汽車方向盤骨架成型工藝及壓鑄模設(shè)計

陳文勇，張 莉，黃嵐霞

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545036；2.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引 言

目前汽車市場上對于不同定位的汽車采用了不同方向盤配置，分為普通方向盤、真皮方向盤、木質(zhì)方向盤、多功能方向盤、運動方向盤等，主要根據(jù)汽車價格進(jìn)行分類，但制作方向盤的材質(zhì)基本相同。一般方向盤由方向盤骨架、方向盤包裹材料及其他部件[1-3]構(gòu)成。

1 方向盤制造工藝

1.1 方向盤材料

方向盤骨架材料多為鋅合金或鋁合金，有些生產(chǎn)企業(yè)采用價格更便宜、質(zhì)量更輕的鎂合金，骨架采用壓鑄生產(chǎn)，少部分企業(yè)的骨架還在使用鋼材鈑金，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4-6]。方向盤壓鑄模材料為鋁鎂合金，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型精度及表面質(zhì)量要求較高。骨架壓鑄成型后固定在發(fā)泡機(jī)中，通過發(fā)泡包裹表面，可獲得最簡單的方向盤。有些方向盤的木料用假木代替，假木一般采用PP、ABS等塑料注射成型[7-9]。

1.2 方向盤骨架成型工藝

方向盤骨架的成型方式包括碳鋼機(jī)加工成型、鋁合金壓鑄成型、鎂合金壓鑄成型。

（1）碳鋼骨架。碳鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度和良好的韌性，在汽車方向盤的應(yīng)用上一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但碳鋼硬度較高決定了其難以用單純的壓力加工等方法成形[10,11]。

（2）鋁合金骨架。鋁合金骨架減震系數(shù)較小，減震性能差[12]，鋁合金壓鑄成型工藝中，汽車方向盤使用材質(zhì)有：A380、A360、ADC12、ADC14、LM22、LM24、AC-46100、AlSi9Cu3。制造工藝方式為：壓鑄→修整→拋丸→精加工→鈍化→包裝，使用冷室壓鑄機(jī)800T或DCC800T。

（3）鎂合金骨架。鎂合金骨架比重輕，衰減系數(shù)高，具有良好的減震、吸噪及阻尼性能，能降低路面對控制系統(tǒng)的震動，保證駕駛員安全，目前國內(nèi)高檔車型普遍使用鎂合金方向盤，但成本較高[12]。3種材質(zhì)性能對比如表1所示。

表1 材料性能對比

2 方向盤骨架鎂合金壓鑄成型

2.1 方向盤骨架零件及成型工藝

某車型的方向盤骨架結(jié)構(gòu)如圖1所示，方向盤盤圈與安裝臺通過4個盤輻連接（2個主盤輻與2個副盤輻）。零件形狀復(fù)雜部位主要在安裝臺，包括有中央軸孔、多個螺釘過孔及2個卡扣。

圖1 方向盤骨架零件

方向盤骨架二維結(jié)構(gòu)如圖2所示，平均壁厚為3.5 mm，最厚處壁厚為6.5 mm，最薄處壁厚為2.5 mm。盤圈最大外沿尺寸為φ380 mm，總高度為129 mm，中央孔直徑為φ22 mm；安裝臺尺寸為88 mm×127 mm，鑄件尺寸精度為IT9級，最小拔模角2°。AM60合金技術(shù)性能滿足方向盤的使用性能，鑄件結(jié)構(gòu)有利于金屬液的填充，壁厚、盤圈與安裝臺的連接方式、安裝臺結(jié)構(gòu)等均能滿足壓鑄工藝要求；模具設(shè)計時，合理設(shè)計成型零件能使成型的鑄件達(dá)到尺寸精度及表面技術(shù)要求。

圖2 鑄件結(jié)構(gòu)

方向盤主要承受因扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的交變應(yīng)力，根據(jù)方向盤力學(xué)性能試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，靜扭破壞力矩應(yīng)大于300 N·m。，采用AM60合金壓鑄成型時，其成型技術(shù)主要包括鎂合金熔化及保護(hù)、壓鑄設(shè)計、工藝過程控制、承力零部件的后續(xù)熱處理等。

方向盤骨架壓鑄材料擬采用AM60鎂合金，屬于Mg-Al-Mn系列合金，除高強(qiáng)度及優(yōu)良鑄造性能外，更有卓越的延伸性和能量吸收特型，目前常采用熱室壓鑄、冷室壓鑄、觸變成型。國內(nèi)方向盤骨架生產(chǎn)企業(yè)大部分采用壓鑄成型工藝，但由于方向盤骨架厚度較厚，需要的液壓力大，保壓時間長，所以方向盤骨架采用冷室壓鑄機(jī)成型。

2.2 成型方案

（1）分型面選擇。結(jié)合鑄件的形狀特點，模具擬采用1模1腔布局方式，分型線選用鑄件的最大外沿輪廓線，設(shè)置圖3所示的PL主分型面。選擇PL面作為主分型面的原因：①鑄件不能在定模模腔內(nèi)產(chǎn)生粘滯，使鑄件留在動模；②簡化壓鑄模結(jié)構(gòu)，保證鑄件表面美觀，降低外觀面的修整難度。

圖3 分型設(shè)計

（2）澆注系統(tǒng)。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點、幾何形狀、型腔排氣條件等工藝因素，結(jié)合所選壓鑄機(jī)，對直澆道、橫澆道以及內(nèi)澆口的位置、形式、尺寸、導(dǎo)流方向、排溢系統(tǒng)的設(shè)置等進(jìn)行綜合考慮，開設(shè)圖4所示的澆注系統(tǒng)。內(nèi)澆口的位置和形式是決定金屬液的填充效果和壓鑄件質(zhì)量的重要因素，澆注采用單澆口進(jìn)行澆注，設(shè)置于安裝臺一側(cè)，主流道設(shè)置于型芯中央部位的凸臺上。盤圈利用4條盤輻進(jìn)行延伸澆注，盤圈前后側(cè)設(shè)置2處溢流口，并相應(yīng)地設(shè)置2條溢流槽及4個散熱槽。

圖4 澆注系統(tǒng)

3 模具設(shè)計

模具結(jié)構(gòu)及安裝如圖5、圖6所示，型腔、型芯直接在定模板5、動模板6上加工，針對局部區(qū)域冷卻和排氣的需要設(shè)置成型鑲件。模具型腔的側(cè)壁厚度留60 mm，支承板厚度≥55 mm，在此基礎(chǔ)上確定型腔板、動模板、動模座板、定模座板的尺寸及主要成型零件的結(jié)構(gòu)與尺寸。

圖5 模具結(jié)構(gòu)

模具使用4根圓柱形導(dǎo)柱導(dǎo)向，分別設(shè)置于模架四角，導(dǎo)柱直徑為φ75 mm，其上、下分別設(shè)置有導(dǎo)套墊套21、導(dǎo)柱墊套24以便于導(dǎo)向高度調(diào)整。成型鑲件通過螺釘固定，如型腔板鑲件20、型芯鑲件36等。定模板5、動模板6、型腔板鑲件20、型芯鑲件36材料采用合金鋼8407，硬度為180 HB。

模具溫度調(diào)節(jié)采用水冷方式，布置冷卻或加熱管道的位置如圖6所示，型腔的冷卻包括2個部分：①定模板5直接開設(shè)水路進(jìn)行冷卻；②型腔板鑲件20由換向閥35、外接管道18等引入冷卻水進(jìn)行冷卻。型芯的冷卻包括3個部分：①動模板6直接開設(shè)水路進(jìn)行冷卻；②壓室1的正下方設(shè)置運水細(xì)管和點式水路進(jìn)行冷卻；③型芯鑲件36的中央部位使用點式冷水井25進(jìn)行冷卻。

鑄件脫模采用推桿+推板推出，在確定推出部位和復(fù)位桿位置及尺寸后，推出機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖6所示，推板10由推桿11推動其上的推桿32將鑄件從動模型芯上推出。動模板6下方增設(shè)多根支撐柱27，推板10由推板導(dǎo)柱28進(jìn)行運動導(dǎo)向。

圖6 模具安裝

模具在裝配前要清點澆口套、推桿、型芯等壓鑄模備件，做好標(biāo)識并分類存放；要注意吊環(huán)螺釘不能有裂紋，其與壓鑄模聯(lián)接必須牢固。壓鑄模工作后，對其進(jìn)行保養(yǎng)：①清理壓鑄模（包括型腔板、型芯、排氣系統(tǒng)等）上鎂（銅或鋅）屑、污垢物，保證壓鑄模清潔和排氣通暢；②壓鑄模每經(jīng)過1萬模次左右的生產(chǎn)后，用除垢劑清除壓鑄模冷卻水道的水垢，保證水流通暢。

4 結(jié)束語

分析了方向盤骨架的結(jié)構(gòu)，并闡述了其成型方式，分別對比了采用碳鋼、鋁合金及鎂合金進(jìn)行壓鑄成型的特點。結(jié)果表明，采用的M60鎂合金材料最適合于該鑄件的壓鑄成型?；阼T件的結(jié)構(gòu)特征及AM60鎂合金材料特點，設(shè)計了1模1腔壓鑄模，模具澆注系統(tǒng)開設(shè)于安裝臺側(cè)邊，利用方向盤的4條盤輻做延伸流道對盤圈進(jìn)行澆注；澆注末端設(shè)置了4處排氣通道和4個風(fēng)琴散熱槽，鑄件的脫模使用推桿推出。模具的動模板須設(shè)置支撐柱以增強(qiáng)模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。實踐證明，該模具分型布置合理，結(jié)構(gòu)簡單，有較好的參考意義。