汽車方向盤骨架成型工藝及壓鑄模設計

陳文勇，張 莉，黃嵐霞

（1.柳州職業技術學院，廣西 柳州 545036；2.桂林電器科學研究院有限公司，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、木質方向盤、多功能方向盤、運動方向盤等，主要根據汽車價格進行分類，但制作方向盤的材質基本相同。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，有些生產企業采用價格更便宜、質量更輕的鎂合金，骨架采用壓鑄生產，少部分企業的骨架還在使用鋼材鈑金，結構復雜[4-6]。方向盤壓鑄模材料為鋁鎂合金，結構復雜，成型精度及表面質量要求較高。骨架壓鑄成型后固定在發泡機中，通過發泡包裹表面，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。碳鋼具有較高的強度、硬度和良好的韌性，在汽車方向盤的應用上一直占據主導地位，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800T或DCC800T。

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

方向盤骨架二維結構如圖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合金技術性能滿足方向盤的使用性能，鑄件結構有利于金屬液的填充，壁厚、盤圈與安裝臺的連接方式、安裝臺結構等均能滿足壓鑄工藝要求；模具設計時，合理設計成型零件能使成型的鑄件達到尺寸精度及表面技術要求。

圖2 鑄件結構

方向盤主要承受因扭轉而產生的交變應力，根據方向盤力學性能試驗標準要求，靜扭破壞力矩應大于300 N·m。，采用AM60合金壓鑄成型時，其成型技術主要包括鎂合金熔化及保護、壓鑄設計、工藝過程控制、承力零部件的后續熱處理等。

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，除高強度及優良鑄造性能外，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。國內方向盤骨架生產企業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成型。

2.2 成型方案

（1）分型面選擇。結合鑄件的形狀特點，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產生粘滯，使鑄件留在動模；②簡化壓鑄模結構，保證鑄件表面美觀，降低外觀面的修整難度。

圖3 分型設計

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

圖4 澆注系統

3 模具設計

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

圖5 模具結構

模具使用4根圓柱形導柱導向，分別設置于模架四角，導柱直徑為φ75 mm，其上、下分別設置有導套墊套21、導柱墊套24以便于導向高度調整。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。

模具溫度調節采用水冷方式，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直接開設水路進行冷卻；②型腔板鑲件20由換向閥35、外接管道18等引入冷卻水進行冷卻。型芯的冷卻包括3個部分：①動模板6直接開設水路進行冷卻；②壓室1的正下方設置運水細管和點式水路進行冷卻；③型芯鑲件36的中央部位使用點式冷水井25進行冷卻。

鑄件脫模采用推桿+推板推出，在確定推出部位和復位桿位置及尺寸后，推出機構設置如圖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下方增設多根支撐柱27，推板10由推板導柱28進行運動導向。

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，做好標識并分類存放；要注意吊環螺釘不能有裂紋，其與壓鑄模聯接必須牢固。壓鑄模工作后，對其進行保養：①清理壓鑄模（包括型腔板、型芯、排氣系統等）上鎂（銅或鋅）屑、污垢物，保證壓鑄模清潔和排氣通暢；②壓鑄模每經過1萬模次左右的生產后，用除垢劑清除壓鑄模冷卻水道的水垢，保證水流通暢。

4 結束語

分析了方向盤骨架的結構，并闡述了其成型方式，分別對比了采用碳鋼、鋁合金及鎂合金進行壓鑄成型的特點。結果表明，采用的M60鎂合金材料最適合于該鑄件的壓鑄成型。基于鑄件的結構特征及AM60鎂合金材料特點，設計了1模1腔壓鑄模，模具澆注系統開設于安裝臺側邊，利用方向盤的4條盤輻做延伸流道對盤圈進行澆注；澆注末端設置了4處排氣通道和4個風琴散熱槽，鑄件的脫模使用推桿推出。模具的動模板須設置支撐柱以增強模具結構強度。實踐證明，該模具分型布置合理，結構簡單，有較好的參考意義。