汽车壳体低压铸造工艺与模具设计

上半月出版

Ｃａｓｔｉｎｇ・Ｆｏｒｇｉｎｇ・Ｗｅｌｄｉｎｇ金属铸锻焊技术

汽车壳体低压铸造工艺与模具设计

陈宗民

（山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９）

摘要：介绍了汽车壳体零件低压铸造工艺与模具设计。内容主要有低压铸造工艺参数的设计，包括升液压力与升液速度、充型压力和充型速度的计算、浇注温度的确定、结晶压力和保压时间的计算等；模具设计，包括模具结构与壁厚的确定、型腔尺寸的计算、型芯和抽芯的计算、模具的三维造型。

关键词：低压铸造；模具；铝合金中图分类号：ＴＧ２４９．５

文献标识码：Ａ

文章编号：１００ｌ一３８１４（２００８）０１—００７９．０３

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汽车轻量化是汽车工业当前最重要的研究方

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９８

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向。尽量减轻汽车自重以降低油耗，通常是通过采用铝等轻质材料，开发先进的制造工艺而实现‘的，低压铸造由于不仅可以获得高质量的铸件，而且可以铸出重力铸造难以成型的薄壁复杂件，是汽车铸件生产的重要工艺方法【ｌ】。１

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壳体低压铸造工艺的设计

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１．１铸件结构分析

铸件结构如图１所示，平均壁厚为５ｍｌＴｌ，材

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（ａ）壳体内腔结构

料为高强度铸铝合金。该零件外形较复杂，外壁

上具有多个圆孔，侧面法兰结构复杂，给取件带来较大困难。１．２浇注系统

。压铸造工艺的浇注系统应使金属液平稳而迅速地充型，并有缓冲和除渣作用以及良好的补缩效果，以保证获得优质铸件。在大多数情况下，由于型腔的充填从最低点开始．金属液很少或不会产生飞溅现象，因而减少或消除了在型腔内形成氧化夹渣的可能性，所以无需设计复杂的浇注系

收稿日期：２００７．０７—１０

作者简介：陈宗民（１９６３一），男，山东淄博人，副教授，硕士，主要从

事材料成型及控制工程教学和研究工作：电话：１３５０６４３７３００；Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｄｄ￡ｆⅣ２８６＠ｓｉｎａ．ＣＯＩＩＩ

Ｆｉｇ．１

Ｃｏ）壳体外形图

图１壳体结构图

Ｈｏｕｓｉｎｇ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

统。通常，内浇口的位置选在铸型底部或铸件最厚断面处．其断面积的大小可以等于或稍大于金属液引入处铸件热节的断面积，而小于升液管顶端断面积。根据该铸件的结构特点，考虑到模具结

《热加工工艺》２００８年第３７卷第１期

金属铸锻焊技术Ｃａｓｔｉｎｇ・Ｆｏｒｇｉｎｇ・Ｗｅｌｄｉｎｇ构，该铸件的浇注系统设置在底部。１．３升液压力和升液速度

．

２００８年１月

边纵坐标表示合金液充型到日高度所需的压力换算值・（铝硅合金在７００℃时的密度ｒ＝２．４，阻力

升液压力Ｐ。是指当金属液面上升至浇口（高

系数舻１．２７）。图中的曲线，表示两种铸件的充型

速度曲线。曲线ＡＢＣ为薄壁复杂铸件的加压曲线，升液后快速充型，曲线ＡＢＤ为厚壁简单铸件的加压曲线。

１．５结晶压力和保压时间的确定

铸件在压力下结晶凝固是低压铸造的一个重要特点。在结晶压力的作用下，合金液经升液管、浇道向铸件不断进行补缩，可防止铸件产生缩孑Ｌ和缩松，有利于获得组织致密的铸件。实践证明，结晶压力越大，则补缩效果越好。但是，增大结晶压力的方法不是在任何情况下都适用的。如浇注金属型薄壁铸件时，由于铸型散热很快。合金液充满型腔后会很快凝固，这时增大结晶压力．补缩作用甚微。该件为金属型工艺薄壁铸件．选择增压压力为Ｏ．１ＭＰａ。

铸件的保压时间应根据铸件的壁厚、结构、合金种类、合金的浇注温度、铸型温度及冷却条件等因素综合考虑。保压时间不够，会造成铸件“放空”缺陷；保压时间过长，则浇口残留长度过长，使铸

度为Ⅳ。米）时所需的气体压力，其值由式Ｐ。咩坍，Ａ

确定。在浇注过程中，日。将随着坩埚内金属液面的下降而增加，因此，对应的Ｐｌ也应随之增大。

合适的升液速度应使金属液上升时顺利排出气体，又不在浇口处产生喷溅，同时，以金属液在升液管中流动速度的不同而起到撇渣作用（此时氧化膜及浮渣粘附到管壁上）。实践表明，升液速度一般以控制在５０ｍｍ／ｓ左右为宜。１，４充型压力和加压速度的控制

与升液阶段类似，充型压力随着充型高度上升而逐渐增大。当铸型充满时，压力达到最大值。常称此值为最大充型压力。

当铸件高度确定以后。就可以根据下式来计算充型压力值：

Ｐ充＝羔篇生ｘ１３３．６（Ｐａ）

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式中：Ｐ充为充型压力；胃为合金液从液面上升到铸件顶部的总高度；ｒ为合金液在浇注温度时的

密度；肛为阻力系数，通常可取／ｚ＝１．肚１．５。

在升液管出口截面积一定的情况下。充型速度就取决于作用在合金液面上的气体压力的增长速度（称为加压速度）。为了获得质量良好的铸件，加压速度必须控制得当。

图２所示是铸件进行低压浇注的升液和充型的加压曲线图。图中横坐标表示浇注时间ｆ（ｓ），左

件出型困难。该铸件的浇口开在菠壁处，保压时

间可以短些，根据经验图表，该铸件取１ｍｉｎ。１．６浇注温度和铸型温度的确定

合模时的浇注温度与铸型温度对铸件的成形和结晶组织有直接影响。在保证铸件成形的前提下，浇注温度与铸型温度应尽可能低一点。浇温和模温过高，合金液吸气严重，缩松倾向大。且结晶组织粗大，会降低铸件的力学性能。反之，浇温和

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图２升液和充型加压曲线

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Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８，Ｖ０１．３７，Ｎｏ．１

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Ｃａｓｔｉｎｇ・Ｆｏｒｇｉｎｇ・Ｗｅｌｄｉｎｇｇ属铸锻焊技术

模温太低，缩松倾向随趋减小，但合金液流动性能２．１模具结构

降低，补缩能力也亦降低。

工艺参数确定后，即可根据铸件的结构进行由于壳体铸件为薄壁铸件，同时本工艺采用

模具设计。首先选取合理的开模方案，随后用ＵＧ金属型，所以浇注前模具预热到２００℃。

软件进行模具的整体结构和金属型芯的设计。２模具设计

在模具的整体设计中，考虑到铸件外形和内腔的结构特点，采用了水平和垂直两分型面的结构。图模具设计的依据为济南捷迈生产的Ｊ４５２型３（ａ）为模具的整体结构，图３（ｂ）、３（ｃ）分别为左、右低压铸造机。

凹模的结构。

（ａ）模具的整体结构Ｃｏ）左凹模（ｃ）右凹模

图３模具结构

Ｆｉｇ．３

ＳｎｕｃｔＩｌＩ℃ｏｆｄｉｅ

２．２型腔尺寸

２．４型芯设计

考虑金属型材料线膨胀系数时，型腔尺寸以金属型芯根据其结构可分为两种：整体型芯可按下式计算：

和组合型芯。在本设计中由于采用两个分型面，所ｄｎ＝ｄｏ（１＋ｙｏ）

以采用整体型芯。型芯结构如图４所示。

式中：也为铸件公称尺寸（ｍｉｎ）；ｙｏ为考虑金属型材料线膨胀及铸造合金线收缩的系数。

），０＝矗陋一（巩・ｔｋ）】

式中：ｓ为铸造合金的线收缩率；巩为金属型材料线膨胀系数；ｔ。为浇注前金属型预热温度；ｋ为阻碍收缩系数，不大于ｌ。

？模具的材料为３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ合金钢，其线膨胀系数为【２】：１４．７ｘ１０击。

将有关参数代人得：

图４金属型芯的结构

ｙｏ＝ｋ［８－（ｄｋ・ｔｋ）】

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３结束语

＝０．００３４

例如，铸件外径对应的模具尺寸：

壳体为薄壁铝合金铸件，采用低压铸造工艺，并应用ＵＧ软件进行模具设计，大大缩短了生产

ｄ１＝１０６ｘ（１＋０．０．００３４）＝１０６．３６周期、有利于提高尺寸精度和表面质量。

ｄ２＝１０４ｘ（１＋０．０．００３４）＝１０６．３５

２．３模具壁厚

由于金属型的蓄热和散热能力和金属型的热参考文献：

［１】曾洁梅．

低压铸造设备及工艺的进展【Ｊ】．

铝加工，

物理性质有关，影响因素很多，因此现在还没有一

１９９７，２０．（６）：２１－２２．

个可靠简便的方法来确定不同条件下最适合的金

【２】李春胜．钢铁材料手册【Ｍ】．江西：江西科学技术出版杜，

属型壁厚。根据经验数据，模具壁厚取１２０ｍｍ。

２００４．田

汽车壳体低压铸造工艺与模具设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

陈宗民， CHEN Zongmin

山东理工大学,机械工程学院,山东,淄博,255049热加工工艺

HOT WORKING TECHNOLOGY2008，37(1)1次

参考文献(2条)

1.曾洁梅 低压铸造设备及工艺的进展 1997(06)2.李春胜 钢铁材料手册 2004

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本文根据低压铸造凝固原理，利用模具CAD技术以及CAE数值模拟等方法，对缸盖的低压铸造模具设计的过程与铸件充型、凝固过程的数值模拟进行研究。首先，结合低压铸造及缸盖本身的结构特点、质量要求，对缸盖进行模具结构设计及工艺系统设计进行研究，包括：模具整体结构的确定、模具分型面的确定以及模具外形尺寸的确定原则、模具壁厚与金属型的热平衡之间的关系、铸件的浇注系统的设定、内浇口截面积的计算、冷却系统的设置、各种排气方法的应运、砂芯的定位以及砂芯射口的确定等内容。

然后，基于低压铸造的充型过程和凝固过程的基本理论，将缸盖铸件模型导入Anycasting铸造模拟软件中，先进行有限差分网格的划分，再进行工艺参数、加压规范的设定，然后对低压铸造缸盖的充型过程及凝固过程进行模拟分析。确定缸盖的最终的加压规范为充型时间为15秒，铸件达到完全凝固时所需要的时间大约为350秒。同时对缸盖外模的温度场分布进行模拟，模具温度场分布满足低压铸造顺序凝固的要求。并对缸盖可能产生的铸造缺陷的位置进行预测并做相应的分析，结合模拟的结果对所设计的模具工艺方案进行优化，解决了缸盖铸件在浇口附近厚大部位的缩孔和缩松缺陷问题。 最后，本文介绍了铝合金缸盖低压铸造的实际试生产过程：制芯、熔化、浇注、清理及后处理等以及各环节中需要注意的问题。并提出缸盖低压铸造中主要的质量控制点，如：缩孔与缩松的形成原因与解决措施、氧化夹杂的成因与解决措施等。解决了生产中的实际难题，积累了经验和数据，缩短了产品的开发周期，使得该产品顺利投入量产。

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引证文献(1条)

1.赵建华.张东阳.徐慧 柴油机喷油泵泵体低压铸造工艺与模具设计[期刊论文]-特种铸造及有色合金 2009(2)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_rjggy200801029.aspx

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