汽车铝合金中空副车架低压铸造模设计

郑敏，周兴贤，金海威，贾永闯，刘永跃

（宁波合力科技股份有限公司，浙江 宁波315700）

0 引 言

随着能源和环境问题成为人类关注的焦点，汽车轻量化是实现节能减排的有效途径。副车架作为支撑前后车桥、悬挂的支架，一般采用钢板冲压焊接而成，若改成铝合金材质，可以减轻车身的质量。国内外主机厂在中高端车型上已使用铝合金副车架，轻量化效果显著。为了能更好地达到副车架的力学性能，铝合金副车架常采用低压铸造工艺成型。

1 铸件工艺分析

中空副车架的外形尺寸为1 161 mm×877 mm×310 mm，基本壁厚为4 mm，重约19 kg，材质为ALSi7Mg-T6。相对重力铸造，低压铸造在压力下凝固结晶，更能获得组织致密、力学性能较好的铸件[1]，适合生产此类大型薄壁零件。

1.1 分模方向分析

根据副车架的形状分析，为上、下分模，分模后发现一半形状复杂，另一半较平整。根据低压铸造工艺，需要将铸件留在上模，由上顶板推出后取件。故形状复杂面设置在上模，平整面设置在下模，如图1所示。

图1 副车架

1.2 砂芯芯头设计

此款副车架只有一个砂芯形成，根据铸件的出砂口，将其芯头引出，需考虑砂芯底平面的定位，防止变形和保证其稳定性，将四面的芯头各连成一体，在左右方向进行定位，在底面4个出砂口底平面设计平面支撑，铸件上平面出砂口芯头不定位，只在高度方向设置定位和砂芯排气的出气口通道。

1.3 浇注系统设计

考虑铸件体积大且壁厚薄、热节多而分散的特点，设计了多浇口浇注，在每条横浇道上针对厚大筋产生的热节处开设了内浇口进行补缩；浇口补缩不到的厚大凸台处，增设保温冒口进行补缩。浇注系统完成后，通过CAE仿真软件分析并优化，仿真缩松结果如图2所示。对于CAE仿真难以避免的热节，可以通过后期的补压、强冷的方式解决。

图2 缩松模拟分析

1.4 冷却系统设计

4个圆轴和安装螺钉孔区域均为直接受力部位，力学性能要求高，厚大区域若没有合理的冷却或补缩，会产生缩松或热裂。铸件基本壁厚为4 mm，依靠模具自身散热会较快凝固，浇口位置的厚大区域在充型完成后进行强行激冷，保证从远离浇口的位置到浇口处形成先后凝固的顺序[2]。模具采用水冷却的方式，模具结构如图3所示。

图3 模具结构

1.5 排气系统设计

由于低压铸造金属型腔基本是封闭的，排气是否通畅影响金属液充型过程及铸件成型质量。在铸件最后的充型区域，筋的顶面和暗冒口部位均需设置排气，可以在镶件和推杆上开设排气槽，采取加排气塞的方式[3]。

除了模具型腔内的排气，砂芯的排气也重要。首先砂芯需要进行烘干处理，减少砂芯的发气，在砂芯头部位布置排气塞，上模芯头处增设负压抽气，加强砂芯的排气。

1.6 加热系统设计

副车架体积大且壁厚薄，虽布置了多浇口，但铸件形状高低落差大。从模流分析缩松结果看，铸件最高处缺陷呈现散状分布，主要原因是最高端部位处于充型的最末端，金属液因流动过长，温度下降，出现了冷隔现象。基于该问题，通过改变外部环境，即提高金属液温度和模温以提升金属液的充型能力，解决冷隔和浇注不足的问题。在模具上模背面对应处增加煤气加热管与防护板，保护周边的冷却管路和推杆，以防推杆被烤弯，如图4所示。

图4 煤气加热管布置

2 低压铸造过程

模具为上下两开模的结构，上、下模的材料均采用热作模具钢，如H13。其工作过程：在密封的坩埚炉中通入干燥的空气，熔融金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，再进行增压、保压、泄压后，上下开模，铸件带到上模，接件盘转入，由推板将铸件推出至接件盘中，接件盘移出，完成一个工作循环[4]。根据铸件特点，金属液温度控制在720～730℃，模具温度控制在350～400℃。

3 结束语

经过生产实践，使用多浇口的浇注系统，能保证浇注过程平稳，通过煤气加热的方式使铸件生产合格率稳定在92%以上，对于大型薄壁且高低落差大的中空副车架成型的合格率，提高其局部模温的效果显著。