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广汽传祺——底盘铝合金后副车架的压铸工艺用模具设计

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轿车底盘/车身关键部件的轻量化是当前汽车轻量化技术开发的前沿领域之一。由于轿车底盘/车身部件多为大型复杂、事关行车安全的结构受力件，若采用铝合金且用压铸方法生产则须应用(高)真空压铸技术。虽然国内对高真空压铸技术的开发和研究已有报道，但采用高真空压铸技术生产汽车零件的应用实例尚不多见，对于高真空压铸模的设计及其制造的应用案例也非常少，可借鉴的经验非常有限。广汽自主品牌轿车“传祺”基于轻量化的发展需求，在国内首次采用了压铸铝合金的底盘后副车架。由于副车架属于汽车中的结构安全件，力学性能要求高，对压铸技术提出了很大挑战。针对广汽“传祺”轿车的压铸铝合金后副车架，在国内首次设计制造了基于MFT(Minimum Filling Time)法的高真空压铸模，并成功实现了副车架的批量生产，满足了市场需求。01后副车架的结构特点“传祺”轿车底盘后副车架的结构见图1，外形尺寸为1 078 mmX367 mmX156mm，平均壁厚为4 mm，质量为6.3 kg。副车架材质为A1～Mg合金，其力学性能指标为铸件本体抗拉强度≥240 MPa，屈服强度≥145MPa，伸长率≥6％，属于高强度、高韧性、耐腐蚀的大型薄壁复杂零件。由于轿车底盘副车架是涉及轿车行驶安全的重要部件，对内外部缺陷的要求非常严格。该零件须经100％的x光及荧光检测，以确认内部及表面品质符合产品的技术要求。图1 后副车泉的外形尺寸简图02后副车架的压铸工艺设计及优化2.1内浇口截面积的计算内浇口的截面积是按照使金属液以一定的速度在预定的时间内充填型腔而得出，有如下经验，公式：

式中，A。为内浇口截面积，mm2；P为液态金属密度，g/cm3；口为内浇口处金属液的流速，m/slt为型腔的充填时间，s；G为通过内浇口的金属液质量(含溢流槽及排气槽)，g。设计中，铝液的密度取2.55 g/cm3，根据MFT法，设定型腔充填时间为0．04 s，内浇口速度设定为40m/s，后副车架质量为6.3 kg，溢流槽及排气槽的质量为1.8 kg。为此按照式(1)计算出内浇口截面的总面积约为1985mm2。2.1浇注系统设计及CAE分析根据后副车架压铸件的结构特，设计了两种浇注系统方案。方案l的内浇口分为5支(单边)，其中2支截面积最大的内浇口分别对准上下两个直径为≠60mm的轴孔，保证两个轴孔位置顺利充型。方案2的内浇口分为6支，一支截面积最大的内浇口对准铸件结构中的最复杂部位，保证该部位充填。冲头直径选择为130 mm，见图2。根据上述计算出的内浇口总截面积，可得出浇口比(浇口比定义为冲头截面积与铸件的内浇口总截面积之比)为6.7。

图3和图4分别为方案1、方案2的模拟计算结果。对于方案1：①浇注系统内浇道分为5段，该方案有两支主浇道，填充时间较短，但在充型过程中，下方直径为60mm的轴孔位置较4根针孔填充要晚，不符合顺序充型②两股主浇道在后副车架两端最复杂的结构处相汇合，由于该处壁薄且筋条多，容易产生冷隔及流痕缺陷。

对于方案2：①浇注系统横浇道分为6段，最大的一段对准结构最复杂的部位，最后填充最上方轴孔位置，符合真空压铸排气的要求；②后副车架结构对称，中间部位结构简单，两边复杂，壁厚不均匀，其充型过程表现出复杂多样的特点。具体表现为。从整体来看，金属液表现为顺序充填，较为平稳，但在个别区域则表现为反向充填。由于充型速度较快，金属液进入内浇口直接冲向对面型壁。同时，金属液是分多股进人型腔，在型腔某些部位金属液提前汇合，易包裹一定量气体形成气涡。但由于采用了高真空，可以暂不考虑卷气情况。对比两种方案，认为方案2的金属液流动形态更合理，更有利于真空压铸。同时，髓够保证复杂薄壁处合理充型，避免冷隔缺陷。因此，采用方案2进行模具设计，最终的副车架压铸工艺方案见图5。03后副车架的高真空压铸模设计图 5 副车策的压恃工艺方隶示意图高真空压铸模设计的难点在于模具的密封以及确保副车架压铸质量的模温控制。模具密封的难点在于分型面、顶杆以及冲头处的密封结构。而模温控制的难点在于模具中冷却通道的设置。通过采用Flow-3D对压铸循环过程中模具温度场的模拟，确定了对模具分区域进行测温及冷却水流量独立控制的方法。3.1 副车架压铸横的密封结构设计为确保模具的密封性能，采取了3层密封方法，见图6。第一层密封是环绕定模套板(也称模架)开设一密封槽，槽内装有15 mm线径的氟胶密封条。当模具合模时，动，定模套板在锁模力下贴合并压紧密封条，对型腔进行外缘密封。由于模架温度相对型腔镶块来说较低，而氟胶密封条的工作温度可达300℃。因此保证了密封条在高温下的使用寿命。图6 模具分型面上的密封设计第二层密封是设置抽真空隔离带，独立抽气。该隔离带是环绕定模镶块边缘开设一宽10 mm的缓冲气槽，缓冲气槽与抽气道相通，抽气道与外界真空系统连接。其作用在于，如果有气体经第一密封层漏进，漏进的气体首先进入缓冲气槽，经抽气道被真空系统抽走，有效防止了气体进入型腔。第三层密封是在镶块分形面设有裙边结构，采用斜面配合加强型腔的密闭。为防止外界气体经顶杆的配合间隙进入型腔，对顶杆使用图7中的组合密封件进行密封。该密封组件通过动模套板底部的顶杆密封板进行固定，密封组件盘架上设计有3组密封圈：①端面密封圈1可防止气体经盘架与动模套板之间的间隙进入型腔；②两组轴向密封圈4可防止气体经顶杆与盘架之间的间隙进入型腔。

对于冲头与压室之间的间隙，采取了类似活塞环的密封结构。3.2 密封效果的测试表1是模具密封测试的结果。可以看出，当抽真空时间达到1．5 s，测得平均真空度就可达93 kPa．最高可以达到99．5 kPa，说明这种模具密封结构效果很好，能达到高真空压铸所要求的真空度。

3.3 模具冷却结构设计大型复杂压铸模的温度控制对于正常生产及铸件质量的影响非常重要。对副车架压铸模进行了区域分割，在每一区域设置了一个热电偶测量该区域的实际温度，根据实际温度与模具设定温度的差异来控制冷却水阀的开度，即调节冷却水的流量来达到温度的精确控制，减少模温的波动。图8为模具中温度测量点及冷却水管的开设情况(图中FPlR～FP8R表示定模侧热电偶的位置；MPlL～MP6L表示动模侧热电偶的位置)。定模左侧设定了8个温度控制点，对应地采用8组冷却回路。动模左侧设定了6个温度控制点，对应地采用了6组冷却回路。每组冷却回路对应一个电磁阀，对其进行独立控制。图8 副车架的模温洲量厦冷却水管的布置示意围04压铸机的选型一般而言，压铸机的选择是根据锁模力及铸件胀型力的大小及压室充满度等来确定。4.1 胀型力的计算根据副车架的压铸工艺方案图，采用Pro/E三维造型软件计算可得到产品的投影面积为A1一155040mm2；浇注系统面积A2=38760mm2；料饼面各A3=Ⅱd/4=13273mm2; 冲头直径≠130 mm)；排溢系统面积A4=23 256mm2。因此，铸件的总投影面积为A=A-+Az+A3+A4=230 329 mm2。压射时增压比压Ph=70 MPa。胀型力F胀=PbzA=70 N／mm2×230 329 Ytlnl2=16123 030N取压铸机的安全系数K一0．85，则压铸机的锁模力F*=F&／K，代人上述数据可得：Fm一16123 030N／o．85=18 968．270 kN。4.2 压室充满度的核算因采用了高真空压铸，排气槽等的质量较大，实际的浇人金属液总质量为14．04 kg。模具的压室直径为130 mm，有效长度为870 mm，则压室的充满度可计算出为47．8％。对于冷室压铸机而言，一般要求压室充满度在40％～75％之间，因而上述压室的直径及长度选择是合理的。因副车架的长度超过1 000 mm，虽然从胀型力的角度可选择20 000 kN的压铸机，但由于模具尺寸偏大，实际中应选用锁模力大于25 000 kN的机型。05试模由于A1-Mg合金的铸造性能比较差。在试模过程中，发现铸件的尖角处出现裂纹，在采取加大圆角及模温控制后尖角处的裂纹消失。同时采取相应的措施解决了冷却水泄漏、粘模、冷隔、力学性能不稳定等缺陷，“传祺”轿车后副车架的压铸生产合格率稳定在85％以上。图9为传祺”的铝合金后剐车架压铸件。图9 “传祺”后副车泉压铸件06结论(1)设计并优化了后副车架的高真空压铸工艺方案，采用FLOW一3D数值模拟软件优化出了合理的浇注系统及排气／溢流系统。(2)设计了高真空压铸模的密封结构，对分型面、顶杆以及冲头处均实现了良好密封。现场测试结果表明，1 S内模具型腔真空度达到91 kPa以上。(3)模具冷却采用了分区域温度测量及冷却水流量独立调节的方法，提高了模具温度控制的精度。来源：第一压铸、希骥车身与附件

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