汽車(chē)制造生產(chǎn)工藝:擠壓鑄造技術(shù)在東風(fēng)、廣汽汽車(chē)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用實(shí)踐
擠壓鑄造技術(shù)在東風(fēng)、廣汽汽車(chē)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，我們?cè)谄?chē)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)上的應(yīng)用實(shí)踐也許能夠?yàn)槠渌圃焱兴鶇⒖?。目?/span>我國(guó)開(kāi)始中國(guó)制造的“新基建”階段，擠壓鑄造技術(shù)也已成為了國(guó)際鑄鍛件（包括壓鑄件，普通鑄件，鍛壓件等）的生產(chǎn)基地，越來(lái)越多的歐美日韓澳國(guó)家，也包括臺(tái)灣地區(qū)等，將其原來(lái)自行生產(chǎn)或新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)到具有典型成本與技術(shù)優(yōu)勢(shì)的中國(guó)大陸生產(chǎn)。擠壓鑄造技術(shù)是1937年由前蘇聯(lián)發(fā)明，之后對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)研究并生產(chǎn)了200多種擠壓鑄造產(chǎn)品。
20世紀(jì)60年代以后，北美、歐洲和日本開(kāi)戰(zhàn)了大量的擠壓鑄造試驗(yàn)，并將此工藝成功應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中，如鋁合金輪轂、活塞及發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋等。日本豐田公司的輪轂生產(chǎn)廠(chǎng)擁有14臺(tái)VSC1500、2臺(tái)VSC1800擠壓鑄造設(shè)備,已形成年產(chǎn)400萬(wàn)只高檔汽車(chē)鋁輪和120萬(wàn)只復(fù)合材料活塞的生產(chǎn)能力，并已在23種車(chē)輛上得到使用。
到20世紀(jì)80年代后，隨著間接擠壓鑄造方式應(yīng)用的增多，國(guó)外開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的擠壓鑄造設(shè)備，日本、荷蘭及瑞士等國(guó)都開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化擠壓鑄造機(jī)，從而提高了擠壓鑄造工藝水平。
隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展和汽車(chē)輕量化的需要，先進(jìn)的擠壓鑄造技術(shù)在汽車(chē)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，如控制臂類(lèi)、擺臂類(lèi)、連桿類(lèi)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、輪邊支架類(lèi)等底盤(pán)件已部分應(yīng)用鋁合金材料制造。取代部分鍛造生產(chǎn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，替代低壓和差壓鑄造、金屬型重力鑄造生產(chǎn)那些可靠性要求高結(jié)構(gòu)件已成汽車(chē)未來(lái)優(yōu)選趨勢(shì)。
01擠壓鑄造在汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)中的應(yīng)用
轉(zhuǎn)向節(jié)屬于底盤(pán)安全件，具有連接、承載、轉(zhuǎn)向功能，服役條件復(fù)雜。筆者分別為東風(fēng)和廣汽開(kāi)發(fā)的兩款轉(zhuǎn)向節(jié)，其中東風(fēng)汽車(chē)鋁合金擠壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)原型搭載在某SUV車(chē)型，原生產(chǎn)工藝為球墨鑄鐵砂型鑄造，重量達(dá)4.5Kg，采用擠壓鑄造工藝生產(chǎn)的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減重比例大，可滿(mǎn)足零件性能要求，也填補(bǔ)了自主品牌空白。
東風(fēng)汽車(chē)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
采用A356鋁合金擠壓鑄造工藝生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)，根據(jù)乘用車(chē)底盤(pán)零部件的8種典型工況對(duì)初步結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)CAE分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化最終得到鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化數(shù)模和鑄件如圖1(a)、1(b)所示，重量為2.19Kg，減重比例達(dá)56.6%。
轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化數(shù)模8種典型工況CAE分析結(jié)果如表1所示，應(yīng)力分布均滿(mǎn)足要求，小于技術(shù)條件要求的A356材料屈服強(qiáng)度230Mpa。
圖1 左轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)模型
表1 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化模型分析結(jié)果
轉(zhuǎn)向節(jié)采用宇部HVSC-800PL臥式擠壓鑄造機(jī)生產(chǎn)，在模具設(shè)計(jì)上采用間接擠壓工藝布置。對(duì)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造工藝進(jìn)行前期模擬分析，結(jié)果表明，凝固過(guò)程中最后的液相區(qū)在零件前輪中心中部偏下，鑄件熱節(jié)也在此處集中，存在縮孔或縮松的危險(xiǎn)，為保證充型平穩(wěn)及凝固能夠很好的補(bǔ)縮，中間與輪轂連接的圓孔部位進(jìn)行填實(shí)處理，結(jié)合水冷加局部擠壓進(jìn)行改善。由于前期工作做的仔細(xì)認(rèn)真，后期實(shí)驗(yàn)中除在模具上加開(kāi)排氣槽和修改擠壓銷(xiāo)間隙外，整個(gè)過(guò)程基本沒(méi)出現(xiàn)大的麻煩。
擠壓鑄造轉(zhuǎn)向經(jīng)T6熱處理,固溶溫度為530℃保溫480min，40℃水冷，失效溫度為180℃保溫360min。從鑄件本體取樣測(cè)試力學(xué)性能，取樣位置見(jiàn)圖2所示。材料拉伸性能檢測(cè)結(jié)果如表2所示，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
圖2 拉伸試驗(yàn)取樣位置
表2 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)材料力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果
對(duì)擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)樣件加工并與對(duì)偶件裝配后進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試儀器為SCHENCK生產(chǎn)的160KN/100mm液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)加載力的大小、方向、加載頻率等試驗(yàn)參數(shù)均與原鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)相同。對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行典型工況的靜強(qiáng)度及疲勞耐久試驗(yàn)，樣件均未出現(xiàn)裂紋、變形等不符合狀況，通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)。
廣汽汽車(chē)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
零件的技術(shù)要求：抗拉強(qiáng)度σb≧310MPa，A≧8%，σ0.2≧250MPa。首先對(duì)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選用鑄造鋁合金 A356;設(shè)計(jì)重量3197g (約3.2Kg較鑄鐵版本減重超過(guò)50%)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)計(jì)指標(biāo)：擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)抗拉強(qiáng)度大于340MPa,屈服強(qiáng)度大于250MPa，伸長(zhǎng)率≥10% 模具壽命≥8萬(wàn)，廢品率<2.3%，擠壓鑄造周期120S。
圖3 MEH前轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
經(jīng)對(duì)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)不同工況受力CAE分析，如圖4和5所示。得到強(qiáng)度分析結(jié)果如表3
圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果-應(yīng)力云圖
圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果-位移云圖
表3 轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果
經(jīng)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬，充型過(guò)程平穩(wěn)，沒(méi)有卷氣和成型不良現(xiàn)象，凝固過(guò)程也沒(méi)有液相孤島存在，如圖6所示。由于有前期東風(fēng)汽車(chē)擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的研究工作基礎(chǔ)，在廣汽汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的擠壓鑄造工藝實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)展非常順利?；緦?shí)現(xiàn)一次試模成功。得到的擠壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)如圖2-7所示。
(a)充型過(guò)程模擬結(jié)果
(b)凝固過(guò)程模擬結(jié)果
圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造件數(shù)值模擬結(jié)果
圖7 廣汽汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)
圖8 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)
經(jīng)對(duì)廣州汽車(chē)擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表4;應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖8。
表4 擠壓鑄造A356.2鋁合金拉伸試棒的力學(xué)性能
02擠壓鑄造在氣囊支撐臂中的應(yīng)用
氣囊支撐臂是汽車(chē)輪邊驅(qū)動(dòng)橋的核心零件，見(jiàn)圖9，它與汽車(chē)箱體、減震器氣囊模塊、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，具有承載汽車(chē)后部載荷，支撐驅(qū)動(dòng)橋并為減震氣囊起緩沖作用，見(jiàn)圖10。在汽車(chē)行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊減震載荷。氣囊支撐臂的安全可靠性直接影響著整車(chē)的行駛可靠性以及車(chē)載人員的生命安全，其在汽車(chē)零部件生產(chǎn)工業(yè)中具有非常重要的地位。屬于汽車(chē)A級(jí)安保類(lèi)零件，氣囊支撐臂主要失效方式為疲勞破壞。
傳統(tǒng)汽車(chē)氣囊支撐臂主要由球墨鑄鐵鑄造而成。為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，國(guó)外自十年前開(kāi)始研發(fā)高性能鋁合金氣囊支撐臂，由鑄鐵件、鑄鋼件向鋁合金鍛造件的升級(jí)換代，以實(shí)現(xiàn)氣囊支撐臂產(chǎn)品的輕量化。項(xiàng)目來(lái)源于長(zhǎng)江新能源電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)件，鋁合金氣囊支撐臂力學(xué)性能要求：本體取樣抗拉強(qiáng)度>300Mpa，屈服強(qiáng)度>210Mpa，斷后伸長(zhǎng)率>8%。
該產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)初期并不順利，產(chǎn)品臺(tái)架試驗(yàn)曾發(fā)生斷裂，后經(jīng)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，如圖11所示。圖示①處，產(chǎn)品邊界往箭頭所指方向下移5mm。取消過(guò)渡圓弧成直線(xiàn)。黃色部位加厚5mm。改進(jìn)后的零件整體剛度得到加強(qiáng)，受力情況更加合理。從產(chǎn)品本體取樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表5。后經(jīng)多輪臺(tái)架試驗(yàn)產(chǎn)品性能完全滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品臺(tái)架試驗(yàn)如圖12，目前該產(chǎn)品已批量投產(chǎn)。
圖9 氣囊支撐臂
圖10 支撐臂安裝位
圖11 零件修改部位
圖12 臺(tái)架試驗(yàn)
表5 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
03擠壓鑄造在汽車(chē)控制臂中的應(yīng)用
鋁合金控制臂零件最大外型尺寸320mm×154mm，平均壁厚12mm，見(jiàn)圖13。結(jié)構(gòu)帶弧形型彎曲結(jié)構(gòu)，在三個(gè)位置上存在安裝圓孔，用于與其它部件連接，鑄件整體重量為2.5kg。從該鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上看，鑄件結(jié)構(gòu)合理、壁厚適中，適合于采用擠壓鑄造成形。根據(jù)零件的受力工況，經(jīng)對(duì)零件部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，經(jīng)CAE分析得到了兩種應(yīng)力和位移模擬結(jié)果如表6。兩種方案應(yīng)力分布基本一致，性能接近，都在工況四中有最大應(yīng)力，但能夠滿(mǎn)足A356的屈服強(qiáng)度。最終選定方案二作為開(kāi)模制件。圖14為擠壓鑄造鑄件樹(shù)示意圖，圖15為局部擠壓結(jié)構(gòu)圖。圖16為動(dòng)模水路結(jié)構(gòu);圖17是擠壓鑄造控制臂X光探傷圖，從X光照片可以看出：擠壓鑄造控制臂在箭頭所指處有微觀縮松外，其它部位未發(fā)現(xiàn)有縮孔、縮松缺陷。
圖13 鋁合金控制臂
圖14 鑄件樹(shù)示意圖
圖15 局部擠壓結(jié)構(gòu) 圖16動(dòng)模水路結(jié)構(gòu)
圖17 控制臂鑄件X光探傷
圖18是擠壓比壓100MPa條件下控制臂鑄件的顯微組織圖。從圖中可以看出擠壓鑄造控制臂的金相組織為：α+共晶體，在擠壓鑄造條件下，由于擠壓力的存在提高了鑄件的凝固速度，使初生α相的晶粒有了一定的細(xì)化。從控制臂鑄件本體取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，鑄件各個(gè)位置力學(xué)性能相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度均大于300MPa,屈服強(qiáng)度大于230MPa，伸長(zhǎng)率大于8%。達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖19為控制臂臺(tái)架試驗(yàn)裝置，經(jīng)100萬(wàn)次臺(tái)架試驗(yàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿(mǎn)足技術(shù)要求，其中剛度指標(biāo)高于原來(lái)鑄鋼件。
圖18 控制臂顯微組織
圖19 控制臂臺(tái)架試驗(yàn)圖
04在東風(fēng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī) 懸置支架的應(yīng)用
東風(fēng)天龍商用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)左右支架，分110型和113型，110型零件如圖20.是未來(lái)東風(fēng)天龍商用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主打產(chǎn)品，生命周期長(zhǎng)，性能要求高，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)零件需能夠承受250KN不破壞。零件平均壁厚25mm,最大壁厚55mm，用間接擠壓鑄造生產(chǎn)這么厚大零件在國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。左右支架產(chǎn)品如圖20所示。產(chǎn)品材料采用A356.2鋁合金。按設(shè)計(jì)要求從產(chǎn)品最厚部位取樣測(cè)得的力學(xué)性能能如表7。圖21為支架厚大截面剖切圖，從拋光圖可看出鑄件沒(méi)有任何縮松針孔、夾渣等鑄造缺陷。圖22 是擠壓鑄造件與金屬型重力鑄造件斷口對(duì)比圖，擠壓鑄造件的斷口(a)晶粒比金屬型重力鑄造斷口(b)晶粒更加細(xì)小。
圖20 擠壓鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)后懸左、右支架毛坯
表7 擠壓鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)后懸左支架力學(xué)性能
圖21 支架厚大截面剖切圖
圖22 兩種工藝生產(chǎn)的支架斷口比較
圖23為疲勞臺(tái)架實(shí)驗(yàn)裝置，圖24為破壞性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)機(jī)。產(chǎn)品經(jīng)臺(tái)架100萬(wàn)次疲勞臺(tái)架實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)變形、斷裂等問(wèn)題。在破壞性實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)品在365.7KN力的作用下才發(fā)生斷裂破壞，指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于250KN的規(guī)定值。表8為支架承載力測(cè)試檢驗(yàn)報(bào)告。
圖23 疲勞臺(tái)架實(shí)驗(yàn)裝置
圖24 破壞性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)臺(tái)
表8 支架承載力測(cè)試檢驗(yàn)報(bào)告
文章來(lái)源：第十四屆中國(guó)國(guó)際壓鑄會(huì)議/第5屆有色合金及特種鑄造技術(shù)國(guó)際研討會(huì)。作者：羅繼相(武漢理工大學(xué))，裴連進(jìn)、夏望紅、黃毅(廣州金邦液態(tài)模鍛技術(shù)有限公司)原創(chuàng)文章，版權(quán)歸屬原作者， 鑄造學(xué)會(huì)FICMES 有色鑄造 公眾號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關(guān)于汽車(chē)的知識(shí)技巧了，學(xué)習(xí)以上的汽車(chē)制造生產(chǎn)工藝:擠壓鑄造技術(shù)在東風(fēng)、廣汽汽車(chē)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用實(shí)踐知識(shí)，對(duì)于汽車(chē)的幫助都是非常大的，這也是新手學(xué)習(xí)汽修專(zhuān)業(yè)所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問(wèn)題可以點(diǎn)擊右側(cè)人工服務(wù)，我們會(huì)有專(zhuān)業(yè)的人士來(lái)為您解答。
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