鄭敏,周興賢,金海威,賈永闖,劉永躍
(寧波合力科技股份有限公司,浙江 寧波315700)
隨著能源和環(huán)境問題成為人類關(guān)注的焦點,汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。副車架作為支撐前后車橋、懸掛的支架,一般采用鋼板沖壓焊接而成,若改成鋁合金材質(zhì),可以減輕車身的質(zhì)量。國內(nèi)外主機廠在中高端車型上已使用鋁合金副車架,輕量化效果顯著。為了能更好地達到副車架的力學(xué)性能,鋁合金副車架常采用低壓鑄造工藝成型。
中空副車架的外形尺寸為1 161 mm×877 mm×310 mm,基本壁厚為4 mm,重約19 kg,材質(zhì)為ALSi7Mg-T6。相對重力鑄造,低壓鑄造在壓力下凝固結(jié)晶,更能獲得組織致密、力學(xué)性能較好的鑄件[1],適合生產(chǎn)此類大型薄壁零件。
根據(jù)副車架的形狀分析,為上、下分模,分模后發(fā)現(xiàn)一半形狀復(fù)雜,另一半較平整。根據(jù)低壓鑄造工藝,需要將鑄件留在上模,由上頂板推出后取件。故形狀復(fù)雜面設(shè)置在上模,平整面設(shè)置在下模,如圖1所示。
圖1 副車架
此款副車架只有一個砂芯形成,根據(jù)鑄件的出砂口,將其芯頭引出,需考慮砂芯底平面的定位,防止變形和保證其穩(wěn)定性,將四面的芯頭各連成一體,在左右方向進行定位,在底面4個出砂口底平面設(shè)計平面支撐,鑄件上平面出砂口芯頭不定位,只在高度方向設(shè)置定位和砂芯排氣的出氣口通道。
考慮鑄件體積大且壁厚薄、熱節(jié)多而分散的特點,設(shè)計了多澆口澆注,在每條橫澆道上針對厚大筋產(chǎn)生的熱節(jié)處開設(shè)了內(nèi)澆口進行補縮;澆口補縮不到的厚大凸臺處,增設(shè)保溫冒口進行補縮。澆注系統(tǒng)完成后,通過CAE仿真軟件分析并優(yōu)化,仿真縮松結(jié)果如圖2所示。對于CAE仿真難以避免的熱節(jié),可以通過后期的補壓、強冷的方式解決。
圖2 縮松模擬分析
4個圓軸和安裝螺釘孔區(qū)域均為直接受力部位,力學(xué)性能要求高,厚大區(qū)域若沒有合理的冷卻或補縮,會產(chǎn)生縮松或熱裂。鑄件基本壁厚為4 mm,依靠模具自身散熱會較快凝固,澆口位置的厚大區(qū)域在充型完成后進行強行激冷,保證從遠離澆口的位置到澆口處形成先后凝固的順序[2]。模具采用水冷卻的方式,模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 模具結(jié)構(gòu)
由于低壓鑄造金屬型腔基本是封閉的,排氣是否通暢影響金屬液充型過程及鑄件成型質(zhì)量。在鑄件最后的充型區(qū)域,筋的頂面和暗冒口部位均需設(shè)置排氣,可以在鑲件和推桿上開設(shè)排氣槽,采取加排氣塞的方式[3]。
除了模具型腔內(nèi)的排氣,砂芯的排氣也重要。首先砂芯需要進行烘干處理,減少砂芯的發(fā)氣,在砂芯頭部位布置排氣塞,上模芯頭處增設(shè)負壓抽氣,加強砂芯的排氣。
副車架體積大且壁厚薄,雖布置了多澆口,但鑄件形狀高低落差大。從模流分析縮松結(jié)果看,鑄件最高處缺陷呈現(xiàn)散狀分布,主要原因是最高端部位處于充型的最末端,金屬液因流動過長,溫度下降,出現(xiàn)了冷隔現(xiàn)象?;谠搯栴},通過改變外部環(huán)境,即提高金屬液溫度和模溫以提升金屬液的充型能力,解決冷隔和澆注不足的問題。在模具上模背面對應(yīng)處增加煤氣加熱管與防護板,保護周邊的冷卻管路和推桿,以防推桿被烤彎,如圖4所示。
圖4 煤氣加熱管布置
模具為上下兩開模的結(jié)構(gòu),上、下模的材料均采用熱作模具鋼,如H13。其工作過程:在密封的坩堝爐中通入干燥的空氣,熔融金屬液在氣體壓力的作用下,沿升液管上升,通過澆口平穩(wěn)地進入型腔,再進行增壓、保壓、泄壓后,上下開模,鑄件帶到上模,接件盤轉(zhuǎn)入,由推板將鑄件推出至接件盤中,接件盤移出,完成一個工作循環(huán)[4]。根據(jù)鑄件特點,金屬液溫度控制在720~730℃,模具溫度控制在350~400℃。
經(jīng)過生產(chǎn)實踐,使用多澆口的澆注系統(tǒng),能保證澆注過程平穩(wěn),通過煤氣加熱的方式使鑄件生產(chǎn)合格率穩(wěn)定在92%以上,對于大型薄壁且高低落差大的中空副車架成型的合格率,提高其局部模溫的效果顯著。