Bagaimana cetakan kepala silinder aluminium menahan tekanan batang 200+?

Sebagai komponen inti dalam pembuatan mesin, cetakan kepala silinder paduan aluminium dirancang untuk beroperasi secara stabil untuk waktu yang lama di bawah suhu tinggi, tekanan tinggi dan kondisi kerja yang kompleks. Di bawah kondisi ekstrem 200 bar (sekitar 2000 tekanan atmosfer standar), keandalan cetakan secara langsung menentukan kinerja dan umur mesin.

1. Pemilihan Bahan: Jaminan ganda resistensi kelelahan termal dan ketahanan aus
Kinerja bahan cetakan adalah dasar untuk menahan tekanan tinggi. Mengambil cetakan yang dirancang oleh Yunmai (JYD) untuk mesin Isuzu sebagai contoh, ia menggunakan baja H13 (4CR5MOSIV1) sebagai bahan inti. Alat baja ini banyak digunakan di bidang cetakan yang berfungsi panas dan memiliki tiga keunggulan inti:
Kekuatan suhu tinggi: Baja H13 masih dapat mempertahankan kekuatan luluh lebih dari 500MPA pada 600 ℃, yang jauh lebih tinggi dari baja paduan biasa, memastikan bahwa cetakan tidak mengalami deformasi plastik di bawah tekanan tinggi.
Resistensi Kelelahan Termal: Dengan mengendalikan morfologi dan distribusi karbida, baja H13 dapat menahan puluhan ribu siklus termal (dari suhu kamar hingga 600 ° C) tanpa retak, dan beradaptasi dengan guncangan tekanan frekuensi tinggi dari operasi mesin yang berkelanjutan.
Hardenability dan stabilitas temper: Setelah pendinginan pada 1020 ° C tempering pada 580 ° C, kekerasan permukaan cetakan dapat mencapai HRC48-52, sementara inti mempertahankan ketangguhan untuk menghindari retak rapuh karena kekerasan yang berlebihan.

2. Optimalisasi Struktural: Dispersi Tekanan dan Desain Keseimbangan Stres
Struktur cetakan perlu mencapai dispersi tekanan melalui optimasi topologi tiga dimensi. Mengambil jenis cetakan tertentu sebagai contoh, desainnya mencakup elemen kunci berikut:
Penguatan Permukaan Perpecas: Permukaan perpisahan yang melangkah diadopsi dengan celah pemrosesan 0,05mm untuk memastikan pengisian cairan aluminium yang halus dan menghindari dislokasi permukaan perpisahan di bawah tekanan tinggi.
Tata letak tulang rusuk: Rib dukungan berbentuk "M" dirancang di bagian bawah rongga cetakan, dan ketebalannya secara bertahap berubah dari 15mm di tepi rongga menjadi 8mm di tengah, yang tidak hanya meningkatkan kekakuan tetapi juga mengurangi limbah material.
Jaringan Saluran Air Pendingin: Melalui optimasi simulasi FLEENT ANSYS, saluran air komposit "spiral cross" dirancang untuk memastikan bahwa gradien suhu permukaan cetakan adalah ≤30 ℃/mm, mengurangi deformasi yang disebabkan oleh tegangan termal.

3. Proses Pembuatan: Kontrol Presisi Tingkat Mikron
Akurasi manufaktur cetakan secara langsung mempengaruhi kapasitas bantalan tekanannya. Yunmai menggunakan proses berikut untuk memastikan toleransi ± 0,02mm:
Pemrosesan Hubungan Lima Suka: Menggunakan pusat pemesinan lima sumbu DMG MORI Jerman, rongga diproses dengan baik pada laju umpan 0,1μm, dan kekasaran permukaan Ra≤0.4μm.
Teknologi Pembentukan Electrodischarge: Untuk permukaan yang kompleks, pemesinan Mirror Electrodischarge (EDM) digunakan, dan elektroda grafit digunakan untuk mencapai kontrol celah pelepasan 0,01mm.
Perawatan Penguatan Permukaan: Permukaan cetakan diperlakukan dengan ion nitriding (IPN) untuk membentuk lapisan nitriding keras 0.2mm (HV1200), yang meningkatkan kekerasan sebesar 4 kali dan ketahanan aus sebesar 30%.

4. Verifikasi Simulasi: Tes tekanan dari virtual ke nyata
Desain cetakan perlu diverifikasi dengan simulasi bidang multi-fisika:
Analisis kopling termal-mekanis: Abaqus digunakan untuk membangun model kopling sistem pendingin cairan cetakan-aluminium, dan distribusi tegangan cetakan di bawah tekanan 200 bar disimulasikan. Ditemukan bahwa titik tegangan maksimum berada di dekat gerbang. Dengan meningkatkan ketebalan lokal, puncak stres berkurang dari 1200MPA menjadi 850MPA.
Prediksi Kehidupan Kelelahan: Berdasarkan perangkat lunak Fe-Safe, parameter kondisi kerja aktual (siklus suhu 200-600 ℃, tekanan 200bar, frekuensi 50 kali/menit) adalah input, dan kehidupan cetakan diperkirakan mencapai 150.000 siklus, yang memenuhi persyaratan produksi massal.
Verifikasi prototipe: cetakan prototipe 1: 1 diproduksi, dan 100.000 siklus diuji pada pers hidrolik 200bar, dan deformasi dipantau menjadi ≤0.01mm untuk memverifikasi keandalan desain.