汽車懸掛支架壓鑄模具工藝分析

方圓 間德海 宋清和 王琳琳

摘要 文章通過(guò)討論汽車懸掛支架壓鑄模具的設(shè)計(jì)過(guò)程，解釋壓鑄模具開發(fā)的一般流程，即分析鑄件工藝合理性，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出多個(gè)設(shè)計(jì)方案，借助模擬分析軟件比較多個(gè)方案，確定最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，最終通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)壓鑄模具設(shè)計(jì)正確可靠。

關(guān)鍵詞 壓鑄模具;模擬分析;懸掛支架

中圖分類號(hào) TB333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）02-0071-03

0 前言

壓鑄簡(jiǎn)介壓力鑄造簡(jiǎn)稱壓鑄，是一種將熔融合金液倒入壓室內(nèi)，以高速充填鋼制模具的型腔，并使合金液在壓力下凝固而形成鑄件的鑄造方法。壓鑄區(qū)別于其他鑄造方法的主要特點(diǎn)是高壓和高速;金屬液是在壓力下填充型腔的，并在更高的壓力下結(jié)晶凝固，常見的壓力為15～100 MPa。金屬液以高速充填型腔，通常在10～

50 m/s，因此金屬液的充型時(shí)間極短，約0.01～0.2 s內(nèi)即可填滿型腔[1-3]。

壓鑄機(jī)、壓鑄合金與壓鑄模具是壓鑄生產(chǎn)的三大要素，缺一不可。所謂壓鑄工藝就是將這三大要素有機(jī)地加以綜合運(yùn)用，能穩(wěn)定地有節(jié)奏地和高效地生產(chǎn)出外觀、內(nèi)在質(zhì)量好的、尺寸符合圖樣或協(xié)議規(guī)定要求的合格鑄件，甚至優(yōu)質(zhì)鑄件。

該課題研究的項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛支架為內(nèi)部有筋的板狀結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金AlSi10MnMg，該材料具備優(yōu)良的流動(dòng)性和抵抗縮孔的能力，在成型后具有良好的抗拉強(qiáng)度和抵抗熱變形的能力;項(xiàng)目基本尺寸為（110×62×37）mm，平均壁厚4.3 mm。生產(chǎn)擬采用設(shè)備為臥式冷室900 t壓鑄機(jī);而壓鑄模是壓鑄生產(chǎn)三大要素之一，需要能夠正確選擇和調(diào)整各工藝參數(shù)，故模具設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是對(duì)壓鑄生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種因素預(yù)計(jì)的綜合反映。如若模具設(shè)計(jì)合理，則在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題少，鑄件下機(jī)合格率高。反之，模具設(shè)計(jì)不合理[4-5]。

1 壓鑄模具開發(fā)流程

首先壓鑄模具工程師根據(jù)產(chǎn)品工程師開發(fā)出新產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品壓鑄工藝分析，明確沒有倒出模斜度，防止產(chǎn)品扣模，利用軟件檢測(cè)該懸掛支架模型的平均壁厚為4.3 mm，進(jìn)而估算出零件的凝固時(shí)間和澆口平均厚度;通過(guò)三維軟件求算鑄件模型局部熱節(jié)最大厚度，估算零件凝固時(shí)間;確定零件開模的可行性，以簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，降低成本。

其次計(jì)算投影面積，該項(xiàng)目單件總投影面積為350 cm2，在確認(rèn)模具可以具體開模后，結(jié)合壓鑄的具體要求選擇臥式冷室900 t壓鑄設(shè)備，并根據(jù)零件結(jié)構(gòu)確定產(chǎn)品主分型面。

再次設(shè)計(jì)多個(gè)澆注方案設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定最優(yōu)方案，依據(jù)最優(yōu)方案設(shè)計(jì)壓鑄模具。

制造壓鑄模具并采購(gòu)相關(guān)壓鑄模具的零件和部件;壓鑄模具做好完成后檢查模具，如：運(yùn)水、安全制、行位、鎖模片等一系列工作。合格后上機(jī)試模，模具工程師、產(chǎn)品工程師以及模廠人員到場(chǎng)，在試模過(guò)程中出現(xiàn)的各種問題盡可能在機(jī)臺(tái)上面解決，如無(wú)法在機(jī)臺(tái)上解決就要求下模，待解決后再安排試模。

在拿到試模樣板后，壓鑄模具工程師安排零件量數(shù)，產(chǎn)品工程師向下序流轉(zhuǎn)將并檢測(cè)。討論總結(jié)第一次試模時(shí)所存在的問題，討論解決方案。在確認(rèn)方案后，模廠開始改模。直至試模合格的零件，裝出合格的樣機(jī)。

零件生產(chǎn)合格后，將模具設(shè)計(jì)說(shuō)明書和壓鑄生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)書完善并歸檔。

2 壓鑄模具工藝方案討論

該課題的模具澆注系統(tǒng)開發(fā)有多種方案，從生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量可區(qū)別為一模三件（圖1、2）和一模兩件（圖3、4），其中圖1為一模三件流道圓周分布，而圖2而一模三件流道等長(zhǎng)度同向布置。

由于該項(xiàng)目為安全件，要求鑄件內(nèi)部組織致密，鑄件的設(shè)計(jì)壓射比壓為80 Mp，一模三件與澆注系統(tǒng)的投影面積之和已經(jīng)大于1 200 cm2-，采用計(jì)劃的900 t壓鑄機(jī)不能滿足鎖模力需求，如果在該設(shè)備上壓鑄生產(chǎn)，將導(dǎo)致噴?，F(xiàn)象的發(fā)生，故一模三件的設(shè)計(jì)方案不合理。

討論在一模兩件的設(shè)計(jì)方案，鑄件與澆道的投影面積之和估算為900 cm2左右，其基本的澆道結(jié)構(gòu)有兩種情形，即一模兩件半包圍澆道結(jié)構(gòu)（圖3）和一模兩件單側(cè)填充結(jié)構(gòu)（圖4），針對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)需要以及模擬分析軟件具體的分析計(jì)算。

借助模擬分析軟件可知，一模兩件包圍澆道壓射過(guò)程中，壓射錘頭在二級(jí)壓射高速推進(jìn)中左右兩側(cè)的澆口快速進(jìn)入模具型腔，將部分空氣包裹在下方兩個(gè)螺栓孔內(nèi)部，導(dǎo)致鑄件螺栓內(nèi)部氣孔多，該缺陷不能滿足零件的靜強(qiáng)度以及疲勞實(shí)驗(yàn)的要求。

在模擬分析一模兩件單側(cè)澆道結(jié)構(gòu)（如圖5）可以看到，鋁液順序推進(jìn)，在第0.25 s平穩(wěn)的進(jìn)入兩個(gè)型腔內(nèi)澆口，在此位置高壓壓射開始動(dòng)作，0.10 s后鋁液順序通過(guò)鑄件型腔到達(dá)末端3個(gè)螺栓孔位置，并繞過(guò)螺栓孔型芯最后進(jìn)入渣包，同時(shí)將模具內(nèi)部的空氣從澆道對(duì)側(cè)的渣包排出，產(chǎn)生良好的鑄件質(zhì)量。

通過(guò)方案對(duì)比和數(shù)據(jù)分析可知，采用一模兩件單側(cè)澆注的技術(shù)方案較為合理。

3 壓鑄模具設(shè)計(jì)與制造要點(diǎn)

3.1 根據(jù)壓鑄機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行模具的總布置設(shè)計(jì)

在總布置設(shè)計(jì)中確定壓射位置及沖頭直徑，壓射位置的確定要保證壓鑄件位于壓鑄機(jī)型板的中心位置，而且壓鑄機(jī)的四根拉桿不能與抽芯機(jī)構(gòu)互相干涉，壓射位置關(guān)系到壓鑄件能否順利地從型腔中頂出，沖頭直徑則直接影響壓射比的大小，并由此影響到壓鑄模具所需的鎖模力的大小，因此確定好這兩個(gè)參數(shù)是設(shè)計(jì)開始的第一步[6]。

3.2 設(shè)計(jì)成形鑲塊、型芯

主要考慮成形鑲塊的強(qiáng)度、剛度，封料面的尺寸、鑲塊之間的拼接、推桿和冷卻點(diǎn)的布置等，這些元素的合理搭配是保證模具壽命的基本要求。對(duì)于大型模具來(lái)說(shuō)尤其要考慮易損部位的鑲拼和封料面的配合方式，這是防止模具早期損壞和壓鑄過(guò)程中跑鋁的關(guān)鍵，也是大模具排氣及模具加工工藝性的需要。

3.3 設(shè)計(jì)模架

中小型壓鑄模具可以直接選用標(biāo)準(zhǔn)模架，大型模具必須對(duì)模架的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，防止壓鑄過(guò)程中因模架彈性變形而影響壓鑄件的尺寸精度。

考慮模架工作過(guò)程中受熱膨脹對(duì)滑動(dòng)間隙的影響，根據(jù)模具的大小及受熱情況選用。抽芯機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，這個(gè)因素直接影響壓鑄模具的連續(xù)工作的可靠性，優(yōu)良的潤(rùn)滑系統(tǒng)是提高壓鑄勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要環(huán)節(jié)。

3.4 加熱與冷卻通道的布置及熱平衡元件的選用

由于高溫液體在高壓下高速進(jìn)入模具型腔，帶給模具鑲塊大量的熱量，帶走這些熱量是設(shè)計(jì)模具時(shí)必須考慮的問題，特別是大型壓鑄模具，熱平衡系統(tǒng)直接影響著壓鑄件的尺寸和內(nèi)部質(zhì)量。

3.5 設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)

推出機(jī)構(gòu)可分為機(jī)械推出和液壓推出兩種形式，機(jī)械推出是利用設(shè)備自身的推出機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)推出動(dòng)作，液壓推出是利用模具自身配備的液壓缸實(shí)現(xiàn)推出動(dòng)作。設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵是盡量使推出合力的中心與脫型合力的中心同心，推出機(jī)構(gòu)要具有良好的推出導(dǎo)向性、剛性及可靠的工作穩(wěn)定性。大型模具推出機(jī)構(gòu)的重量大，推出機(jī)構(gòu)的元件與型框間因?yàn)槟＞咦灾囟雇茥U偏斜，出現(xiàn)推出卡滯現(xiàn)象，同時(shí)模具受熱膨脹對(duì)推出機(jī)構(gòu)的影響也特別大，故推出元件與?？蜷g的定位及推板導(dǎo)柱的固定位置是極其重要的，模具的推板導(dǎo)柱要固定在動(dòng)模板上，把模板、墊鐵及模框間用直徑較大的圓銷或方鍵定位，最大限度地消除熱膨脹對(duì)推出機(jī)構(gòu)的影響，同時(shí)在設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)時(shí)注意元件間的潤(rùn)滑。

3.6 導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在整個(gè)模具結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)是對(duì)模具運(yùn)行穩(wěn)定性影響最大的因素，也直接影響到壓鑄件的尺寸精度。模具的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要包括：合模導(dǎo)向、抽芯導(dǎo)向、推出導(dǎo)向，導(dǎo)向元件要采用的材料確保減磨和抗磨的作用，同時(shí)良好的潤(rùn)滑也是必不可少的，每個(gè)摩擦副間都要設(shè)置必要的潤(rùn)滑油路。大型滑塊的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)一般采用銅質(zhì)導(dǎo)套和硬質(zhì)導(dǎo)柱的導(dǎo)向形式，配合以良好的定位形式，確?；瑝K運(yùn)行平穩(wěn)，準(zhǔn)確到位。

模具定位機(jī)構(gòu)主要包括：動(dòng)靜型間的定位、推出復(fù)位定位、成形滑塊及滑塊座間的定位、型架推出部分與型框間的定位等。動(dòng)靜型間的定位是一種活動(dòng)性質(zhì)的定位，配合的準(zhǔn)確性要求更高，模具采用的定位機(jī)構(gòu)需要消除熱膨脹對(duì)模具定位精度的影響，元件間的定位可以采用圓銷和方鍵定位。

3.7 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是密封形式的設(shè)計(jì)，要使模具成形部分之間在正常模具工作溫度下保持良好的密封性，一般采用硅橡膠密封。

4 試模生產(chǎn)與產(chǎn)品檢驗(yàn)

壓鑄模設(shè)計(jì)制造驗(yàn)收合格后實(shí)踐生產(chǎn)，該項(xiàng)目的壓鑄機(jī)器使用臥式冷室900 t設(shè)備，設(shè)備編號(hào)ZDC900—7，生產(chǎn)過(guò)程中澆注鋁液質(zhì)量3.6 kg，模具預(yù)熱溫度120 ℃，整體水冷卻。生產(chǎn)出的零件如圖6，鑄件整體外觀沒有裂紋、欠鑄等缺陷，表面留痕符合要求，表面整體質(zhì)量良好。

5 結(jié)論

（1）輕量化壓鑄模具的開發(fā)需要前期策劃、模擬分析，提出多個(gè)方案并擇優(yōu)落實(shí)。

（2）運(yùn)用CAE技術(shù)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛支架的澆鑄系統(tǒng)，合理布局澆道、渣包和排氣系統(tǒng)，不僅能保證鑄件的質(zhì)量，同時(shí)縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

（3）為檢驗(yàn)輕量化模具開發(fā)的正確性，在樣品生產(chǎn)后必須進(jìn)行尺寸、材料和性能的驗(yàn)證，驗(yàn)證項(xiàng)目包括外部質(zhì)量和內(nèi)部孔隙度以及疲勞實(shí)驗(yàn)等。

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