汽车变速箱悬挂端盖的压铸模具设计

徐善状发表于2024/11/19 16:19:30 铝合金变速箱工艺改革

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原标题：助力汽车轻量化！铝合金变速箱悬挂端盖压铸模具设计

由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为汽车行业发展的趋势。某汽车变速箱悬挂端盖，原生产方式为铝合金重力铸造，受浇注工艺制约，其基本壁厚为15mm, 外形粗糙，难以对各个特征数据进行精确控制，而装配特征需进行机械加工保证，导致产量低，零件单件费用高。为了满足汽车轻量化、提高生产效率、降低成本等要求，对其工艺进行改革，采用压铸方式进行生产。

采用压铸工艺后，零件壁厚减小为5mm, 结构强度不变，后续机加工工序余量小，生产效率提高，成本显著降低，尺寸控制精度高，但是由于其高速、高压的充型模式，使得充填时气体极易卷入，导致气孔及氧化夹杂物存在。该零件基本壁厚为5mm, 轮廓尺寸为194mm×190mm×72mm, 零件质量为770g。零件要求：尺寸公差为±0.1mm, 表面无任何缺陷，允许的缩松密度标准参照VW50093-5%-Ф2。对于大型模具，由于导柱导套布置在模具的边缘距中心较大，在动静模受热条件不同时，其膨胀量有差异。要求静载荷8kN压力试验72h, 零件无裂纹、断裂、塑性变形；模拟装配环境，冲击载荷为20kN时，零件无裂纹、断裂、塑性变形，冲击次数为36次。

图文结果

零件形状及结构见图1。该零件尺寸要求级别高，因此在保证模具加工准确的情况下，必须将零件成形阶段顶出时的变形、零件自身收缩变形、零件收缩率等加以考虑，在前期设计过程中准确判断并提前预防，避免后期尺寸无法达到要求。针对零件外观要求，需确保不出现冲料、拉伤等压铸缺陷。孔隙率标准要求极为严格，如果孔隙率无法达到预期，零件强度试验将无法通过。在保证孔隙率的前提下，需对零件气孔、缩松位置进行准确控制，避免缩松位置及气孔出现在结构连接关键节点，从而对零件整体性能产生极大的影响，使得零件冲击试验无法成功。悬挂端盖在三点固定的情况下，受力方向为侧偏8.24°,固定位置见图2,受力方向及角度见图3。可以看出，零件固定点3受力远高于固定点1,固定点3附近在X光探伤及CT检验时不允许有任何气孔、缩孔，切片检验时不允许有晶粒粗大情况。

图1 零件形状及基本结构

图2 悬挂端盖固定点

图3 悬挂端盖受力面及角度

经过方案研讨后，确定模具设计初步方案为：①保证零件充填时各区域合理配置，排气顺畅，尽可能减少气体的卷入；②考虑零件特殊要求，浇排系统需设置在固定点3附近，确保此区域优先填充，同时流道的增压压力传导效果会保证此区域致密性；③由于压铸机的压射缸直径一定，采用小的活塞时，所产生的压力更高，采用直径为70mm的活塞，尽可能增大压铸机增压效果；④压铸机增压效果提升后对锁模力要求更高，为了避免模具在生产时锁模力不足以抵消模具热膨胀及涨型力不均匀导致的飞料现象，在设计时需考虑热平衡与力平衡。热平衡要求模具在批量生产时各区域温度趋于一致，避免各区域温差过大造成膨胀不均，确保静态合模时各配合面接触良好；力平衡要求模具在动态压铸时各区域涨型力趋于一致，避免模具单边受力，使分型面轻微偏斜，造成飞料。

图4 浇排系统正面

表1 浇排系统参数

图5 上模水路排布轴侧图

上模水路排布采用侧面环形冷却+水井结构，共同形成针对零件形状的简易随形冷却，同时借助环形冷却管路，在厚大的渣包区域设置针对性的水井用于控制热量，确保上模各区域热量均衡；水路1采用环形冷却分层设计+水井结构，进水先行冷却主流道，通过水井分别冷却各个分流道；水路2采用环形冷却+水井结构，冷却零件侧面，避免浇口直接冲击导致龟裂、冲料等压铸缺陷；水路3起冷却零件后半段的作用，由于零件有形状高低，所以增加冷却水井，确保零件冷却均匀。环形冷却受加工限制，无法确保所有区域都达到良好的温控效果，在环形冷却无法涉及到的区域，增加了高压点冷，补充冷却。下模冷却系统设计见图6。

图6 下模水路排布图轴侧图

图7 浇注系统调整示意图

表2 压铸机及模具浇排系统参数

图8 充型过程模拟图

铸件材质为AlSi12Cu1Fe, 浇注温度为660 ℃,模具材质为SKD61,预热温度为120 ℃,工作温度为200℃。活塞直径为70mm, 低速速度为0.38m/s, 高速速度为2.98m/s, 水冷却进口温度为25℃。模具按此设计进行试模。后续机加工及抛丸后对零件进行检验，尺寸确认合格，零件表面无缺陷，在使用CT设备及X光探伤检测时,零件部分区域气孔超过规定要求，气孔主要位置见图9和图10。由于此处为浇口位置，压铸机行程前后会造成较大的影响，根据与现场进行沟通，整压铸工艺后，孔隙率有改善，但仍无法满足要求，见图11。

图9 零件气孔区域位置

图10 零件气孔区域位置示意图

图11 零件气孔区域位置特写

根据检测结果同时结合现场情况，讨论分析认为主要存在以下问题。

（1）进料口直接冲击模具型芯压铸时发现型芯有粘铝现象，零件出现拉伤，孔部尺寸不符合要求，所以压铸时降低了压射速度和压射压力。进料口冲击型芯模拟见图12。

（2）出现浇不足X光探伤显示，缩松及缩孔位置为模具型芯背面区域，模流分析也显示模具型芯阻挡了铝液的流动，使其背面区域出现了明显的浇不足，可能导致了缩松及缩孔形成，型芯阻挡铝液流动情况模拟见图13。

（3）致密度无法保证该零件此处壁厚超过15mm, 零件结构上的填充死角导致卷气，即使在浇口侧，压铸机增压效果仍无法保证此处的致密度。

（4）形成缩孔此区域为零件壁厚最厚区域，可能是内部冷却不完善,使得零件侧壁冷却后内部继续冷却收缩，形成缩孔。根据模流分析结果显示，此区域确实为最后冷却区域。分析结果见图14。

图12 进料口直接冲击型芯模拟

图13 型芯阻挡铝液流动模拟

图14 模流分析冷却顺序

图15 挤压销工作状态

图16 挤压销结构

以上方案调整后采用模流分析验证，验证结果见图17。模拟分析结果显示，工艺修改后，铸件凝固过程的液相分布更加合理，产生缩孔缺陷的几率显著降低。但是，一些厚大部位的缩孔缺陷倾向仍较高(见图17)。因此，在后续压铸生产时，加快冷却水流速，冷却循环增加冷却塔，控制冷却水水温。随后再次试模，试模时采取以下措施，确保实际生产尽可能接近模拟效果：①严格控制生产工艺，铝液冲击型芯的问题解决后，压铸机快慢压射参数要符合模拟结果，仅根据现场情况进行微调；②对冷却较慢区域的点冷单独做总成控制，严格控制流入水温，同时增大这些区域的水流量；③压铸机配套挤压销结构，压铸时采用局部挤压技术。