汽車研發(fā)輕量化研究：汽車結(jié)構(gòu)件研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
零排放、輕量化是全球汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢，是節(jié)能減排的重要途徑，是21世紀世界汽車技術(shù)創(chuàng)新的前沿和熱點。汽車輕量化分為材質(zhì)輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化，考慮成本、生產(chǎn)難度等因素，鋁合金和結(jié)構(gòu)件壓鑄是首選材料和最優(yōu)工藝。
汽車結(jié)構(gòu)件是指在車身上起到主要支撐及承載作用的構(gòu)件，作為車身零部件的安裝基礎(chǔ)，常見于橫縱梁、A(B)柱、減震塔、保險杠等部位。車身中傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件一般由鋼板沖壓、拼接而成，重量大、工藝多、效率低，若汽車結(jié)構(gòu)件改用大型輕合金薄壁鑄件，一方面可有效實現(xiàn)輕量化;另一方面，由于結(jié)構(gòu)高度集成、一體成形，從而減少了成型和連接環(huán)節(jié)，精簡工藝，降低成本。
壓力鑄造作為一種特種鑄造技術(shù)已有百年的歷史，是指在高速高壓的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬填入壓鑄模型腔，并使金屬液在一定的壓力下快速凝固成鑄件的一種精密鑄造方法。壓鑄填充壓力大、填充速度高、壓射時間極短，即高速高壓特點。壓鑄件組織致密，能夠保證所需要的強度和硬度。由于高速高壓的特征，壓力鑄造可以生產(chǎn)出形狀復雜、壁薄及深腔的金屬零件。在同一壓鑄廠，同一型號的零件均由同一副壓鑄模具成型，所以零件的互換性好。壓鑄工藝的以上特點，使其在提高有色金屬合金鑄件的精度水平、表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率等方面顯示出較大優(yōu)勢。
采用壓鑄工藝生產(chǎn)鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件，具有尺寸精度和表面粗糙度高、強度和表面硬度較高、鑄件集成化極高、生產(chǎn)率極高等優(yōu)勢。目前，在歐美日等發(fā)達國家，鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件的壓鑄技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而國內(nèi)受多方面因素影響，汽車結(jié)構(gòu)件壓鑄尚處于研發(fā)階段。本文從壓鑄鋁合金、關(guān)鍵成形工藝、熱處理工藝等幾個方面將對鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件特征、壓鑄技術(shù)難點和發(fā)展趨勢做詳細的分析。
1、鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件概要
在汽車車身中，結(jié)構(gòu)件一般為承載件或受力件，如圖1所示，就其本身而言，通常具有尺寸大(500-1500mm)、壁薄(2.5mm左右)、結(jié)構(gòu)復雜、可焊接等特征。由于承載件和受力件與汽車安全性密切相關(guān)，因此要求結(jié)構(gòu)件有較高的屈服強度和抗拉強度的同時，還得具備良好的延伸率，結(jié)構(gòu)件必須具備可熱處理性，以滿足對其機械性能的要求。
汽車結(jié)構(gòu)件的特征決定了其生產(chǎn)工藝為真空壓鑄，一般要求壓鑄機具有大噸位和合模力、高壓射重復性(CPK大于1.66)、短的填允時間、高的壓射速度(10m/s)、合模和壓射端的穩(wěn)定和牢固設(shè)計等特點。采用真空技術(shù)，利用大噸位壓鑄機高速高壓推動鋁湯完成充型，鋁水在型腔中快速凝固，獲得細晶組織和較高的表面硬度，經(jīng)過熱處理，通過固溶時效強化，基本都能達到高強高韌的性能要求。
真空壓鑄工藝生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)件，除保留了壓鑄件固有的優(yōu)點外，還可以適用焊接、螺接、鉚接等多種連接方式，并可應用于要求高塑性、韌性等多種復雜的受載場合。
2、鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件壓鑄生產(chǎn)所面臨的問題
2.1 汽車結(jié)構(gòu)件壓鑄所需鋁合金的研究
(1)壓鑄鋁合金的特點
壓鑄工藝的特殊性決定了壓鑄鋁合金的特點，壓鑄合金除了要滿足壓鑄件本身的性能要求(較高的比強度、抗蝕性能和良好的鑄造性能、加工性能和可再生性，以及優(yōu)良的導電導熱性能)，還應滿足壓鑄工藝的要求：(1)在過熱度不高，甚至處于兩相區(qū)內(nèi)時，應具有較好的塑性體流變性能，以便于填充復雜型腔，保證良好的鑄件表面質(zhì)量，減少鑄件內(nèi)縮孔;(2)線收縮率小，以免鑄件產(chǎn)生裂紋和變形，且提高鑄件尺寸精度;(3)兩相區(qū)范圍窄，減少鑄件中縮孔產(chǎn)生的可能性;(4)在高溫線具有一定強度，防止模具開模時推出鑄件產(chǎn)生變形或破裂;(5)與壓鑄型不發(fā)生化學反應，潤濕角較大，防止粘型和鑄件、鑄型相互合金化;(6)在液態(tài)保溫靜置時不易吸氣、氧化，以滿足壓鑄過程的長期保溫特點。
（2）壓鑄鋁合金的分類
壓鑄鋁合金種類繁多，主要分為Al-Si系、Al-Mg系、Al-Zn系。Al-Si系包括Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg等，Al-Mg系包括Al-Mg、Al-Mg-Cu等，Al-Zn系包括Al-Zn-Si、Al-Zn-Mg等。
（3）汽車結(jié)構(gòu)件用新型壓鑄鋁合金的研發(fā)
目前來看，對于汽車車體結(jié)構(gòu)件用壓鑄鋁合金，尚未有明確的要求和規(guī)范，S. Ji等人依照變形鋁合金的應用經(jīng)驗，對汽車用高強韌壓鑄鋁合金的特點做了具體描述：
(1)適用于2-4mm壁厚的復雜結(jié)構(gòu)壓鑄件的生產(chǎn)，且組織致密孔隙率較低;
(2)鑄態(tài)的抗拉強度可以達到300MPa和屈服強度可以達到150MPa，斷后伸長率15%;(3)耐蝕性較好;
（4） 可以通過工業(yè)上常規(guī)高溫(180℃)噴漆過程對其進行一定的強化;
(5)出于重復利用和環(huán)保角度，該合金最好也能夠用作變形鋁合金，用于汽車車體結(jié)構(gòu)件的制造。
在全球汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展驅(qū)動下，各國紛紛研究高強韌壓鑄鋁合金，如德國Alumium Rheinfelden公司開發(fā)的Silafont-36(AlSi9Mg)、Castasil-37、Magsimal-59等高強韌壓鑄鋁合金，在強度不降的前提下，把鐵含量降低到0.2%以下，從而提高合金塑性，而為了避免粘模，加入0.5-0.8%的錳元素，結(jié)合真空壓鑄技術(shù)該合金已經(jīng)在工業(yè)上應用于汽車車門、減震塔等制造;矢幡茂雄研究了AC4C(與ZL101類似)合金的機加工性和熱穩(wěn)定性，調(diào)整了該合金的鎂和錳含量，最終將AC4C發(fā)展為為量產(chǎn)用的壓鑄鋁合金;山縣裕等人研究了適合于高真空壓鑄的高硅鋁合金(DiASi1)，該合金有較高的強度和優(yōu)良的耐磨性，成功用于摩托車發(fā)動機缸體的壓鑄成形。
另外，韓國專利(KR20060046361)介紹了一種汽車用高強韌壓鑄鋁合金，該合金通過加入0.05-0.3Zr、30ppmCe或5-30ppmNa，或1-30ppmCa以細化晶粒，這樣在鑄態(tài)下得到較高的韌性和膨脹性;德國專利DE19713398展示了兩種高強韌壓鑄鋁合金，它們在鑄造成型后需要局部冷塑性加工的，該合金中主要合金元素為Mn、Mg和Fe，此外還可以含有0.1-0.2%Ti、0.01-0.1%B和0.01-0.2%Be。Christian Castella研究了自強化壓鑄鋁合金，在德國牌號UNIFONT-90和UNIFONT-94的基礎(chǔ)上添加了不同含量的Mg，深入考察了Mg含量和冷卻速率對其機械性能和耐蝕性能，該合金可通過自然時效得到強化(可與A356-T6媲美)，這樣就避免了汽車結(jié)構(gòu)件熱處理過程中的變形，同時還節(jié)省了生產(chǎn)成本。
總之，所有高強韌壓鑄鋁合金的Fe含量都比普通壓鑄鋁合金更低，其他雜質(zhì)元素(Zn，B，Ti等)均進行嚴格控制，目的是避免合金中產(chǎn)生針狀的AlFeSi相，該相會惡化合金的強度、塑性及疲勞等性能，在鑄件受力狀態(tài)下還可能誘發(fā)裂紋。
2.2 汽車結(jié)構(gòu)件壓鑄成形關(guān)鍵工藝
（1）模具結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化技術(shù)
對于汽車結(jié)構(gòu)件的壓鑄模具設(shè)計過程中，要注意以下幾點：①首先要正確設(shè)計澆注系統(tǒng)，合理選定澆注系統(tǒng)位置、充型方向以及各部分的尺寸，保證良好的充型順序和流態(tài);②模具的排氣口要設(shè)置在型腔最后充填的位置，保證抽真空持續(xù)至充型結(jié)束，此外，在鑄件的重要部位、液流匯合或容易產(chǎn)生紊流的部位也應設(shè)置排氣口，減小這些部位產(chǎn)生缺陷的可能性;③應對排氣道面積進行仔細校核，真空通道面積足夠，保證排氣暢通;④模具密封性影響真空的形成，必須保證模具密封良好;⑤要仔細分析模具的熱平衡，合理設(shè)計冷卻/加熱管道，這是生產(chǎn)中對模具溫度進行有效控制的前提條件;⑥在模具制造之前，最好進行充型及凝固方面的模擬，由此可獲得壓鑄過程信息，有助于模具的改進。
壓鑄工藝對生產(chǎn)合格的汽車結(jié)構(gòu)件十分重要，正確地選擇壓射模式、壓射參數(shù)等有利于減少壓鑄件中的缺陷。壓鑄件中的氣體有相當一部分來自金屬液在壓室中的預充填階段，所以應充分注意優(yōu)化慢壓射階段的壓射模式，避免金屬液在壓室中卷入氣體。應正確選用脫模劑和潤滑劑，優(yōu)化噴涂工藝。壓鑄機性能穩(wěn)定，要有靈活的編程模式和實時控制系統(tǒng)，保證整個壓鑄過程合理及工藝參數(shù)偏差最小。對模具溫度應進行精確控制，通過冷卻水分配器，監(jiān)控各個冷卻回路的流量及溫度，形成要求的溫度分布。良好的模具設(shè)計，恰當?shù)膲鸿T工藝，理想的充型模式，可以保證鑄件品質(zhì)優(yōu)良，減輕對真空度的依賴。此外，在重要部位或厚壁部位還可以使用擠壓銷，減小縮松或增加密度。使用金屬液前沿傳感器，準確知道金屬液的流程，可以優(yōu)化充填模式。
（2）溫度控制技術(shù)
汽車結(jié)構(gòu)件壓鑄過程中的溫度控制主要分為壓鑄單元內(nèi)和壓鑄單元外(也稱島內(nèi)和島外)，島外溫度控制是指鋁合金熔液溫度，島內(nèi)溫度控制包括模具、壓室與沖頭、分流錐與澆口套等溫度平衡控制，島內(nèi)所有用于控溫的設(shè)備和系統(tǒng)統(tǒng)稱溫控島。壓鑄溫控島示意圖和原理圖如圖2所示，通過模溫機單元連續(xù)工作控制動定模、模框和模架溫度，利用常壓冷卻裝置連續(xù)工作控制壓室、沖頭分流錐和澆口套溫度，采用高壓模冷機斷續(xù)工作控制模芯、模塊溫度，通過細芯點冷機斷續(xù)工作控制型芯銷、小鑲塊溫度。
圖2壓鑄溫控島示意圖（a）和原理圖（b）
其中，模溫機是用來調(diào)節(jié)模具溫度的平衡，可以升溫也可以降溫。模溫機利用高熱傳性的導熱媒體，以便在很短的時間內(nèi)將模具內(nèi)多余的熱送走。在設(shè)定好熱平衡溫度后，能自動控制其溫度在極小誤差之內(nèi)，且能維持定值。利用模溫機調(diào)節(jié)模具的平衡溫度，可以預熱模具的生產(chǎn)溫度，優(yōu)化循環(huán)時間，更好地促進產(chǎn)品定型，減少開機時絕大部分的次品率。
（3）真空壓鑄技術(shù)
真空壓鑄是將模具中的氣體抽出，使型腔達到較高的真空度，金屬液在接近于真空的狀態(tài)下迅速充填型腔，卷入氣體很少，使得鑄件的力學性能大大提高，真空壓鑄生產(chǎn)出來的鑄件可以進行焊接、熱處理等。
真空充型是結(jié)構(gòu)件壓鑄重要的工藝措施，采用真空工藝應注意以下幾點：①及時啟動真空系統(tǒng)，沖頭封住澆料口后立即開始抽真空;②真空系統(tǒng)功率足夠，抽真空快速;③壓室充滿前必須達到要求的真空度，否則影響效果;④盡量延長抽真空時間，真空閥盡可能的遲閉合。
隨著科學技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，開發(fā)高真空壓鑄技術(shù)，充分發(fā)揮壓鑄的技術(shù)和成本優(yōu)勢，生產(chǎn)高強度、高韌性的壓鑄件來取代汽車中的一些鋼制結(jié)構(gòu)件是世界各國競相研發(fā)和推廣應用的技術(shù)之一。
德國Muller-Weingarten公司和Vaw公司聯(lián)合開發(fā)出Vacural法，如圖3所示，是將熔化爐通過升液管和壓射室直接相連，抽真空時先將金屬鋁液吸入到壓射室內(nèi)，接著繼續(xù)抽真空至預定真空度后在壓射成形。該方法需要專用設(shè)備，且技術(shù)受專利保護，所以價格成本高。
Alcan-BDW公司開發(fā)的MFT(Minimum Fill Time)法，如圖4所示，大致分為四個步驟：澆注→慢壓射(開始抽真空)→快壓射(結(jié)束抽真空)→壓射完畢。該方法使用普通壓鑄機，其工藝特點是采用多澆道和大面積內(nèi)澆口以保證金屬鋁液在極短時間內(nèi)充填型腔。該方法使用普通壓鑄機，設(shè)備門檻較低，因而普及率較高。
日本Yamaha公司開發(fā)Vacuum Golve Box法，是將整個模具裝在一個密封罩內(nèi)，設(shè)備有幾個抽氣回路來抽取密封罩內(nèi)模具中的空氣，確保了模具型腔中的高真空度，該方法效果好，但嚴重影響操作的便利性。
近期，瑞士Buhler公司開發(fā)的Strucral法，如圖5所示，基于通用壓鑄機和熔化設(shè)備，雙回路抽真空，慢壓射時壓室真空回路開始工作，當沖頭走過澆料口時，壓室真空回路關(guān)閉，型腔真空回路開始工作，再加上輔助工藝措施，優(yōu)化壓鑄工藝和控制壓鑄過程，與通用真空壓鑄工藝接近。另外，模具分型面、沖頭、鑲塊及頂針的密封技術(shù)配合Strucral法，這樣真空壓鑄技術(shù)容易形成生產(chǎn)力，生產(chǎn)轉(zhuǎn)化方便，實際生產(chǎn)中獲得廣泛應用。
（4） 微量噴涂技術(shù)
噴涂是壓鑄過程中的一項重要工藝，其宗旨是保護模具表面和冷卻模具熱節(jié)，主要目的為：(a)適度冷卻：將模具表面溫度控制在180-250℃之間，使脫模劑有效粘附;防止模具表面溫度影響壓鑄件的機械強度(退火效應);防止壓鑄件因模具表面溫度分別不均產(chǎn)生裂紋和塑性形變;減少模具溫差應力，延長模具壽命。(b)潤滑：使金屬液充分填充，改善填充時的液流;防止壓鑄機粘膜，拉模，刮傷和表面磨損;較小摩擦，減少模具表面磨損;隔離鑄件和模具，使順利脫模;防止涂料堆積。(c)除雜：除去殘留金屬屑;除去殘留水分，減少氣孔;除去多余涂料，防止堆積。
然而，脫模劑或潤滑劑可產(chǎn)生氣體進入鑄件，增加鑄件中的含氣量。在采用真空工藝時，脫模劑或潤滑劑的揮發(fā)則是鑄件中氣體的重要來源。首先在選用脫模劑或潤滑劑時，要經(jīng)過驗證，選用發(fā)氣性低和揮發(fā)性好的產(chǎn)品;其次，要選用先進的噴涂設(shè)備，具備高動態(tài)特性，噴涂參數(shù)可調(diào);另外，盡可能減少噴涂量，保證快速噴涂和精確噴涂。
在結(jié)構(gòu)件壓鑄生產(chǎn)中，要對噴涂時間、噴涂角度和范圍、噴吹距離等因素進行優(yōu)化，在型腔中不可有殘留水分，使進入鑄件的氣體最少。這就促使了微量噴涂技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。
微量噴涂技術(shù)：通過定量機構(gòu)，將定量定體積的脫模劑噴涂在模具表面，同時實現(xiàn)精細霧化，有效成膜，實現(xiàn)有效脫模，保護產(chǎn)品成型。其優(yōu)點：縮短噴涂時間;延長模具壽命;模具無水分殘留;無廢水處理需求;對水、氣壓力要求低。
微量噴涂技術(shù)的應用避免了目前的脫模劑使用量較大、產(chǎn)生粉塵及水污染問題，減少生產(chǎn)節(jié)拍時間、提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品合格率。
（5）計算模擬技術(shù)
壓鑄過程的仿真包括鑄件充型數(shù)值模擬、凝固數(shù)值模擬、微觀組織數(shù)值模擬、熱應力數(shù)值模擬機、壓鑄缺陷預測等。經(jīng)過國內(nèi)外學者多年的不斷努力，壓鑄成形數(shù)值模擬技術(shù)不斷向廣度、深度發(fā)展，已成為當今國際公認的材料及制作科學的重要前沿領(lǐng)域，正朝著高功能、高效率、高保真的模擬仿真方向發(fā)展，大體趨勢如下：
(a)模擬尺度由宏觀模擬走向微觀模擬;
(b)考慮多物理場和多尺度模擬的整體優(yōu)化設(shè)計，模擬功能已從單一的溫度場、應力/應變場、流場、組織場模擬逐步進入耦合集成階段;
(c)結(jié)合并行與敏捷化工程以及虛擬制造技術(shù)，成為網(wǎng)絡(luò)化的異地設(shè)計與制造的重要內(nèi)容。
2.3 汽車結(jié)構(gòu)件的熱處理工藝
為了提高壓鑄件機械性能、改善加工性能、消除晶內(nèi)偏析和內(nèi)應力，選用某一熱處理規(guī)范，控制加熱速度升到某一相應溫度下保溫一定時間以一定得速度冷卻，改變其合金的組織，最終提高機械、耐蝕等綜合性能，且獲得尺寸的穩(wěn)定性。
壓鑄鋁合金由于其內(nèi)部含有大量氣孔，導致其一般壓鑄態(tài)不能進行熱處理，而熱處理優(yōu)勢最簡單、最方便提高鑄件性能的途徑。相關(guān)壓鑄熱處理的研究表明，每100g鋁壓鑄件含氣量為1-3ml(一般壓鑄件的含氣量約為10-50ml/100g)，就可以對壓鑄件進行高溫熱處理或焊接加工工序，壓鑄件表面無起泡缺陷，且尺寸穩(wěn)定。
利用真空壓鑄技術(shù)，氣泡在熱處理過程中引起的氣泡缺陷問題完全可以得到控制。汽車結(jié)構(gòu)件熱處理中面臨最大問題是變形，由于汽車結(jié)構(gòu)件通常壁厚只有2-4mm，且尺寸較大，在壓鑄成形過程中因激冷、鑄件本身結(jié)構(gòu)特點和壁厚不均而阻礙收縮會產(chǎn)生的很大內(nèi)應力，內(nèi)應力在熱處理過程中得到釋放，汽車結(jié)構(gòu)件發(fā)生較大變形。
解決汽車結(jié)構(gòu)件熱處理變形問題，可以從兩方面入手。其一，借助數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合實際生產(chǎn)，對壓鑄模具和壓鑄工藝進行系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化，合理布局充型順序，使結(jié)構(gòu)件整體實現(xiàn)順序凝固，開模取件時，模具和鑄件溫度場均勻，這是從源頭解決熱處理變形問題;其二，使用帶夾具的熱處理料框，如圖6所示，使結(jié)構(gòu)件固定，阻止其變形，相對而言，這屬于補救措施。另外，料框結(jié)構(gòu)應做到輕量化、柔性化，整體結(jié)構(gòu)在保證對工件提供足夠支撐的前提下，盡量簡易化，以降低料框重量，做到節(jié)能減排;料框內(nèi)部支撐與固定部分采用柔性設(shè)計、易更換，多產(chǎn)品、多規(guī)格可共用，減少料筐投資和場地占用。
3、結(jié)束語
（1） 利用計算機模擬技術(shù)對鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件的壓鑄進行模擬仿真是必經(jīng)之路，從合金設(shè)計、相圖分析到澆排系統(tǒng)、模流分析、熱應力計算，再到熱處理、機加，設(shè)計到的所有工藝參數(shù)都要通過數(shù)值模擬和理論分析，并結(jié)合生產(chǎn)實際，進行嚴格控制。
（2） 采用模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、溫度控制技術(shù)、真空壓鑄技術(shù)、微量噴涂技術(shù)等，并不斷優(yōu)化現(xiàn)有壓鑄工藝，合理引進先進技術(shù)，才能得到滿足使用要求的汽車結(jié)構(gòu)件。
（3） 未來，汽車結(jié)構(gòu)件將朝大型化、集成化、復雜化的方向發(fā)展，生產(chǎn)工藝更加自動化、智能化。
本文作者： 張笙輝 張曉慶 岳凱 王國平
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