汽車制造生產(chǎn)工藝:擠壓鑄造技術(shù)在東風(fēng)、廣汽汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用實(shí)踐
擠壓鑄造技術(shù)在東風(fēng)、廣汽汽車已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，我們?cè)谄嚱Y(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肌Ｄ壳?/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)了專門的擠壓鑄造設(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。
隨著新能源汽車的發(fā)展和汽車輕量化的需要，先進(jìn)的擠壓鑄造技術(shù)在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，如控制臂類、擺臂類、連桿類、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、輪邊支架類等底盤(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)件已成汽車未來(lái)優(yōu)選趨勢(shì)。
01擠壓鑄造在汽車轉(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(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，可滿足零件性能要求，也填補(bǔ)了自主品牌空白。
東風(fēng)汽車鋁合金轉(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。基本實(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 廣汽汽車轉(zhuǎn)向節(jié)
圖8 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
經(jīng)對(duì)廣州汽車擠壓鑄造鋁合金轉(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
氣囊支撐臂是汽車輪邊驅(qū)動(dòng)橋的核心零件，見(jiàn)圖9，它與汽車箱體、減震器氣囊模塊、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，具有承載汽車后部載荷，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(jí)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(shí)現(xiàn)汽車輕量化，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。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)汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 懸置支架的應(yīng)用
東風(fēng)天龍商用汽車發(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)于汽車的知識(shí)技巧了，學(xué)習(xí)以上的汽車制造生產(chǎn)工藝:擠壓鑄造技術(shù)在東風(fēng)、廣汽汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用實(shí)踐知識(shí)，對(duì)于汽車的幫助都是非常大的，這也是新手學(xué)習(xí)汽修專業(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)有專業(yè)的人士來(lái)為您解答。
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