汽車制造生產(chǎn)工藝:擠壓鑄造技術在東風、廣汽汽車結(jié)構(gòu)件上的應用實踐
擠壓鑄造技術在東風、廣汽汽車已經(jīng)有了廣泛的應用，我們在汽車結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)上的應用實踐也許能夠為其他制造同行所參考。目前我國開始中國制造的“新基建”階段，擠壓鑄造技術也已成為了國際鑄鍛件（包括壓鑄件，普通鑄件，鍛壓件等）的生產(chǎn)基地，越來越多的歐美日韓澳國家，也包括臺灣地區(qū)等，將其原來自行生產(chǎn)或新開發(fā)的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)到具有典型成本與技術優(yōu)勢的中國大陸生產(chǎn)。擠壓鑄造技術是1937年由前蘇聯(lián)發(fā)明，之后對其進行了系統(tǒng)研究并生產(chǎn)了200多種擠壓鑄造產(chǎn)品。
20世紀60年代以后，北美、歐洲和日本開戰(zhàn)了大量的擠壓鑄造試驗，并將此工藝成功應用到生產(chǎn)實際中，如鋁合金輪轂、活塞及發(fā)動機缸蓋等。日本豐田公司的輪轂生產(chǎn)廠擁有14臺VSC1500、2臺VSC1800擠壓鑄造設備,已形成年產(chǎn)400萬只高檔汽車鋁輪和120萬只復合材料活塞的生產(chǎn)能力，并已在23種車輛上得到使用。
到20世紀80年代后，隨著間接擠壓鑄造方式應用的增多，國外開發(fā)了專門的擠壓鑄造設備，日本、荷蘭及瑞士等國都開發(fā)了自動化擠壓鑄造機，從而提高了擠壓鑄造工藝水平。
隨著新能源汽車的發(fā)展和汽車輕量化的需要，先進的擠壓鑄造技術在汽車結(jié)構(gòu)件上的應用將越來越廣泛，如控制臂類、擺臂類、連桿類、發(fā)動機支架、輪邊支架類等底盤件已部分應用鋁合金材料制造。取代部分鍛造生產(chǎn)高性能復雜結(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)件已成汽車未來優(yōu)選趨勢。
01擠壓鑄造在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)中的應用
轉(zhuǎn)向節(jié)屬于底盤安全件，具有連接、承載、轉(zhuǎn)向功能，服役條件復雜。筆者分別為東風和廣汽開發(fā)的兩款轉(zhuǎn)向節(jié)，其中東風汽車鋁合金擠壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)原型搭載在某SUV車型，原生產(chǎn)工藝為球墨鑄鐵砂型鑄造，重量達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，可滿足零件性能要求，也填補了自主品牌空白。
東風汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的開發(fā)與應用
采用A356鋁合金擠壓鑄造工藝生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)，根據(jù)乘用車底盤零部件的8種典型工況對初步結(jié)構(gòu)進行強度分析，根據(jù)CAE分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多輪優(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，應力分布均滿足要求，小于技術條件要求的A356材料屈服強度230Mpa。
圖1 左轉(zhuǎn)向節(jié)設計模型
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臥式擠壓鑄造機生產(chǎn)，在模具設計上采用間接擠壓工藝布置。對鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造工藝進行前期模擬分析，結(jié)果表明，凝固過程中最后的液相區(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，為保證充型平穩(wěn)及凝固能夠很好的補縮，中間與輪轂連接的圓孔部位進行填實處理，結(jié)合水冷加局部擠壓進行改善。由于前期工作做的仔細認真，后期實驗中除在模具上加開排氣槽和修改擠壓銷間隙外，整個過程基本沒出現(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。從鑄件本體取樣測試力學性能，取樣位置見圖2所示。材料拉伸性能檢測結(jié)果如表2所示，達到設計要求。
圖2 拉伸試驗取樣位置
表2 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)材料力學性能檢測結(jié)果
對擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)樣件加工并與對偶件裝配后進行臺架試驗，測試儀器為SCHENCK生產(chǎn)的160KN/100mm液壓伺服試驗設備。試驗加載力的大小、方向、加載頻率等試驗參數(shù)均與原鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)相同。對轉(zhuǎn)向節(jié)進行典型工況的靜強度及疲勞耐久試驗，樣件均未出現(xiàn)裂紋、變形等不符合狀況，通過了臺架試驗。
廣汽汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的開發(fā)與應用
零件的技術要求：抗拉強度σb≧310MPa，A≧8%，σ0.2≧250MPa。首先對零件進行結(jié)構(gòu)設計，材料選用鑄造鋁合金 A356;設計重量3197g (約3.2Kg較鑄鐵版本減重超過50%)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。設計指標：擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)抗拉強度大于340MPa,屈服強度大于250MPa，伸長率≥10% 模具壽命≥8萬，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)設計
經(jīng)對鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)不同工況受力CAE分析，如圖4和5所示。得到強度分析結(jié)果如表3
圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)強度分析結(jié)果-應力云圖
圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)強度分析結(jié)果-位移云圖
表3 轉(zhuǎn)向節(jié)強度分析結(jié)果
經(jīng)對轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造過程的數(shù)值模擬，充型過程平穩(wěn)，沒有卷氣和成型不良現(xiàn)象，凝固過程也沒有液相孤島存在，如圖6所示。由于有前期東風汽車擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的研究工作基礎，在廣汽汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的擠壓鑄造工藝實驗階段進展非常順利?；緦崿F(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)充型過程模擬結(jié)果
(b)凝固過程模擬結(jié)果
圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓鑄造件數(shù)值模擬結(jié)果
圖7 廣汽汽車轉(zhuǎn)向節(jié)
圖8 應力-應變曲線
經(jīng)對廣州汽車擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)力學性能測試，結(jié)果如表4;應力-應變曲線如圖8。
表4 擠壓鑄造A356.2鋁合金拉伸試棒的力學性能
02擠壓鑄造在氣囊支撐臂中的應用
氣囊支撐臂是汽車輪邊驅(qū)動橋的核心零件，見圖9，它與汽車箱體、減震器氣囊模塊、驅(qū)動系統(tǒng)相連，具有承載汽車后部載荷，支撐驅(qū)動橋并為減震氣囊起緩沖作用，見圖10。在汽車行駛狀態(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的行駛可靠性以及車載人員的生命安全，其在汽車零部件生產(chǎn)工業(yè)中具有非常重要的地位。屬于汽車A級安保類零件，氣囊支撐臂主要失效方式為疲勞破壞。
傳統(tǒng)汽車氣囊支撐臂主要由球墨鑄鐵鑄造而成。為了實現(xiàn)汽車輕量化，國外自十年前開始研發(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換代，以實現(xiàn)氣囊支撐臂產(chǎn)品的輕量化。項目來源于長江新能源電動汽車結(jié)構(gòu)件，鋁合金氣囊支撐臂力學性能要求：本體取樣抗拉強度>300Mpa，屈服強度>210Mpa，斷后伸長率>8%。
該產(chǎn)品在開發(fā)初期并不順利，產(chǎn)品臺架試驗曾發(fā)生斷裂，后經(jīng)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進，如圖11所示。圖示①處，產(chǎn)品邊界往箭頭所指方向下移5mm。取消過渡圓弧成直線。黃色部位加厚5mm。改進后的零件整體剛度得到加強，受力情況更加合理。從產(chǎn)品本體取樣力學性能測試結(jié)果如表5。后經(jīng)多輪臺架試驗產(chǎn)品性能完全滿足了設計要求，產(chǎn)品臺架試驗如圖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 臺架試驗
表5 力學性能測試結(jié)果
03擠壓鑄造在汽車控制臂中的應用
鋁合金控制臂零件最大外型尺寸320mm×154mm，平均壁厚12mm，見圖13。結(jié)構(gòu)帶弧形型彎曲結(jié)構(gòu)，在三個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)對零件部分結(jié)構(gòu)進行修改，經(jīng)CAE分析得到了兩種應力和位移模擬結(jié)果如表6。兩種方案應力分布基本一致，性能接近，都在工況四中有最大應力，但能夠滿足A356的屈服強度。最終選定方案二作為開模制件。圖14為擠壓鑄造鑄件樹示意圖，圖15為局部擠壓結(jié)構(gòu)圖。圖16為動模水路結(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 鑄件樹示意圖
圖15 局部擠壓結(jié)構(gòu) 圖16動模水路結(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化。從控制臂鑄件本體取樣進行力學性能測試，鑄件各個位置力學性能相當，抗拉強度均大于300MPa,屈服強度大于230MPa，伸長率大于8%。達到了設計要求。圖19為控制臂臺架試驗裝置，經(jīng)100萬次臺架試驗產(chǎn)品的各項性能指標完全滿足技術要求，其中剛度指標高于原來鑄鋼件。
圖18 控制臂顯微組織
圖19 控制臂臺架試驗圖
04在東風汽車發(fā)動機 懸置支架的應用
東風天龍商用汽車發(fā)動機左右支架，分110型和113型，110型零件如圖20.是未來東風天龍商用汽車發(fā)動機主打產(chǎn)品，生命周期長，性能要求高，臺架實驗零件需能夠承受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)這么厚大零件在國內(nèi)外鮮有報道。左右支架產(chǎn)品如圖20所示。產(chǎn)品材料采用A356.2鋁合金。按設計要求從產(chǎn)品最厚部位取樣測得的力學性能能如表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)晶粒更加細小。
圖20 擠壓鑄造發(fā)動機后懸左、右支架毛坯
表7 擠壓鑄造發(fā)動機后懸左支架力學性能
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為疲勞臺架實驗裝置，圖24為破壞性臺架實驗機。產(chǎn)品經(jīng)臺架100萬次疲勞臺架實驗未發(fā)現(xiàn)變形、斷裂等問題。在破壞性實驗中，產(chǎn)品在365.7KN力的作用下才發(fā)生斷裂破壞，指標遠遠大于250KN的規(guī)定值。表8為支架承載力測試檢驗報告。
圖23 疲勞臺架實驗裝置
圖24 破壞性臺架實驗臺
表8 支架承載力測試檢驗報告
文章來源：第十四屆中國國際壓鑄會議/第5屆有色合金及特種鑄造技術國際研討會。作者：羅繼相(武漢理工大學)，裴連進、夏望紅、黃毅(廣州金邦液態(tài)模鍛技術有限公司)原創(chuàng)文章，版權歸屬原作者， 鑄造學會FICMES 有色鑄造 公眾號轉(zhuǎn)發(fā)
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