摘　要　一體化壓鑄車身件是當(dāng)前汽車制造發(fā)展中一個重大變革和技術(shù)跨越，該技術(shù)工藝突破傳統(tǒng)的汽車制造工藝，能夠有效降低汽車制造成本、提升汽車?yán)m(xù)航能力以及提高汽車安全性能等。針對一體化前艙壓鑄項(xiàng)目產(chǎn)品尺寸大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有較高的力學(xué)性能和多種連接方式要求，行業(yè)內(nèi)缺少一體化壓鑄技術(shù)和開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，壓鑄工藝和模具方案需要解決產(chǎn)品填充凝固和控制變形等難題。研究了一體化前艙項(xiàng)目開發(fā)及應(yīng)用案例，根據(jù)客戶圖紙、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，識別壓鑄工藝難點(diǎn)和風(fēng)險點(diǎn)，通過仿真對比分析和工藝參數(shù)設(shè)計，輸出壓鑄模具方案和設(shè)備匹配方案。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，成功規(guī)避了仿真分析識別的風(fēng)險問題，產(chǎn)品本體的平均伸長率達(dá)8.9%，內(nèi)部質(zhì)量和整體輪廓尺寸結(jié)果均能滿足客戶要求。 

關(guān)鍵詞　一體化前艙；仿真分析；工藝參數(shù)設(shè)計；模具方案；壓鑄

        一體化壓鑄是合并了原傳統(tǒng)汽車制造的沖壓和焊接流程，使用大合模力壓鑄設(shè)備將多個鋁合金零部件高度集成，一次壓鑄成形單個或少數(shù)幾個大型鋁合金壓鑄件［1］。該技術(shù)具有多個優(yōu)勢：①降低生產(chǎn)成本，從而降低整車的價格；②采用單一的鋁合金材料可以有效的汽車輕量化［2］，提高汽車的續(xù)航能力［3］；③一體化壓鑄車身可以大量減少焊點(diǎn)數(shù)量，提升整車的扭轉(zhuǎn)剛度，提高汽車的安全性。隨著在汽車、航空航天和電子類等領(lǐng)域的發(fā)展，市場對一體化壓鑄的需求不斷增大，同時在技術(shù)上的不斷創(chuàng)新和環(huán)保要求不斷提高等因素，一體化壓鑄將在更多的領(lǐng)域應(yīng)用，擁有較好的發(fā)展前景［4］。有優(yōu)勢的同時必然存在制造的難度，產(chǎn)品尺寸超越了過往所有傳統(tǒng)汽車零部件的尺寸，一體化壓鑄對壓鑄技術(shù)、設(shè)備精度和質(zhì)量管控有著更高的要求。

1　產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及開發(fā)技術(shù)要點(diǎn)

        開發(fā)的汽車一體化前艙零件應(yīng)用于某型汽車車架前艙總成，見圖1。該零件（圖2）輪廓尺寸為1 600 mm×940 mm×700 mm，壓鑄件質(zhì)量為53 kg，平均壁厚為4.6 mm，鑄件材質(zhì)采用AlSi7系免熱處理合金；產(chǎn)品本體取樣性能要求：抗拉強(qiáng)度≥215 MPa，屈服強(qiáng)度≥115 MPa，伸長率≥9%，折彎角≥20°；產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量要求見表1，連接面加工后在25 mm×25 mm區(qū)域內(nèi)氣泡直徑≤1 mm，且該區(qū)域內(nèi)所有氣泡的直徑之和<6 mm，高度≤0.5 mm。螺紋孔缺陷標(biāo)準(zhǔn)見表2，其他區(qū)域符合ASTM冷隔等級Ⅱ級；產(chǎn)品全尺寸要求合格率≥97%，產(chǎn)品非加工安裝面面輪廓度要求精度最高為1.6 mm，最低為3.0 mm，對壓鑄變形控制要求較高。

2　壓鑄工藝和模具設(shè)計 

        壓鑄難點(diǎn)和風(fēng)險點(diǎn)：一體化壓鑄前艙作為車體前部的結(jié)構(gòu)件需要兼顧碰撞、疲勞、連接性能的要求，要求其在鑄態(tài)下能達(dá)到較高的強(qiáng)度和韌性［5］；同時需要滿足多種連接方式的要求，不同部位有不同的連接方式，如焊接、SPR、膠接等；一體化壓鑄零件整體尺寸大、填充流程長、凝固差異大，需要壓鑄時能保證較好的充型以及熱平衡能力［6］；一體化前艙壓鑄零件采用免熱處理合金，可以避免熱處理變形，但需要對材料成分進(jìn)行過程管控，包括來料檢查、爐內(nèi)檢查和產(chǎn)品本體檢查等。

2.1　工藝參數(shù)設(shè)計

        一體化前艙零件材料選用AlSi7系免熱處理材料［7］，包含澆道和排氣道質(zhì)量約為65.5 kg，投影面積為15 978 cm2，平均壁厚為4.6 mm；通過產(chǎn)品的模具充滿度45%、壓室投影面積、鋁液密度、產(chǎn)品質(zhì)量和壁厚等計算出壓射工藝參數(shù)（見表3和表4）和壓射速度曲線［8］（見圖3）。

 2.2　仿真對比分析 

        （1）初步澆注系統(tǒng)方案　根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計初步的澆注系統(tǒng)方案，見圖4。

        （2）填充速度分析　根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)澆口速度在40~70 m/s區(qū)間比較合理。模流的填充速度分析結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，內(nèi)澆口取點(diǎn)分析填充速度范圍為45~ 85 m/s，平均速度約為67.4 m/s，澆注系統(tǒng)設(shè)計合理［9-11］。

        （3）填充溫度分析　整體填充溫度需要高于液相線溫度620 ℃，根據(jù)模流的填充溫度分析（見圖6），型腔填充100%后，鑄件兩側(cè)及中間局部位置溫度相對比較低，該區(qū)域有冷隔風(fēng)險存在。

        （4）材料追蹤分析　模流的材料追蹤分析見圖7。結(jié)果顯示，鑄件整體填充符合預(yù)期效果，減震塔和鉚接區(qū)域沒有多股鋁料匯聚交叉，澆注系統(tǒng)設(shè)定合理。

        （5）凝固分析　通過觀察模流分析結(jié)果趨勢判斷，最后凝固位置為縮孔風(fēng)險相對較高位置，模流的凝固分析（見圖8）?？梢钥闯觯T件最晚凝固區(qū)域均在產(chǎn)品厚壁區(qū)域。

        （6）氣壓分析　通過觀察模流分析結(jié)果氣體的流動情況，對存在裹氣位置優(yōu)化排氣系統(tǒng)方案，加強(qiáng)排氣可改善裹氣，見圖9。結(jié)果顯示，當(dāng)填充到91%時，圓圈位置出現(xiàn)裹氣，需要加強(qiáng)排氣設(shè)計［12］。

        （7）熱節(jié)分析　模流的熱節(jié)分析見圖10?？梢钥闯?，鑄件壁厚較厚區(qū)域是主要熱節(jié)區(qū)域，分布在柱臺附近位置熱節(jié)較高。

        （8）縮孔分析　模流的縮孔分析見圖11。可以看出，使用Magma軟件進(jìn)行計算過濾15%后，顯示紅圈區(qū)域縮孔風(fēng)險比較大（基于原圖為彩色表述，下同）

        （9）粘模風(fēng)險分析　模流的粘模分析見圖12?？梢钥闯?，根據(jù)從材料年齡Fraction_Liquid分析，著色位置為產(chǎn)品最晚冷卻區(qū)域，紅圈處鋁液凝固時粘附在模具上時間最長，粘模燒傷風(fēng)險較高。

 2.3　模具方案設(shè)計 

        根據(jù)仿真分析結(jié)果輸出優(yōu)化對策：①冷隔風(fēng)險區(qū)域增加澆道對沖該位置，提高該區(qū)域的填充溫度；②對縮孔風(fēng)險位置模具留出預(yù)鑄針孔并增加高壓冷卻，降低縮孔風(fēng)險；③針對局部裹氣位置，優(yōu)化排氣系統(tǒng)，加強(qiáng)排氣效果；④熱節(jié)風(fēng)險位置模具留出預(yù)鑄針孔并增加高壓冷卻；⑤粘模高風(fēng)險位置對模具型芯針進(jìn)行氮化處理［13］和模具表面披覆處理。修改后的模具設(shè)計方案見圖13。

 2.4　壓鑄設(shè)備匹配分析

        根據(jù)仿真分析結(jié)果和模具方案，壓鑄機(jī)最大鎖模力為70 000 kN，壓射力為1 078 kN，系統(tǒng)壓力為17.5 MPa，匹配設(shè)備P-Q曲線（見圖14），確定設(shè)備選型方案。

 3　壓鑄試驗(yàn)結(jié)果 

3.1　壓鑄內(nèi)部質(zhì)量結(jié)果 

        通過壓鑄試驗(yàn)，產(chǎn)品內(nèi)部整體質(zhì)量符合要求，X光探傷結(jié)果見圖15。

 3.2　力學(xué)性能檢測結(jié)果 

        通過驗(yàn)證本體取樣試片（取樣位置見圖16）測量力學(xué)性能（見圖17），結(jié)果可以滿足要求。

3.3　藍(lán)光掃描結(jié)果 

        藍(lán)光掃描結(jié)果（見圖18）顯示，產(chǎn)品整體變形量控制在1.5 mm以內(nèi)，滿足要求。

4　其他產(chǎn)品試制過程缺陷的原因分析及對策 

4.1　減震器加強(qiáng)筋冷隔和根部R角裂紋成因分析與對策

        從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)看，產(chǎn)品壁厚和筋條壁厚不均勻且差異較大，壁厚局部過厚變化劇烈，根部R角過小，使局部填充率低，導(dǎo)致溫度降低后再填充造成冷隔［14］（見圖19和圖20）。修改筋條結(jié)構(gòu)，定模模芯減厚優(yōu)化壁厚，加大根部R角（見圖21）。采取上述措施后，金屬液填充情況明顯改善，基本解決了冷隔和R角裂紋問題。

 4.2　進(jìn)澆口位置拉傷成因分析與對策 

        圖22為進(jìn)澆口位置拉傷。該位置起模斜度小，進(jìn)料量較大，模具局部溫度高，澆口位置填充速度較快。該位置需要螺柱焊接，產(chǎn)品的表面粗糙度不能過大，所以不能通過模具表面粗糙處理改善，需要模具開鑲件加大該面的起模斜度，調(diào)整噴涂，將模具溫度從80 °C降到50 °C，同時降低高速速度。按照上述措施，有效改善了拉傷問題。

 4.3　輪罩連接面變形成因分析與對策 

        模具滑塊打開時渣包排氣道斷裂，鑄件拉變形（見圖23）。通過加大渣包起模斜度（見圖24），改善渣包排氣道的脫模效果；沖澆口模具增加矯形功能，改善了排氣道的脫模效果，解決了拉變形問題，同時導(dǎo)入了沖模壓矯功能，提升了產(chǎn)品矯形的效率并保證了產(chǎn)品兩側(cè)輪罩變形量和開襠距離。

 5　結(jié)　論 

        （1）使用仿真分析軟件，對一體化前艙壓鑄模具的澆注系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化，對冷隔、縮孔、裹氣、熱節(jié)和粘模高風(fēng)險位置制定針對性的解決方案，提前規(guī)避風(fēng)險減少后期對模具的改動，有效延長模具的壽命和縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，降低成本。 

        （2）對關(guān)鍵部位的本體取樣性能結(jié)果分析，抗拉強(qiáng)度≥233.4 MPa，屈服強(qiáng)度≥104.6 MPa，伸長率≥ 8.92%，可以滿足零件設(shè)計性能要求，有效保證整車的安全性能。

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本文作者：

黃開城1　萬 里1，2　黃志垣2　鐘宇毅2　林 韻1　張玉龍1　陳詩明2　余 亮1　趙善慶1　夏鴻文1 

（1. 廣東鴻圖科技股份有限公司，肇慶 526100；2. 廣東鴻圖汽車零部件有限公司，廣州 510700）

本文來源于《特種鑄造及有色合金》2025年第5期