鋁合金汽車控制臂的低壓鑄造工藝研究

杜德喜，于寧

（中信戴卡股份有限公司，秦皇島066011）

鋁合金汽車控制臂的低壓鑄造工藝研究

杜德喜，于寧

（中信戴卡股份有限公司，秦皇島066011）

控制臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的安全件，在現(xiàn)有鋁合金控制臂的造型基礎(chǔ)上進(jìn)行低壓鑄造工藝的研究，目的在于獲得理想的鑄件力學(xué)性能等的同時(shí)，降低原有鍛造控制臂的制造成本。通過工藝分析設(shè)計(jì)了澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)進(jìn)行了控制臂低壓鑄造模擬研究，摸索出了低壓鑄造工藝參數(shù)。實(shí)踐證明，按此工藝方案低壓鑄造的鋁合金控制臂完全滿足客戶對(duì)質(zhì)量的要求，有助于為鋁合金件汽車控制臂的低壓鑄造的批量生產(chǎn)提供工藝探索和鋪墊。

低壓鑄造；控制臂；鑄造模擬

0 前言

隨著汽車工業(yè)的輕量化發(fā)展趨勢(shì)的要求日益提高，以“鋁”代“鐵”的結(jié)構(gòu)件在汽車零部件上的應(yīng)用越來越廣泛[1]。其中，控制臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其要求性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高。在鋁合金控制臂成形工藝選擇上，為提高生產(chǎn)效率，傳統(tǒng)方法采用鍛造成形工藝，但鍛造設(shè)備投資過大、成本較高，這對(duì)于該零件輕量化推廣范圍帶來局限。為進(jìn)一步減輕整車重量且降低鋁合金零件生產(chǎn)成本，同時(shí)注重鋁合金零件性能保障，對(duì)控制臂進(jìn)行低壓鑄造成形工藝研究。

本文研究對(duì)象是國(guó)內(nèi)某汽車廠使用的鍛造鋁合金控制臂零件，通過系統(tǒng)地分析和研究，設(shè)計(jì)出了鋁合金控制臂低壓鑄造成形工藝，并按照此工藝方案執(zhí)行，生產(chǎn)出了符合質(zhì)量要求的鋁合金控制臂。

1 工藝分析

汽車控制臂是二維空間尺寸大的零件，其開模方向只能遵從橫向上下開模的設(shè)計(jì)，這在低壓工藝中鋁液充型上不利于形成順序凝固梯度[2]。再加上零件壁厚最厚處45mm，最薄處近5mm，零件在脫模取件過程中極易變形。為此，合理地劃分鑄件上下開模后，分型線的設(shè)計(jì)需要考慮拔模角度以及模具排氣和飛邊的合理控制，避免出現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)合模不嚴(yán)、跑鋁等現(xiàn)象?？刂票鄣蛪鸿T造零件開模示意圖。如圖1所示，

圖1 控制臂低壓鑄造零件開模示意圖

2 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 澆冒口的設(shè)計(jì)

本文低壓鑄造控制臂的冒口設(shè)計(jì)是以保證低壓充型后能順序凝固并使鑄件獲得充分補(bǔ)縮為前提，本文研究的控制臂壁厚不均勻分布且在鑄件中心處壁厚極薄難于補(bǔ)縮。為縮短補(bǔ)縮流程，故在控制臂底部中心最薄位置設(shè)置澆冒合一的冒口，更利于順序凝固下補(bǔ)縮的溫度場(chǎng)的建立[3]，如圖2所示。

圖2 中心交冒口設(shè)計(jì)示意圖

2.2 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

依據(jù)控制臂的造型特點(diǎn)，水平尺寸延展大，垂直方向高度落差小，在確定了中心澆冒口方案后，利用低壓鑄造底部充型平穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)，將模具設(shè)計(jì)為上下開合模方向，見圖3。考慮到控制臂是非對(duì)稱件，且鑄件各部位壁厚情況，在壁厚（鑄件壁厚≥20mm）處設(shè)計(jì)了10個(gè)頂桿，便于開模取件時(shí)在頂模的10個(gè)頂桿順利頂出鑄件。此外，在鑄件壁?。ㄨT件壁厚≤8mm）處設(shè)計(jì)了頂模9個(gè)排氣塞，便于低壓充型時(shí)模具型腔內(nèi)的氣體順利排出，同時(shí)也可以避免壁薄處鑄件澆不足的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.3 鑄造過程冷卻工藝的設(shè)計(jì)

在正式模具制作之前，利用鑄造模擬軟件對(duì)鑄件的充型過程、凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以便優(yōu)化和確定模具及工藝方案。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)的鑄造工藝參數(shù)如下：澆注溫度為720℃，模具材料為H13鋼，模具初始溫度為400℃。圖4為模具冷卻設(shè)計(jì)示意圖，具體冷卻參數(shù)見表1。鑄造壓力曲線見圖5。

圖4 模具冷卻設(shè)計(jì)示意圖

表1 冷卻系統(tǒng)參數(shù)

圖5 壓力曲線

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

圖6為低壓鑄造充型后的溫度場(chǎng)?？梢钥闯?，控制壁鑄件的凝固溫度場(chǎng)建立了由外及內(nèi)溫度梯度，建立了順序凝固梯度的方向。圖7為低壓鑄造凝固過程的固相率，鑄件凝固過程由外至內(nèi)順序凝固。圖8為低壓鑄造凝固過程的孔隙率，在判據(jù)porosity＞10%下縮松缺陷基本消除[4]，說明此方案可行。

圖6 低壓鑄造充型后的溫度場(chǎng)

圖7 低壓鑄造凝固過程的固相率

圖8 低壓鑄造凝固過程的孔隙率

4 生產(chǎn)結(jié)果

4.1 控制臂試制

按照上述方案設(shè)計(jì)模具，見圖9。根據(jù)鑄造模擬結(jié)果的參考工藝對(duì)鋁合金控制臂進(jìn)行了首次試制，實(shí)際工況下工藝與模擬工藝基本吻合。圖10為低壓鑄造鋁合金控制臂鑄件。

圖9 控制臂低壓鑄造模具

圖10 低壓鑄造鋁合金控制臂鑄件

4.2 質(zhì)量檢測(cè)

鑄件內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)過X光檢查符合客戶的要求，尤其是鑄件局部壁厚較薄的位置X光質(zhì)量達(dá)到了一級(jí)水平。

本文控制臂鋁合金鑄件采用了T6熱處理工藝：固溶溫度540℃+500min，淬火水溫50℃，時(shí)效溫度170℃+400min。后經(jīng)過T6熱處理后，控制臂材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)符合客戶要求，具備批量生產(chǎn)的工藝條件，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 控制臂熱處理后材料力學(xué)性能結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

對(duì)鋁合金汽車控制臂的低壓鑄造工藝進(jìn)行了研究，通過鑄造模擬分析確認(rèn)了低壓鑄造澆注系統(tǒng)、模具冷卻等工藝參數(shù)，實(shí)踐證明過程工況下工藝與模擬結(jié)果基本吻合，控制臂鑄件的內(nèi)在質(zhì)量也符合客戶的要求，具備了批量生產(chǎn)鋁合金汽車控制臂的低壓鑄造工藝的條件。

[l]鐘奇，施毅，劉博.鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用[J]．新材料產(chǎn)業(yè)，2015（2）:23-27

[2]李弘英，趙成志.鑄造工藝設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[3]董秀琦．低壓及差壓鑄造理論與實(shí)踐[M].兵器工業(yè)出版社，1995

[4]岳鵬飛，羅曉東，方川，唐北平，馬東宇.基于臺(tái)架試驗(yàn)和CAE的鋁合金控制臂開發(fā)研究[J].汽車技術(shù), 2015（9）:26-29

Research on Low Pressure Casting Process for Automotive Aluminum Alloy Control Arm

DU De-xi,YU Ning
（Dicastal Stock Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066011,China）

After analyzing and designing the casting system and mold structure,it was focused on low pressure casting simulation re?search for control arm,and process parameters were groped.The results show that low pressure casting aluminum control arm will completely satisfy customer requirements for quality according to the process,and will contribute to low pressure casting mass pro?duction process research and preparation for aluminum control arm.

low pressure die casting;control arm;casting simulation

TG249.2+8

B

1005-4898(2017)03-0017-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.04

杜德喜（1981－），男，山東日照人，碩士研究生，工程師。

2017－03－17