摘 要 一体化压铸车身件是当前汽车制造发展中一个重大变革和技术跨越，该技术工艺突破传统的汽车制造工艺，能够有效降低汽车制造成本、提升汽车续航能力以及提高汽车安全性能等。针对一体化前舱压铸项目产品尺寸大且结构复杂，有较高的力学性能和多种连接方式要求，行业内缺少一体化压铸技术和开发应用经验，压铸工艺和模具方案需要解决产品填充凝固和控制变形等难题。研究了一体化前舱项目开发及应用案例，根据客户图纸、标准和技术要求，识别压铸工艺难点和风险点，通过仿真对比分析和工艺参数设计，输出压铸模具方案和设备匹配方案。经过实际生产验证，成功规避了仿真分析识别的风险问题，产品本体的平均伸长率达8.9%，内部质量和整体轮廓尺寸结果均能满足客户要求。 

关键词 一体化前舱；仿真分析；工艺参数设计；模具方案；压铸

 一体化压铸是合并了原传统汽车制造的冲压和焊接流程，使用大合模力压铸设备将多个铝合金零部件高度集成，一次压铸成形单个或少数几个大型铝合金压铸件［1］。该技术具有多个优势：①降低生产成本，从而降低整车的价格；②采用单一的铝合金材料可以有效的汽车轻量化［2］，提高汽车的续航能力［3］；③一体化压铸车身可以大量减少焊点数量，提升整车的扭转刚度，提高汽车的安全性。随着在汽车、航空航天和电子类等领域的发展，市场对一体化压铸的需求不断增大，同时在技术上的不断创新和环保要求不断提高等因素，一体化压铸将在更多的领域应用，拥有较好的发展前景［4］。有优势的同时必然存在制造的难度，产品尺寸超越了过往所有传统汽车零部件的尺寸，一体化压铸对压铸技术、设备精度和质量管控有着更高的要求。

1 产品的结构及开发技术要点

        开发的汽车一体化前舱零件应用于某型汽车车架前舱总成，见图1。该零件（图2）轮廓尺寸为1 600 mm×940 mm×700 mm，压铸件质量为53 kg，平均壁厚为4.6 mm，铸件材质采用AlSi7系免热处理合金；产品本体取样性能要求：抗拉强度≥215 MPa，屈服强度≥115 MPa，伸长率≥9%，折弯角≥20°；产品内部质量要求见表1，连接面加工后在25 mm×25 mm区域内气泡直径≤1 mm，且该区域内所有气泡的直径之和<6 mm，高度≤0.5 mm。螺纹孔缺陷标准见表2，其他区域符合ASTM冷隔等级Ⅱ级；产品全尺寸要求合格率≥97%，产品非加工安装面面轮廓度要求精度最高为1.6 mm，最低为3.0 mm，对压铸变形控制要求较高。

2 压铸工艺和模具设计 

        压铸难点和风险点：一体化压铸前舱作为车体前部的结构件需要兼顾碰撞、疲劳、连接性能的要求，要求其在铸态下能达到较高的强度和韧性［5］；同时需要满足多种连接方式的要求，不同部位有不同的连接方式，如焊接、SPR、胶接等；一体化压铸零件整体尺寸大、填充流程长、凝固差异大，需要压铸时能保证较好的充型以及热平衡能力［6］；一体化前舱压铸零件采用免热处理合金，可以避免热处理变形，但需要对材料成分进行过程管控，包括来料检查、炉内检查和产品本体检查等。

2.1 工艺参数设计        一体化前舱零件材料选用AlSi7系免热处理材料［7］，包含浇道和排气道质量约为65.5 kg，投影面积为15 978 cm2，平均壁厚为4.6 mm；通过产品的模具充满度45%、压室投影面积、铝液密度、产品质量和壁厚等计算出压射工艺参数（见表3和表4）和压射速度曲线［8］（见图3）。

2.2 仿真对比分析         （1）初步浇注系统方案 根据产品结构设计初步的浇注系统方案，见图4。

（2）填充速度分析 根据以往经验，内浇口速度在40~70 m/s区间比较合理。模流的填充速度分析结果见图5。可以看出，内浇口取点分析填充速度范围为45~ 85 m/s，平均速度约为67.4 m/s，浇注系统设计合理［9-11］。

（3）填充温度分析 整体填充温度需要高于液相线温度620 ℃，根据模流的填充温度分析（见图6），型腔填充100%后，铸件两侧及中间局部位置温度相对比较低，该区域有冷隔风险存在。

（4）材料追踪分析 模流的材料追踪分析见图7。结果显示，铸件整体填充符合预期效果，减震塔和铆接区域没有多股铝料汇聚交叉，浇注系统设定合理。

（5）凝固分析 通过观察模流分析结果趋势判断，最后凝固位置为缩孔风险相对较高位置，模流的凝固分析（见图8）。可以看出，铸件最晚凝固区域均在产品厚壁区域。

（6）气压分析 通过观察模流分析结果气体的流动情况，对存在裹气位置优化排气系统方案，加强排气可改善裹气，见图9。结果显示，当填充到91%时，圆圈位置出现裹气，需要加强排气设计［12］。

（7）热节分析 模流的热节分析见图10。可以看出，铸件壁厚较厚区域是主要热节区域，分布在柱台附近位置热节较高。

（8）缩孔分析 模流的缩孔分析见图11。可以看出，使用Magma软件进行计算过滤15%后，显示红圈区域缩孔风险比较大（基于原图为彩色表述，下同）

（9）粘模风险分析 模流的粘模分析见图12。可以看出，根据从材料年龄Fraction_Liquid分析，着色位置为产品最晚冷却区域，红圈处铝液凝固时粘附在模具上时间最长，粘模烧伤风险较高。

2.3 模具方案设计         根据仿真分析结果输出优化对策：①冷隔风险区域增加浇道对冲该位置，提高该区域的填充温度；②对缩孔风险位置模具留出预铸针孔并增加高压冷却，降低缩孔风险；③针对局部裹气位置，优化排气系统，加强排气效果；④热节风险位置模具留出预铸针孔并增加高压冷却；⑤粘模高风险位置对模具型芯针进行氮化处理［13］和模具表面披覆处理。修改后的模具设计方案见图13。 2.4 压铸设备匹配分析        根据仿真分析结果和模具方案，压铸机最大锁模力为70 000 kN，压射力为1 078 kN，系统压力为17.5 MPa，匹配设备P-Q曲线（见图14），确定设备选型方案。

2.4 压铸设备匹配分析        根据仿真分析结果和模具方案，压铸机最大锁模力为70 000 kN，压射力为1 078 kN，系统压力为17.5 MPa，匹配设备P-Q曲线（见图14），确定设备选型方案。

3 压铸试验结果 3.1 压铸内部质量结果         通过压铸试验，产品内部整体质量符合要求，X光探伤结果见图15。

3.2 力学性能检测结果         通过验证本体取样试片（取样位置见图16）测量力学性能（见图17），结果可以满足要求。

3.3 蓝光扫描结果         蓝光扫描结果（见图18）显示，产品整体变形量控制在1.5 mm以内，满足要求。

4.2 进浇口位置拉伤成因分析与对策         图22为进浇口位置拉伤。该位置起模斜度小，进料量较大，模具局部温度高，浇口位置填充速度较快。该位置需要螺柱焊接，产品的表面粗糙度不能过大，所以不能通过模具表面粗糙处理改善，需要模具开镶件加大该面的起模斜度，调整喷涂，将模具温度从80 °C降到50 °C，同时降低高速速度。按照上述措施，有效改善了拉伤问题。

4.3 轮罩连接面变形成因分析与对策         模具滑块打开时渣包排气道断裂，铸件拉变形（见图23）。通过加大渣包起模斜度（见图24），改善渣包排气道的脱模效果；冲浇口模具增加矫形功能，改善了排气道的脱模效果，解决了拉变形问题，同时导入了冲模压矫功能，提升了产品矫形的效率并保证了产品两侧轮罩变形量和开裆距离。

5 结 论         （1）使用仿真分析软件，对一体化前舱压铸模具的浇注系统方案进行优化，对冷隔、缩孔、裹气、热节和粘模高风险位置制定针对性的解决方案，提前规避风险减少后期对模具的改动，有效延长模具的寿命和缩短项目开发周期，降低成本。         （2）对关键部位的本体取样性能结果分析，抗拉强度≥233.4 MPa，屈服强度≥104.6 MPa，伸长率≥ 8.92%，可以满足零件设计性能要求，有效保证整车的安全性能。