万里1,2 刘后尧1 林海2 张遇朝1 吴树森2 吴湛方1 赖沛基1 李高1
（1.广东鸿泰科技股份有限公司, 广东高要, 526100. 2.华中科技大学材料成形与模具技术国家重
点实验室, 湖北武汉, 430074）
摘要：汽车车身/底盘悬架关键零部件的轻量化及其成形技术是当前国内外开发的前沿领域之一。本文针对广汽自主品牌轿车“传祺”的底盘铝合金后副车架压铸零件，从压铸合金的力学性能、压铸工艺设计及优化、模具设计及制造、铸件质量控制等方面进行了开发和研究。结果表明：压铸Al-Mg 合金的主要成分为Mg4.6~5.4%，Si1.4~1.6%，Mg/Si 3.1~3.5。采用了耐热密封结构的高真空压铸模具具有良好的密封性能，可靠性高。多区域的温度测量及冷却水流量的实时调节提高了模具温度控制的精度。通过对工艺参数的优化，有效消除了铸件缺陷如裂纹、冷隔、缩孔/缩松等。开发的铝合金后副车架的铸件本体抗拉强度≥240MPa ，屈服强度≥145MPa ，伸长率≥6%，满足了“传祺”轿车的的使用要求。
关键词：真空压铸，轻量化，Al-Mg 合金，底盘，后副车架
Research on Vacuum Die Casting Technology of Al Alloy Chassis Rear
Sub-frame of GAC Trumpche Car
Wan Li 1,2 Liu Houyao 1 Lin Hai 2 Zhang yuhao 1 Wu Shusen 2 Wu Zhanfang 1 Lai Peiji 1 Li Gao 1
(1. Guangdong Hongtai Technology(holdings) Co. ltd. Guangdong Gaoyao, 5261001. 2. State Key Laboratory of Materials Processing and Die ＆ Mold Technology, Huazhong University of Science and Technology ,Hubei Wuhan, 430074. )
Abstract: The development of lightweight and processing technology for car chassis suspension key parts is one of the foremost fields at home and abroad recently. To meet the requirement of own-brand car named “Trumpche” belonging to Guangzhou Automobile Group (GAC), high vacuum die-casting technology for the rear sub-frame of car chassis is researched and developed in the paper. The results showed that the optimized chemical composition of Al-Mg alloy with high strength and ductility are as
followings Mg4.6~5.4%，
Si1.4~1.6%，Mg/Si 3.1~3.5. Good sealing effect can be improved by die sealing. Die temperature measuring was finished by thermocouple positioned in the die and cooling water flow rate can be adjusted. The round car chassis part can be achieved, whose tensile strength is over 240 MPa, yield
strength over 145 MPa and elongation greater than 6%.
Keyword Vacuum die casting, Light weight ，Al-Mg alloy, Car chassis, Rear sub-frame
基于节能减排、绿低碳的环保压力，开发低能耗、低排放、低成本的汽车制造技术是实现汽车行业可持续发展的必然要求。然而，无论是采用柴油或汽油，还是采用电池作为汽车动力驱动源，汽车轻量化（主要指轿车）都是实现节能减排的有效方法之一。汽车零部件在实现材料轻量化的基础上，考虑到零件性能、生产成本、生产效率等综合因素，采用压铸成形的事例越来越多。目前轿车上的许多部件已实现轻量化（铝合金化）压铸生产，比较典型的零件实例有变速箱壳体、发动机缸体、缸盖等动力/驱动系统零件。但对于车身/底盘悬架等关键结构部件的轻量化压铸技术开发和生产则明显滞后于动力/驱动部件[1~3]。
广汽自主品牌轿车“传祺”在国内首次采用了压铸铝合金后副车架，由于副车架属
于汽车中的结构安全件，力学性能要求高，对压铸技术提出了很大挑战。本文从压铸合金、副车架的压铸工艺设计及优化、模具设计及制造、压射工艺参数优化等方面进行了研究和开发，成功地开发出了高强韧压铸Al-Mg合金后副车架，满足了广祺“传祺”的生产要求。
1 后副车架的结构特点
“传祺”轿车底盘后副车架的结构如图1所示，外形尺寸1078×367×156mm，平均壁厚4mm，重量6.3千克。其力学性能指标为铸件本体抗拉强度≥240MPa，屈服强度≥145MPa，伸长率≥6%，属于高强度、高韧性、耐腐蚀的大型薄壁复杂零件。由于轿车底盘副车架是涉及轿车行驶安全的重要部件，对内部缺陷的要求非常严格。
图1 后副车架的外形简图
2 后副车架的压铸技术开发要点
后副车架选用压铸Al-Mg合金，一则Al-Mg合金具有良好的耐腐蚀性，二则该合金无需通过热处理如T6
强化，在铸态下就能获得良好的力学性能，可避免热处理带来的工序增加、零件变形等问题。由于传统的压铸工艺无法避免内部的卷气缺陷，而铸件内部气孔的存在将大大削弱铸件的力学性能，特别是断裂韧性，因而采用传统的压铸工艺生产铝合金后副车架将会带来严重的质量风险。基于此，铝合金后副车架采用了高真空压铸技术[4~6]。
2.1 Al-Mg合金的力学性能及成分优化
国标中压铸铝镁系列合金主要有YL301和YL303，以YL301为基础，研究了化学成分Mg、Si、Mg/Si等含量对Al-Mg合金力学性能的影响，试样采用铸件中部的本体试样，试样为矩形，截面尺寸4X10mm，有效长度50mm，为消除铸造缺陷的影响，一个铸件中取5个试样进行拉伸测试。压铸试验的主要条件：浇注温度700~720℃，慢压射速度0.20m/s，快压射速度5.8m/s。
图2显示了Mg含量对铸件抗拉强度及伸长率的影响规律。由此可以看出：在试验的参数范围内，随着Si含量的增加，抗拉强度逐渐升高，在1.5%左右时，铸件的抗拉强度达到最大值。而伸长率则随着Si量的增加逐渐降低，当大于1.6%后，铸件的伸长率降低到6%以下，已不能满足性能要求。因此，从强度和伸长率两方面考虑，生产中
Si 的成分控制在1.4~1.6%比较合适。
图3为Mg 含量对力学性能的影响变化规律。当Mg 含量在4.6~5.4%之间时，抗拉强度呈现幅度较小的波动，但都在240MPa 以上。伸长率则是随Mg 的增加，呈现下降的趋势。在Mg>5.5%以上时伸长率已难于保证达到6%以上的技术要求。
由图2、图3可以看出，Mg 、Si
的含量对铸件的力学性能具有重要影响。Mg 的加入提高了强度，降低了伸长率。在Al-Mg 合金中加入Si ，可提高合金的流动性，降低热裂倾向，即有效改善合金的铸造性能。但Si 的加入会影响到合金的力学性能，特别是降低伸长率。对于副车架之类的保安零件，因伸长率要求高，故而应严格控制Mg 、Si 的含量。Si 在合金中与Mg 形成Mg 2Si 强化相，一般而言，Mg 2Si 相越多，强度越高，伸长率越低。因此为探讨Mg 2Si 相的作用影响，引入了Mg/Si 比值来评估材料的力学性能。
图4为Mg/Si 对Al-Mg 合金力学性能的影响规律，当Mg/Si 由2.9增加到
3.2时，伸长率随之升高；由3.2继续增加到3.6时，伸长率则呈现下降趋势。因有伸长率大于6%的技术要求，Mg/Si 控制在3.1到3.5之间较合适，而在3.2左右时，伸长率达到最大值。
总之，在实际生产中，需对Mg 、Si 以及Mg/Si 加以严格控制，已保证铸件的伸长（a ） 抗拉强度 （b ）伸长率 图2 Si 对Al-Mg 合金力学性能的影响 （a ） 抗拉强度 （b ） 伸长率 图3 Mg 对Al-Mg 合金力学性能的影响
率达到规定的技术要求。
2.2 Al-Mg 合金的压铸工艺设计及优化
基于铸件壁厚、重量以及MFT 法(Millimum Filling Time)的设计思路，计算出副车架的内浇口截面积，然后根据铸件结构设计了两种浇注系统设计方案（见图5），方案1为5个内浇口，方案2为6个内浇口。采用Flow3D 软件分别对其进行了流动计算，发现方案2的充填形态较方案1平稳，流动前沿的封闭交汇、紊流现象少，参见图6。选择方案2进行溢流槽、排气结构的设计，最终的副车架压铸工艺方案如图7所示。
根据投影面积计算合模力，副车架的压铸机锁模力选择应大于25000KN 的大型卧式冷室压铸机。冲头直径选择130mm ，校核压室的充满度为46.8%，满足使用要求。
2.3 副车架的模具设计与制造
高真空压铸对模具的密封提出了较高要求，为确保压铸过程中模具的密封性能，在模具分型面、顶杆处采取了密封措施[7]。模具分型面设置了三道密封结构，一是在模架上开设了密封槽，内装耐热橡胶制成的密封条；二是在镶块外侧同样设置一道密封槽；三是将动定模的镶块配合面设计成一个斜面，
利用斜面的配合来形成密封，参见图8。模具顶杆处的密封结构见图9。冲头采用了类似活塞环结构的密封圈进行了良好密封。
（a ） 抗拉强度 （b ） 伸长率
广汽汽车图4 Mg/Si 对Al-Mg 合金力学性能的影响
方案1 方案2
图5 副车架的压铸工艺方案设计
图6 方案2 的流动充填模拟（Flow3D ）
t=0.095 s t=0.11 s t=0.051 s t=0.057 s t=0.12 s t=0.073 s
图7 副车架的压铸工艺方案示意图
图8 模具密封示意图 图9 顶杆处的密封结构 1,4 -密封圈 2-压紧块 3-顶杆
2.4 模具温度的精确控制
大型复杂压铸模的温度控制对于正常生产及铸件质量的影响非常重要。本文对副车架压铸模进行了区域分割中，在每一区域设置了一个热电偶测量该区域的实际温度，根据实际温度与模具设定温度的差异来控制冷却水阀的开度，即调节冷却水的流量来达到温度的精确控制，以减少模温的波动。图10为模具中温度测量点及冷却水管的开设情况。
（a）定模（b）动模
图10 副车架的模温测量及冷却水管的布置示意图
3 副车架的压射工艺参数优化及缺陷控制
压射工艺参数对铸件内外部缺陷如冷隔、气孔、缩松等有很大的影响，需要通过大量的试验来调整优化。后副车架的高真空压射工艺参数如下[8,9]：
（1）模具型腔真空度越高，后副车架铸件气孔越少，综合力学性能越好。
（2）在真空启动位置为压射冲头刚好经过浇料口处并将其封住的位置，真空停止位置为700mm时，后副车架真空压铸过程的真空时间最合适，铸件内部气孔缺陷降至最低。
（3）随着慢压射速度的提高，高真空压铸轿车底盘后副车架本体试样的抗拉强度和伸长率均有所降低，屈服强度变化不明显。而随着快压射速度的增大，抗拉强度、屈服强度和伸长率均有所增加。
（4）高速切换点启动过早，后副车架铸件内部会产生气孔缺陷；启动过晚，铸件表面成形不良，会产生冷隔缺陷。
图11 压铸的Al-Mg合金后副车架
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