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
由於環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成爲汽車行業發展的趨勢。某汽車變速箱懸掛端蓋，原生產方式爲鋁合金重力鑄造，受澆注工藝制約，其基本壁厚爲15mm, 外形粗糙，難以對各個特徵數據進行精確控制，而裝配特徵需進行機械加工保證，導致產量低，零件單件費用高。爲了滿足汽車輕量化、提高生產效率、降低成本等要求，對其工藝進行改革，採用壓鑄方式進行生產。
採用壓鑄工藝後，零件壁厚減小爲5mm, 結構強度不變，後續機加工工序餘量小，生產效率提高，成本顯著降低，尺寸控制精度高，但是由於其高速、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。該零件基本壁厚爲5mm, 輪廓尺寸爲194mm×190mm×72mm, 零件質量爲770g。零件要求：尺寸公差爲±0.1mm, 表面無任何缺陷，允許的縮鬆密度標準參照VW50093-5%-Ф2。對於大型模具，由於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；模擬裝配環境，衝擊載荷爲20kN時，零件無裂紋、斷裂、塑性變形，衝擊次數爲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並提前預防，避免後期尺寸無法達到要求。針對零件外觀要求，需確保不出現衝料、拉傷等壓鑄缺陷。孔隙率標準要求極爲嚴格，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、縮鬆位置進行準確控制，避免縮鬆位置及氣孔出現在結構連接關鍵節點，從而對零件整體性能產生極大的影響，使得零件衝擊試驗無法成功。懸掛端蓋在三點固定的情況下，受力方向爲側偏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受力遠高於固定點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
經過方案研討後，確定模具設計初步方案爲：①保證零件充填時各區域合理配置，排氣順暢，盡可能減少氣體的卷入；②考慮零件特殊要求，澆排系統需設置在固定點3附近，確保此區域優先填充，同時流道的增壓壓力傳導效果會保證此區域致密性；③由於壓鑄機的壓射缸直徑一定，採用小的活塞時，所產生的壓力更高，採用直徑爲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後對鎖模力要求更高，爲了避免模具在生產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時各區域溫度趨於一致，避免各區域溫差過大造成膨脹不均，確保靜態合模時各配合面接觸良好；力平衡要求模具在動態壓鑄時各區域漲型力趨於一致，避免模具單邊受力，使分型面輕微偏斜，造成飛料。
圖4 澆排系統正面
表1 澆排系統參數
圖5 上模水路排布軸側圖
上模水路排布採用側面環形冷卻+水井結構，共同形成針對零件形狀的簡易隨形冷卻，同時借助環形冷卻管路，在厚大的渣包區域設置針對性的水井用於控制熱量，確保上模各區域熱量均衡；水路1採用環形冷卻分層設計+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採用環形冷卻+水井結構，冷卻零件側面，避免澆口直接衝擊導致龜裂、衝料等壓鑄缺陷；水路3起冷卻零件後半段的作用，由於零件有形狀高低，所以增加冷卻水井，確保零件冷卻均勻。環形冷卻受加工限制，無法確保所有區域都達到良好的溫控效果，在環形冷卻無法涉及到的區域，增加了高壓點冷，補充冷卻。下模冷卻系統設計見圖6。
圖6 下模水路排布圖軸側圖
圖7 澆注系統調整示意圖
表2 壓鑄機及模具澆排系統參數
圖8 充型過程模擬圖
鑄件材質爲AlSi12Cu1Fe, 澆注溫度爲660 ℃,模具材質爲SKD61,預熱溫度爲120 ℃,工作溫度爲200℃。活塞直徑爲70mm, 低速速度爲0.38m/s, 高速速度爲2.98m/s, 水冷卻進口溫度爲25℃。模具按此設計進行試模。後續機加工及拋丸後對零件進行檢驗，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,零件部分區域氣孔超過規定要求，氣孔主要位置見圖9和圖10。由於此處爲澆口位置，壓鑄機行程前後會造成較大的影響，根據與現場進行溝通，整壓鑄工藝後，孔隙率有改善，但仍無法滿足要求，見圖11。
圖9 零件氣孔區域位置
圖10 零件氣孔區域位置示意圖
圖11 零件氣孔區域位置特寫
根據檢測結果同時結合現場情況，討論分析認爲主要存在以下問題。
（1）進料口直接衝擊模具型芯壓鑄時發現型芯有粘鋁現象，零件出現拉傷，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。進料口衝擊型芯模擬見圖12。
（2）出現澆不足X光探傷顯示，縮鬆及縮孔位置爲模具型芯背面區域，模流分析也顯示模具型芯阻擋了鋁液的流動，使其背面區域出現了明顯的澆不足，可能導致了縮鬆及縮孔形成，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）形成縮孔此區域爲零件壁厚最厚區域，可能是內部冷卻不完善,使得零件側壁冷卻後內部繼續冷卻收縮，形成縮孔。根據模流分析結果顯示，此區域確實爲最後冷卻區域。分析結果見圖14。
圖12 進料口直接衝擊型芯模擬
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
圖16 擠壓銷結構
以上方案調整後採用模流分析驗證，驗證結果見圖17。模擬分析結果顯示，工藝修改後，鑄件凝固過程的液相分布更加合理，產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，在後續壓鑄生產時，加快冷卻水流速，冷卻循環增加冷卻塔，控制冷卻水水溫。隨後再次試模，試模時採取以下措施，確保實際生產盡可能接近模擬效果：①嚴格控制生產工藝，鋁液衝擊型芯的問題解決後，壓鑄機快慢壓射參數要符合模擬結果，僅根據現場情況進行微調；②對冷卻較慢區域的點冷單獨做總成控制，嚴格控制流入水溫，同時增大這些區域的水流量；③壓鑄機配套擠壓銷結構，壓鑄時採用局部擠壓技術。
圖17 澆排系統修改後模流分析驗證
圖18 合格的零件
經過對工藝及模具的修改，零件再次試模，經CT檢驗後合格。目前已通過載荷試驗，正常批量生產。
本文作者：
徐善狀江蘇信息職業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》戰略合作夥伴
