng trung tâm gia công năm trục DMG MORI của Đức, khoang được xử lý tinh xảo với tốc độ thức ăn là 0,1μm và độ nhám bề mặt RA≤0,4μm.
Công nghệ hình thành điện cực: Đối với các bề mặt phức tạp, gia công điện cực gương (EDM) được sử dụng và các điện cực than chì được sử dụng để đạt được điều khiển khoảng cách phóng điện 0,01mm.
Xử lý tăng cường bề mặt: Bề mặt khuôn được xử lý bằng nitriding ion (IPN) để tạo thành lớp nitriding cứng 0,2mm (HV1200), làm tăng độ cứng 4 lần và điện trở hao mòn 30%.

4. Xác minh mô phỏng: Kiểm tra áp suất từ ảo sang thực
Thiết kế khuôn cần được xác minh bằng mô phỏng trường đa vật lý:
Phân tích khớp nối cơ-cơ: ABAQUS được sử dụng để thiết lập một mô hình khớp nối của hệ thống làm mát chất lỏng bằng nhôm mốc, và sự phân bố ứng suất của khuôn dưới áp suất 200 thanh được mô phỏng. Nó được tìm thấy rằng điểm ứng suất tối đa là gần cổng. Bằng cách tăng độ dày cục bộ, đỉnh ứng suất giảm từ 1200MPa xuống 850MPa.
Dự đoán cuộc sống mệt mỏi: Dựa trên phần mềm Fe-Safe, các thông số điều kiện làm việc thực tế (chu kỳ nhiệt độ 200-600, áp suất 200bar, tần suất 50 lần/phút) là đầu vào và tuổi thọ của khuôn được dự đoán sẽ đạt 150.000 chu kỳ, đáp ứng các yêu cầu sản xuất hàng loạt.
Xác minh nguyên mẫu: Khuôn nguyên mẫu 1: 1 được sản xuất và 100.000 chu kỳ được thử nghiệm trên máy ép thủy lực 200Bar và biến dạng được theo dõi là ≤0,01mm để xác minh độ tin cậy của thiết kế.