原標題：助力汽車輕量化！鋁合金變速箱懸掛端蓋壓鑄模具設計

由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。某汽車變速箱懸掛端蓋，原生產(chǎn)方式為鋁合金重力鑄造，受澆注工藝制約，其基本壁厚為15mm, 外形粗糙，難以對各個特征數(shù)據(jù)進行精確控制，而裝配特征需進行機械加工保證，導致產(chǎn)量低，零件單件費用高。為了滿足汽車輕量化、提高生產(chǎn)效率、降低成本等要求，對其工藝進行改革，采用壓鑄方式進行生產(chǎn)。

采用壓鑄工藝后，零件壁厚減小為5mm, 結構強度不變，后續(xù)機加工工序余量小，生產(chǎn)效率提高，成本顯著降低，尺寸控制精度高，但是由于其高速、高壓的充型模式，使得充填時氣體極易卷入，導致氣孔及氧化夾雜物存在。該零件基本壁厚為5mm, 輪廓尺寸為194mm×190mm×72mm, 零件質量為770g。零件要求：尺寸公差為±0.1mm, 表面無任何缺陷，允許的縮松密度標準參照VW50093-5%-Ф2。對于大型模具，由于導柱導套布置在模具的邊緣距中心較大，在動靜模受熱條件不同時，其膨脹量有差異。要求靜載荷8kN壓力試驗72h, 零件無裂紋、斷裂、塑性變形；模擬裝配環(huán)境，沖擊載荷為20kN時，零件無裂紋、斷裂、塑性變形，沖擊次數(shù)為36次。

圖文結果

零件形狀及結構見圖1。該零件尺寸要求級別高，因此在保證模具加工準確的情況下，必須將零件成形階段頂出時的變形、零件自身收縮變形、零件收縮率等加以考慮，在前期設計過程中準確判斷并提前預防，避免后期尺寸無法達到要求。針對零件外觀要求，需確保不出現(xiàn)沖料、拉傷等壓鑄缺陷。孔隙率標準要求極為嚴格，如果孔隙率無法達到預期，零件強度試驗將無法通過。在保證孔隙率的前提下，需對零件氣孔、縮松位置進行準確控制，避免縮松位置及氣孔出現(xiàn)在結構連接關鍵節(jié)點，從而對零件整體性能產(chǎn)生極大的影響，使得零件沖擊試驗無法成功。懸掛端蓋在三點固定的情況下，受力方向為側偏8.24°,固定位置見圖2,受力方向及角度見圖3。可以看出，零件固定點3受力遠高于固定點1,固定點3附近在X光探傷及CT檢驗時不允許有任何氣孔、縮孔，切片檢驗時不允許有晶粒粗大情況。

圖1 零件形狀及基本結構

圖2 懸掛端蓋固定點

圖3 懸掛端蓋受力面及角度

經(jīng)過方案研討后，確定模具設計初步方案為：①保證零件充填時各區(qū)域合理配置，排氣順暢，盡可能減少氣體的卷入；②考慮零件特殊要求，澆排系統(tǒng)需設置在固定點3附近，確保此區(qū)域優(yōu)先填充，同時流道的增壓壓力傳導效果會保證此區(qū)域致密性；③由于壓鑄機的壓射缸直徑一定，采用小的活塞時，所產(chǎn)生的壓力更高，采用直徑為70mm的活塞，盡可能增大壓鑄機增壓效果；④壓鑄機增壓效果提升后對鎖模力要求更高，為了避免模具在生產(chǎn)時鎖模力不足以抵消模具熱膨脹及漲型力不均勻導致的飛料現(xiàn)象，在設計時需考慮熱平衡與力平衡。熱平衡要求模具在批量生產(chǎn)時各區(qū)域溫度趨于一致，避免各區(qū)域溫差過大造成膨脹不均，確保靜態(tài)合模時各配合面接觸良好；力平衡要求模具在動態(tài)壓鑄時各區(qū)域漲型力趨于一致，避免模具單邊受力，使分型面輕微偏斜，造成飛料。

圖4 澆排系統(tǒng)正面

表1 澆排系統(tǒng)參數(shù)

圖5 上模水路排布軸側圖

上模水路排布采用側面環(huán)形冷卻+水井結構，共同形成針對零件形狀的簡易隨形冷卻，同時借助環(huán)形冷卻管路，在厚大的渣包區(qū)域設置針對性的水井用于控制熱量，確保上模各區(qū)域熱量均衡；水路1采用環(huán)形冷卻分層設計+水井結構，進水先行冷卻主流道，通過水井分別冷卻各個分流道；水路2采用環(huán)形冷卻+水井結構，冷卻零件側面，避免澆口直接沖擊導致龜裂、沖料等壓鑄缺陷；水路3起冷卻零件后半段的作用，由于零件有形狀高低，所以增加冷卻水井，確保零件冷卻均勻。環(huán)形冷卻受加工限制，無法確保所有區(qū)域都達到良好的溫控效果，在環(huán)形冷卻無法涉及到的區(qū)域，增加了高壓點冷，補充冷卻。下模冷卻系統(tǒng)設計見圖6。

圖6 下模水路排布圖軸側圖

圖7 澆注系統(tǒng)調整示意圖

表2 壓鑄機及模具澆排系統(tǒng)參數(shù)

圖8 充型過程模擬圖

鑄件材質為AlSi12Cu1Fe, 澆注溫度為660 ℃,模具材質為SKD61,預熱溫度為120 ℃,工作溫度為200℃。活塞直徑為70mm, 低速速度為0.38m/s, 高速速度為2.98m/s, 水冷卻進口溫度為25℃。模具按此設計進行試模。后續(xù)機加工及拋丸后對零件進行檢驗，尺寸確認合格，零件表面無缺陷，在使用CT設備及X光探傷檢測時,零件部分區(qū)域氣孔超過規(guī)定要求，氣孔主要位置見圖9和圖10。由于此處為澆口位置，壓鑄機行程前后會造成較大的影響，根據(jù)與現(xiàn)場進行溝通，整壓鑄工藝后，孔隙率有改善，但仍無法滿足要求，見圖11。

圖9 零件氣孔區(qū)域位置

圖10 零件氣孔區(qū)域位置示意圖

圖11 零件氣孔區(qū)域位置特寫

根據(jù)檢測結果同時結合現(xiàn)場情況，討論分析認為主要存在以下問題。

（1）進料口直接沖擊模具型芯壓鑄時發(fā)現(xiàn)型芯有粘鋁現(xiàn)象，零件出現(xiàn)拉傷，孔部尺寸不符合要求，所以壓鑄時降低了壓射速度和壓射壓力。進料口沖擊型芯模擬見圖12。

（2）出現(xiàn)澆不足X光探傷顯示，縮松及縮孔位置為模具型芯背面區(qū)域，模流分析也顯示模具型芯阻擋了鋁液的流動，使其背面區(qū)域出現(xiàn)了明顯的澆不足，可能導致了縮松及縮孔形成，型芯阻擋鋁液流動情況模擬見圖13。

（3）致密度無法保證該零件此處壁厚超過15mm, 零件結構上的填充死角導致卷氣，即使在澆口側，壓鑄機增壓效果仍無法保證此處的致密度。

（4）形成縮孔此區(qū)域為零件壁厚最厚區(qū)域，可能是內部冷卻不完善,使得零件側壁冷卻后內部繼續(xù)冷卻收縮，形成縮孔。根據(jù)模流分析結果顯示，此區(qū)域確實為最后冷卻區(qū)域。分析結果見圖14。

圖12 進料口直接沖擊型芯模擬

圖13 型芯阻擋鋁液流動模擬

圖14 模流分析冷卻順序

圖15 擠壓銷工作狀態(tài)

圖16 擠壓銷結構

以上方案調整后采用模流分析驗證，驗證結果見圖17。模擬分析結果顯示，工藝修改后，鑄件凝固過程的液相分布更加合理，產(chǎn)生縮孔缺陷的幾率顯著降低。但是，一些厚大部位的縮孔缺陷傾向仍較高(見圖17)。因此，在后續(xù)壓鑄生產(chǎn)時，加快冷卻水流速，冷卻循環(huán)增加冷卻塔，控制冷卻水水溫。隨后再次試模，試模時采取以下措施，確保實際生產(chǎn)盡可能接近模擬效果：①嚴格控制生產(chǎn)工藝，鋁液沖擊型芯的問題解決后，壓鑄機快慢壓射參數(shù)要符合模擬結果，僅根據(jù)現(xiàn)場情況進行微調；②對冷卻較慢區(qū)域的點冷單獨做總成控制，嚴格控制流入水溫，同時增大這些區(qū)域的水流量；③壓鑄機配套擠壓銷結構，壓鑄時采用局部擠壓技術。

圖17 澆排系統(tǒng)修改后模流分析驗證

圖18 合格的零件

經(jīng)過對工藝及模具的修改，零件再次試模，經(jīng)CT檢驗后合格。目前已通過載荷試驗，正常批量生產(chǎn)。

本文作者：

徐善狀
江蘇信息職業(yè)技術學院智能工程學院
高健
寧波市北侖龍誠模具制造有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴