随着汽车工业的飞速发展，铝合金压铸件越来越多，为实现节能减排，压铸件的设计已向多功能、多零件组合的方向发展，因此压铸件上常常会出现厚壁区域壁厚过大，易产生缩孔、缩松等铸造缺陷。为满足零件的功能要求，常采用局部增压、半固态压铸、嵌件压铸等方法以提高铸件的内部品质［1］。本研究以汽车发动机链条罩盖为研究对象，介绍平板类铸件的浇注系统、排溢系统的设计，并通过采用嵌铸的方法，解决链条罩盖吊装孔处缩孔缺陷，旨在为生产提供参考。1铸件的工艺分析及开发难点图1为某型汽车发动机链条罩盖，铸件外轮廓尺寸为265 mm×133 mm×49 mm，单件质量为480 g，投影面积为261 cm2。铸件整体结构扁平长，一般壁厚为2.5 mm，周边有12处螺栓安装凸台，中部两侧各有1处直径为ϕ49.5 mm的通孔，中心部位有最小宽度为11 mm的拱形桥，心部设有直径为ϕ20 mm的吊装孔。铸件材质为Al-9Si-3Cu（Fe），内部孔隙要求吊耳处最大孔隙小于2 mm，其他部位小于0.8 mm，铸件密封性要求在0.04 MPa压力下泄漏量小于3 mL/min。10.15980/j.tzzz.2024.04.001.F001图1链条罩盖Fig.1Chain cover在满足型腔最小壁厚要求的前提下，最大抽芯尺寸为ϕ10 mm会导致吊耳附近因壁厚过大产生缩孔缺陷。国外采用侧向抽芯ϕ10 mm，机加工至ϕ20 mm的生产工艺。由于侧向抽芯尺寸小，铸件内部存在大量缩孔，机加工扩孔单面加工余量为5 mm，加工后内部缩孔暴露在吊装孔表面，既影响铸件的强度又影响外观质量，因此成品率低。针对以上开发难点，在开发前期进行失效模式分析，采取有效措施，通过合理设计浇注系统并采用嵌铸的工艺方法，有效解决了铸件内部品质问题。2模具浇注系统及排溢系统的设计浇注系统由横浇道、直浇道、内浇口和余料组成［2］。浇注系统对金属液在模具内的流动状态及方向、溢流排气条件和压力传导起到关键作用。排溢系统是在金属填充型腔的过程中，排除污料、冷料及残留气体的通道，通常与浇注系统一体进行考虑和设计。该链条罩盖年产量为10万件，为提高生产效率采用一模两腔结构，兼顾考虑铸件外形结构、抽芯方向以及内浇口不冲击型芯等条件，选择一模两腔立式放置，浇注系统及排溢系统的设计见图2。单件采用多支双向充填，分支浇道布置于边缘两螺栓孔中间，避免直接冲击型芯；通过分析充填过程中可能出现的多股金属液汇集和裹气部位，在此位置设计溢流槽。10.15980/j.tzzz.2024.04.001.F002图2浇注系统及排溢系统Fig.2Gating system and overflow system1.直浇道2.横浇道　3.内浇口　4.溢流槽2.1模具内浇口的设计计算（1）内浇口截面积计算内浇口的截面积与通过内浇口的金属液流速有关，可以用流量计算法进行估算［3］，并通过模拟分析和试模加以验证：Ag=m/（ρvt）式中，m为通过内浇口的金属液质量，包括铸件和溢流系统的总质量，g；ρ为金属液密度，g/cm3；v为内浇口处金属液的流速，m/s；t为填充时间，s。铝合金链条罩盖m=596 g，液态铝合金密度ρ=2.4 g/cm3，依据此铸件的结构及壁厚，选择填充速度v=35 m/s，填充时间t=0.03 s，代入上式得Ag= 236 mm2。（2）内浇口的厚度及形状链条罩盖分型面为平直分型面，位于铸件厚度方向中部，内浇口选择在分型面上铸件边缘厚壁处，有利于金属液快速填充。内浇口采用多支平直式，依据铸件结构，双侧共布置14处分支浇道，内浇口厚度为2.0 mm，长度为2.5 mm。横浇道与内浇口同时布置在模具动模侧，由横浇道向内浇口采用60°过渡，以减少能量损失。2.2排溢系统的设计压铸模排溢系统主要包括溢流槽和排气道，可以控制金属液的充填和流动状态，合理的布置排溢系统能够有效地减少冷隔、流痕、气孔等铸造缺陷［4-5］。溢流槽和排气道的设计与铸件结构、浇注系统结构和尺寸等因素有关。溢流槽的位置一般布置在分型面上，选择金属液最先冲击的位置、最后充填的位置以及多股金属液汇集的位置，排气道设置在溢流槽的后端，加强溢流和排气的效果。（1）溢流槽的尺寸计算溢流槽的尺寸主要包括溢流槽的容积和溢流口的截面积。按照金属液充填的方向和路径，将型腔划分为若干个小区域，每个区域的出口处设置溢流槽，每个溢流槽的容积与相邻型腔的容积有关，溢流槽容积占相邻型腔区域的百分数见表1。根据链条罩盖结构及内浇口的布置，溢流槽设计在充填末端金属流汇集处，外边缘溢流槽体积取相邻区域铸件体积的25%～50%，中心内孔处取相邻区域铸件体积的约100%，除了可以排除冷料污料和气体外，还起到平衡模具温度的作用。10.15980/j.tzzz.2024.04.001.T001表1溢流槽容积推荐值Tab.1Recommended volume of overflow well铸件平均壁厚/mm溢流槽容积占相邻型腔区域的百分数/%铸件表面粗糙度较低铸件表面允许有少量折皱1.3100501.850252.52525全部溢流槽溢流口的截面积应等于内浇口截面积的60%～75%，链条罩盖单个铸件所有溢流口的截面积之和为142 mm2。溢流口的进料方向通过使用模拟软件进行流动分析的结果来确定。（2）排气槽的设计链条罩盖的排气道设置在模具上方两侧，见图3。每一侧排气道是将充填末端的4个溢流槽连通，通过折线形阻尼式通道最终排出型腔。这种结构的排气道既能有效地阻止金属液喷射又能顺利将型腔内气体排出。排气槽的总截面积一般取铸件内浇口的20%～50%，链条罩盖单个铸件排气槽的最小截面为47 mm2。模具设计采用阻尼式通道，由动静模两个排气道镶块组成，排气道宽80 mm，排气间隙最小值为0.6 mm。10.15980/j.tzzz.2024.04.001.F003图3链条罩盖压铸模结构图（动模）Fig.3Structure of chain cover die casting mold1.浇道2.铸件　3.动模型腔　4.上液压缸　5.方导柱　6.排气道镶块　7.动模套板　8.分流锥3链条罩盖的模具结构设计3.1模具整体结构设计链条罩盖模具结构见图3，铸件一模两腔立式排放，通过锁模力的计算，选择铝台精机9 000 kN压铸机。压室位于模具中心下方偏心200 mm的位置。为满足铸件侧向吊装孔的成形，采用液压侧向抽芯机构，在模具上方布置液压缸，用于实现吊装孔嵌件的定位。由于铸件型腔形状相对简单，模具成形零件采用整体式镶块结构，简化模具结构的同时有利于冷却水道的布置。动定模套板是成形零件、导向零件及侧向抽芯机构的载体，并承受压铸时压射力冲击，采用整体式结构，在保证使用功能及强度的前提下，使模具结构更简单、紧凑。推出机构采用推杆推出，由于铸件为扁平类铸件，推杆的布置尽量使铸件各部位所受推出力均衡，以防止铸件变形。因此在满足推出力的前提下，增加推杆数量，在动模镶块每个型腔上设置30处直径为ϕ8 mm的推杆，其中型腔16处、浇道9处、溢流槽5处。 冷却系统根据铸件结构、位置的变化采用循环水冷却和单点水冷配合使用。3.2嵌件结构的模具型腔设计吊耳处ϕ20 mm的吊装孔附近局部体积厚大，充型缓慢，容易引起滞气及收缩缺陷［6］。为减少吊耳厚壁处的缩孔缩松，提高铸件内部品质，采用嵌铸工艺。嵌铸是把金属零件（嵌件）先放在压铸模内，再与压铸件铸在一起，以消除铸件局部热节，减小铸件壁厚，防止缩孔产生。（1）嵌铸的结构设计由于该链条罩盖外形结构较简单，铸件在最大轮廓处分型后，两侧包紧力没有明显的差异，因此在确定分型面后，将链条罩盖吊耳孔处需要设计侧抽芯结构的成形部分设计在动模，同时将周边法兰面上的预铸孔型芯也设计在动模，可以增大动模部分的包紧力，避免开模后铸件留在定模型腔。 这种分型设计导致嵌件放置在动模型腔中，为保证嵌件在压铸过程动模移动时稳定牢靠，必须设计可靠的定位和压紧方式。动模型腔吊耳处设计嵌件结构见图4，吊耳成形处小端宽为11 mm，起模斜度为（单面）2°，在安装嵌件的位置取消起模斜度，这样在Y方向出现宽为13 mm的台阶，用于嵌件在X、Y、Z 3个方向的粗定位。在嵌件的中心设计精定位孔，嵌件安装后，用液压缸带动定位杆下行，进入嵌件的定位孔中，实现精定位并固定嵌件，防止压铸过程中嵌件出现位移。10.15980/j.tzzz.2024.04.001.F004图4嵌铸结构Fig.4Embedded casting structure1.动模型腔2.液压定位杆　3.嵌件（2）嵌件的设计嵌件的设计见图5，嵌件的大端外圆尺寸设计为ϕ20.25 mm，设计起模斜度为1°。为防止安装时放置反向，在嵌件大端平面加工出深0.6 mm的环形槽做防错标识。内孔ϕ10 mm用于插定位杆进行精定位并固定嵌件。材质为SKD61钢，淬火后其洛氏硬度（HRC）为50～52。10.15980/j.tzzz.2024.04.001.F005图5嵌件Fig.5Inserts（3）嵌铸工艺流程开模后，机械手抓取嵌件放入动模型腔吊耳成形处粗定位，上液压缸插芯带动定位杆下行实现嵌件精定位及压紧。合模、压铸，开模后液压缸带动嵌件定位杆回程抽芯，嵌件与铝合金零件形成一体且在开模方向无阻碍，推出机构将铸件推出。铸件取出后自然冷却60 s（即一个零件的生产节拍），在切边机上进行切边去除浇道和溢流槽，同时将嵌件推出，人工集中收集后放到嵌件托盘中循环使用。4批量生产验证链条罩盖压铸模在9 000 kN压铸机上进行压铸生产，试模后根据铸件质量对溢流槽进料口方向进行微调。批量压铸验证铸件内部质量完全满足图纸要求，尤其是吊耳处较CKD零件有显著改善，X光检测铸件无明显可见缩孔，合格率达99%以上。吊耳处X光图片见图6。目前此模具结构已经过大批量生产验证和多次模具复制，生产过程全自动化，压铸机配备两台机器人，一台喷涂、吹气清理模具，另一台机器人安装嵌件、取件，将铸件放到切边机上切除废料、推出嵌件。整个生产过程压铸模具运行稳定可靠，生产效率高，并较少了吊装孔的后序加工。10.15980/j.tzzz.2024.04.001.F006图6X光检测图片Fig.6X-ray inspection5结论（1）链条罩盖属于扁平类且中心带通孔的铸件，可以通过使用双向多支浇道实现快速填充；结合合理的排溢系统设计，铸件可以实现优良的表面和内部品质。（2）对有厚壁结构的铸件，受铸件结构和模具结构影响，无法有效地实施抽芯和局部增压工艺时，可以采用嵌铸工艺进行压铸。（3）使用嵌件进行压铸生产能够消除铸件局部热节，减小铸件壁厚，有效防止缩孔产生。