越來(lái)越多的汽車結(jié)構(gòu)部件采用鋁合金材料來(lái)減輕重量，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高應(yīng)力要求對(duì)壓鑄工藝提出了挑戰(zhàn)。根據(jù)汽車減震塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了壓鑄工藝，然后采用數(shù)值模擬方法模擬了金屬液的流動(dòng)和充電過(guò)程。結(jié)果表明，減震塔腔內(nèi)鋁液充電相對(duì)穩(wěn)定，前端含氧化混合、卷氣量大的金屬液全部進(jìn)入溢流槽，避免了鑄件內(nèi)部卷氣造成的缺陷。此外，通過(guò)采用局部冷卻方法等工藝措施，解決了局部厚度的縮孔缺陷，最終獲得了優(yōu)質(zhì)的鋁合金減震塔壓鑄件。

目前，壓鑄鋁合金零件已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子工業(yè)等領(lǐng)域。用鋁合金零件代替鋼制零件可以減輕40%~50%的體重，有利于降低能耗，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。因此，越來(lái)越多的汽車結(jié)構(gòu)零件采用鋁合金材料來(lái)減輕重量，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高應(yīng)力要求對(duì)壓鑄工藝提出了挑戰(zhàn)。汽車的許多結(jié)構(gòu)件大多是薄壁殼體零件。研究表明，當(dāng)鑄件壁厚小于4mm時(shí)，液態(tài)金屬表面張力引起的拉普拉斯力會(huì)嚴(yán)重影響充型液體的流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)突出粘度的作用，使薄壁零件難以在模具腔內(nèi)充型。壓鑄技術(shù)是在壓力下填充型腔，既能有效解決充型問(wèn)題，又能使金屬液快速凝固，細(xì)化合金組織，獲得強(qiáng)度更高的合金零件。

由于這些外殼部件一般形狀復(fù)雜，局部壁厚不均勻，模具腔內(nèi)金屬的流動(dòng)過(guò)程也比較復(fù)雜，由于不同鑄造材料和金屬材料的性質(zhì)不同，鑄件的質(zhì)量也難以把握。如今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬軟件可以越來(lái)越準(zhǔn)確地反映壓鑄模具中金屬液體的流動(dòng)過(guò)程，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鑄件缺陷的產(chǎn)生。因此，首先利用數(shù)值模擬軟件預(yù)先模擬充固過(guò)程，然后根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)和優(yōu)化壓鑄過(guò)程，分析零件質(zhì)量，是一種高效、節(jié)約成本的方法。

減震塔結(jié)構(gòu)分析

（a）凸面（b）凹面

鑄件輪廓尺寸為530mm*345mm*313mm，主體平均壁厚為3mm。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個(gè)外殼呈弧形，表面設(shè)計(jì)有縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋，以提高零件的整體強(qiáng)度；局部圓柱形凸臺(tái)較多，高度為20mm，使鑄件各部位壁厚差異較大。鑄件一側(cè)有較大的凸起結(jié)構(gòu)，與鑄件外殼的高度差為195mm。減震塔采用A380鋁合金壓鑄，鑄件凈重2.9kg。

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澆筑系統(tǒng)、排氣槽、溢流槽的設(shè)計(jì)

2.1鑄造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是壓力下金屬液填充腔的通道，是控制金屬液填充腔速度、時(shí)間和流動(dòng)狀態(tài)的重要組成部分。因此，設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)是獲得高質(zhì)量壓鑄件的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)鑄件的特點(diǎn)，選擇鑄件輪廓尺寸面積的部分作為分型面，便于零件脫模。為了降低壓鑄過(guò)程開始階段的卷氣程度，在零件長(zhǎng)度方向上選擇形狀結(jié)構(gòu)相對(duì)直的側(cè)設(shè)置內(nèi)澆口。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算內(nèi)澆口截面積：

(1)

公式中，V為零件及溢流、排氣系統(tǒng)總體積(溢流、排氣系統(tǒng)體積按零件體積的50%計(jì)算)，為115742mm3；νg是內(nèi)澆口金屬液的速度。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，內(nèi)澆口鋁合金的填充速度為20~60m/s，取值40m/s；t是金屬液體填充腔的時(shí)間，推薦值由平均壁厚決定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算平局壁厚:

(2)

式中，b1、b2、b3..為鑄件某一部分的壁厚（mm），S1、S2、S3.墻厚為b1、b2、b3..部位面積(mm2)。計(jì)算減震塔平均壁厚為3mm，型腔填充時(shí)間推薦值為0.05~0.10s，取值0.07s。內(nèi)澆口截面積Ag為391.87m2；根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，內(nèi)澆口厚度T值為1.5mm，內(nèi)澆口總寬度L=Ag/T=261.25mm。壓鑄機(jī)為臥式冷室壓鑄機(jī)，橫澆道截面積為Ar=(3~4)Ag=1371.545mm2，橫澆道厚度D=(8~10)T=15mm；橫澆道采用金屬液熱損失小、加工方便的常見平梯形。根據(jù)壓鑄機(jī)壓室尺寸，直澆道直徑（壓室直徑）為120mm。減震塔零件的鑄造系統(tǒng)采用直澆道、橫澆道和內(nèi)澆口的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.2溢流槽設(shè)計(jì)

溢流槽用于儲(chǔ)存液體-氣體界面前端混有氣體和油漆殘?jiān)睦湮劢饘僖后w。與排氣槽配合，可快速引出型腔內(nèi)的氣體，減少充氣過(guò)程中卷氣的發(fā)生，同時(shí)轉(zhuǎn)移縮孔、縮松、渦流包裹氣體和產(chǎn)生冷隔的部位。但是，為了發(fā)揮溢流槽的作用，溢流必須根據(jù)型腔內(nèi)金屬液的流動(dòng)特性，在合理的位置接受前沿冷污金屬液，并保留在溢流槽內(nèi)。因此，溢流槽也需要合適的尺寸。既不能太大也不能太小。過(guò)度會(huì)議會(huì)導(dǎo)致廢物增加，成本增加；過(guò)小會(huì)導(dǎo)致溢流槽無(wú)法接受所有冷污金屬，鑄件質(zhì)量降低。因此，首先模擬設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的零件數(shù)值，然后根據(jù)金屬液的流動(dòng)特性確定合適的溢流系統(tǒng)是一種有效的設(shè)計(jì)手段。

模擬參數(shù)根據(jù)實(shí)際壓鑄工藝參數(shù)設(shè)置，金屬液首先以0.6的慢壓速度設(shè)置m/s進(jìn)入水平澆口和內(nèi)澆口，當(dāng)金屬液充滿所有內(nèi)澆口時(shí)，壓射速度提高到5m/s，也就是說(shuō)，讓金屬液快速填充型腔。

溫度場(chǎng)(色標(biāo))：(a)t=0.190s;(b)t=0.197s;(c)t=0.200s；(d)t=0.204s.

卷氣(色標(biāo)代表卷入氣體體積分)：(a)t=0.190s;(b)t=0.197s;(c)t=0.200s；(d)t=0.204s.

金屬液在充型過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)的溫度和卷氣情況。可以看出，設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)金屬液相對(duì)穩(wěn)定的填充型腔。零件左側(cè)有兩個(gè)圓形結(jié)構(gòu)。根據(jù)充電過(guò)程的模擬，可以看到金屬液在這里充電時(shí)容易產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致卷氣量增加。因此，應(yīng)在圓形結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)計(jì)溢流槽，使卷氣部分的金屬液排出腔，進(jìn)入溢流槽。根據(jù)溫度場(chǎng)和卷氣特性，可以看到零件右側(cè)有大面積低溫金屬液，從邊緣向內(nèi)延伸，有不同程度的卷氣現(xiàn)象，從中間圈出的部分。減震塔結(jié)構(gòu)可以看出。金屬液通過(guò)最右側(cè)的內(nèi)澆口進(jìn)入型腔后，直接沖擊有一定角度的型腔壁。阻塞后，金屬液回流填充零件最右側(cè)，導(dǎo)致大量氣體卷入。零件自下而上依次填充。金屬液最終填充的零件上部有大量溫度低、卷氣嚴(yán)重的金屬液。這里應(yīng)該設(shè)置足夠的溢流槽來(lái)接受這些金屬液，以獲得高質(zhì)量的鑄件。

根據(jù)模擬結(jié)果，部分部位溫度低、卷氣量大的金屬液較多，應(yīng)設(shè)計(jì)有足夠容積的溢流槽，但過(guò)大的溢流槽容易導(dǎo)致金屬液回流。因此，在這些部位設(shè)置多個(gè)單獨(dú)的溢流槽，并設(shè)置薄的連接肋，以保證其強(qiáng)度。溢流槽主要采用加工方便的梯形溢流槽，在局部卷氣嚴(yán)重的部位適當(dāng)增加溢流槽容積，并根據(jù)流動(dòng)特性小幅修改形狀。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，排氣槽的截面積設(shè)置為內(nèi)澆口截面積的30%。設(shè)計(jì)好的溢流槽和排氣槽。