原標(biāo)題：一體化壓鑄工藝在車身減震塔上的開發(fā)與應(yīng)用

摘要：介紹了通過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，將鋼板沖焊結(jié)構(gòu)減震塔設(shè)計(jì)成一個(gè)壓鑄件，重量由11.24 kg降到5.06 kg，實(shí)現(xiàn)減重55%。并采用高真空壓鑄工藝完成樣件試制，材質(zhì)選用AlSi10MgMn，尺寸范圍540 mm×510 mm×300 mm，平均壁厚為3.5 mm，最小壁厚達(dá)2.5 mm，最大壁厚達(dá)5 mm。通過采用高真空壓鑄工藝、T7熱處理等工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能要求，本體取樣檢測力學(xué)性能滿足屈服強(qiáng)度R p0.2 ≥120 MPa，抗拉強(qiáng)度R m ≥180 MPa，伸長率A 50 mm ≥10%。

汽車輕量化、少件化是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)和制造的主流方向。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，為了減輕汽車質(zhì)量和提高續(xù)航里程，整車對輕量化技術(shù)的需求更為迫切。以某款純電動(dòng)車為例，電池、車身、底盤系統(tǒng)占整車重量超70%，其中車身系統(tǒng)占比約22%。從車身材料來看，鋼鐵約占重量的65%~70%，有色金屬占據(jù)10%~15%、非金屬材料占據(jù)20%，未來有色合金的應(yīng)用比例還有進(jìn)一步提升空間。

中國品牌車身輕量化程度與國外品牌相比仍有一定差距，當(dāng)前以鋼、鋁為主，碳纖維復(fù)合材料為輔的多材料混合車身，正成為車身輕量化新的發(fā)展趨勢。其中采用壓鑄工藝實(shí)現(xiàn)多個(gè)車身部件集成為一個(gè)鑄件，相比原來鋼板沖焊結(jié)構(gòu)，具有進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減重、提高整體剛度的優(yōu)勢，并成功應(yīng)用于前后減震塔、縱梁、橫梁等車身部件上。

1.一體化壓鑄工藝

采用一體化壓鑄工藝可以實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)沖壓件集成為一個(gè)鑄件，減重效果明顯，尺寸精度和性能提升，通過大幅減少?zèng)_壓、 焊接使用量，顯著提升汽車生產(chǎn)效率，并大幅減少人工成本。目前國內(nèi)外已在車身后地板、前機(jī)艙等大尺寸結(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)用，并帶動(dòng)相關(guān)設(shè)備、模具、鑄造新材料的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。相對比傳統(tǒng)的沖壓和焊接工序而言，一體化壓鑄實(shí)現(xiàn)一次成形，不需要額外連接工序，因此焊接、鉚接、涂膠工藝的使用大幅減少。

為實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄工藝在大型、復(fù)雜、薄壁壓鑄件上的應(yīng)用，本項(xiàng)目將以尺寸相對較小的鋁合金汽車減震塔為開發(fā)對象，將原來鋼板沖焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一體化壓鑄結(jié)構(gòu)，并采用高真空壓鑄工藝，結(jié)合壓鑄工藝?yán)碚摲治觥?shù)值模擬和試驗(yàn)測試等手段，系統(tǒng)研究了薄壁車身結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與鑄件性能改善的關(guān)系，制定了最佳熱處理工藝等，并最終開發(fā)出滿足產(chǎn)品要求的鋁合金減震塔鑄件。

2.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從工藝角度分析，鑄造工藝可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的零部件制造，并通過合理設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋實(shí)現(xiàn)零件剛度的提升，如蜂窩狀的仿生加強(qiáng)筋，而沖壓工藝則無法實(shí)現(xiàn)。

本項(xiàng)目通過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將某車型現(xiàn)有鋼板沖焊結(jié)構(gòu)減震塔設(shè)計(jì)成鑄造結(jié)構(gòu)減震塔（圖1）。首先對減震塔部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化（圖2），以最小優(yōu)化范圍為目標(biāo)，獲取減震塔設(shè)計(jì)區(qū)域的最優(yōu)載荷路徑。拓?fù)鋬?yōu)化材料密度0.5的提取結(jié)構(gòu)見圖3。根據(jù)最優(yōu)載荷路徑，并考慮鑄造工藝可行性，設(shè)計(jì)出一體化鋁合金鑄造減震塔結(jié)構(gòu)，并滿足減震塔與周邊部件的連接和裝配要求。

圖1 減震塔結(jié)構(gòu)方案

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化材料密度0.5的提取結(jié)構(gòu)

對新設(shè)計(jì)的鑄造結(jié)構(gòu)減震塔進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、模態(tài)等分析，通過定性定量分析，實(shí)現(xiàn)鑄造結(jié)構(gòu)減震塔剛度、模態(tài)優(yōu)于原鋼板沖焊結(jié)構(gòu)。采用對標(biāo)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了相同載荷下的靜力與模態(tài)對比，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。最終新設(shè)計(jì)的鑄造減震塔與沖壓焊接結(jié)構(gòu)功能一致，實(shí)現(xiàn)6個(gè)沖壓件集成為一個(gè)壓鑄件，在安裝工況約束下，剛度指標(biāo)提升9.2%，最大應(yīng)力與強(qiáng)度極限對比的比強(qiáng)度指標(biāo)提升11.69%，一階頻率由75.43 Hz提升到223.41 Hz，提升了196.18%，重量由11.24 kg降到5.06 kg，約降低了55%。

最終確定的鑄造結(jié)構(gòu)減震塔尺寸為540 mm×510 mm×300 mm，平均厚度為3.5 mm，最大厚度為5 mm，最小厚度為2.5 mm，材料采用AlSi10MnMg壓鑄鋁合金。新開發(fā)的鋁合金鑄造減震塔在剛度與模態(tài)指標(biāo)均好于原結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

3.高真空壓鑄工藝開發(fā)

高壓鑄造與其他鑄造工藝相比，工藝特性主要體現(xiàn)在“高速充型與高壓凝固”，高速充填下熔體可以快速充滿模具型腔，精確復(fù)制型腔的尺寸、形狀以及表面特征。但高速充型過程液態(tài)金屬呈紊流狀態(tài)，易卷氣形成孔洞缺陷，顯著降低合金材料的力學(xué)性能。鋁合金減震塔一般重量較輕，但產(chǎn)品尺寸和投影面積較大，同時(shí)為了滿足高致密性、可鉚接、可焊接、可熱處理的特點(diǎn)，所以需采用高真空壓鑄工藝。高真空壓鑄工藝是在傳統(tǒng)高壓鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，通過模具型腔抽真空技術(shù)，將壓鑄模具型腔內(nèi)的氣體抽出，使金屬熔體在相對真空的條件下進(jìn)入型腔，從而解決壓鑄件內(nèi)部存在的氣孔和縮孔問題。最為重要的是通過對模具型腔抽真空使金屬液在真空狀態(tài)下充填型腔，大幅減少壓射過程中卷入的氣體，實(shí)現(xiàn)鑄件組織更加致密，鑄件的綜合力學(xué)性能高。

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及自有設(shè)備型號(hào)，采用一模一件布局，澆注系統(tǒng)如圖4所示。鑄件毛坯工藝出品率約為56%，總投影面積1 275 909 m㎡ ，內(nèi)澆道截面積1 010 m㎡ ，溢流槽進(jìn)料口截面積1 063 m㎡ ，排氣道有效截面積290 m㎡ ，最小安全鎖模力約24 000 kN，故選用福來2 800 t高真空壓鑄機(jī)，沖頭直徑為120 mm，壓射長度為1 050 mm，填充度為34%，能夠滿足工藝需求。

圖4 澆注系統(tǒng)示意圖

澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮鋁液充填的同步性，合理設(shè)計(jì)集溢流槽、集渣包，收集壓射初期的冷合金及雜質(zhì)。根據(jù)模擬分析結(jié)果，在合金流向的末端、多股合金交匯處設(shè)置集渣包，減少因合金凝固組織不均導(dǎo)致的力學(xué)性能較低的問題。合理設(shè)計(jì)料餅厚度，料餅過薄將導(dǎo)致增壓壓力不能完全傳遞到產(chǎn)品內(nèi)部，引起產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量缺陷，降低伸長率。工藝開發(fā)過程中采用MAGMA軟件進(jìn)行模擬分析，確定最佳工藝方案，部分模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 充型過程中合金的溫度變化

4.高真空壓鑄模具開發(fā)

壓鑄過程能否實(shí)現(xiàn)高真空，模具是最重要的保障。為了實(shí)現(xiàn)壓鑄過程型腔處于真空狀態(tài)，模具需進(jìn)行高度密封抽真空設(shè)計(jì)，在頂桿、型芯、分型面等處增加密封圈，并且要采用階梯分型面，通過鑄造模擬對壓鑄充型、粒子追蹤、凝固、卷氣、溫度場等分析，確定最佳鑄造方案。

4.1 高真空密封設(shè)計(jì)

模具所有成形鑲塊之間采用密封處理，包括襯模和鑲塊之間、襯模和模框之間、襯模和澆口套之間、襯模和澆口堵之間、模具和真空系統(tǒng)之間、模具和擠壓裝置之間、模具和滑塊之間、模具和分流錐之間等與模具分型面密封以內(nèi)的所有的配合部位之間均需要采用密封條密封。

靜模整體采用耐高溫密封條密封處理，同時(shí)料杯也要做抽真空處理，采用密封沖頭進(jìn)行壓鑄，保證型腔內(nèi)的高真空度，如圖6所示。動(dòng)模整體采用耐高溫密封條密封處理，頂出部分密封于模具內(nèi)部，滑動(dòng)部件采用O型密封圈密封處理，如圖7所示。

圖6 靜模密封

圖7 動(dòng)模密封

4.2 模具排氣波板特殊設(shè)計(jì)

采用排氣波板（圖8）進(jìn)行抽真空，排氣波板結(jié)構(gòu)具有生產(chǎn)穩(wěn)定性好，能夠?qū)崿F(xiàn)全程抽真空，并且不需任何外部控制。通過對波板間隙逐級(jí)減小的設(shè)計(jì)，前端間隙較大，增強(qiáng)排氣抽真空效果，尾端間隙較小，避免鋁液鉆出。

圖8 抽真空排氣波板

4.3 模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過采用分級(jí)模溫通水設(shè)計(jì)，保證模具整體溫度場相對平衡，保障壓鑄過程鋁液實(shí)現(xiàn)順序凝固。采用模溫機(jī)和模溫控制器加熱和冷卻，模具內(nèi)部根據(jù)鋁液充型需要，設(shè)計(jì)冷卻通道和點(diǎn)冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)鑄件成形區(qū)域的溫度平衡。（圖9）

圖9 模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)靜模通水溫度需要逐級(jí)分段控制，澆口處溫度較高，遠(yuǎn)離澆口側(cè)溫度偏低，通過每段水溫逐級(jí)增加，保證整體模具溫控平衡。同時(shí)若局部發(fā)生粘模傾向，可適當(dāng)調(diào)整水溫解決。靜模溫度高于動(dòng)模側(cè)，并配合多量噴涂，降低粘模率。

5.樣件試制及性能檢測

充減震塔生產(chǎn)采用大尺寸壓室和沖頭壓射，壓室的填充率比較低，導(dǎo)致慢壓射時(shí)間較長，為避免鋁液在壓室中引起湍流和卷入空氣，壓射過程需要十分穩(wěn)定。壓鑄參數(shù)要求使用多段速度設(shè)定，行程較長的低速快速轉(zhuǎn)換至高速，以便鋁液快速填充至模具型腔。

高真空工藝需要在壓鑄模具型腔中的真空度達(dá)到50 mbar以下，這需要真空系統(tǒng)必須確保有很大的抽氣速度，以便在極短時(shí)間內(nèi)將型腔中的氣體抽出。本次樣件試制采用體積較大的緩沖罐，處于高真空狀態(tài)下的緩沖罐可以快速將模具型腔中的氣體抽至所需的真空度。緩沖罐中的氣體則由真空泵不間斷的抽出。沖頭采用環(huán)形密封沖頭，雙管路抽真空系統(tǒng)。

樣件試制采用福來2800 t臥室冷室壓鑄機(jī)，壓鑄單元工藝流程為噴涂模具→吹干→合模→定量爐澆料→抽真空→壓鑄→局部擠壓→開模→取件→完整性檢測→水冷→沖邊和矯形→機(jī)器手取件→打碼→送出鑄件→去飛邊毛刺→外觀及變形檢查→流入下序。

由于AlSi10MnMg中Fe元素的含量較低，容易產(chǎn)生粘模現(xiàn)象，選用特殊的發(fā)氣量小的脫模劑。使用自動(dòng)隨型噴頭，實(shí)現(xiàn)微量噴涂，減少脫模劑在模具殘留。

5.1 化學(xué)成分

鋁合金材質(zhì)選用AlSi10MnMg，該合金具有流動(dòng)性好、無熱裂傾向、線收縮小、氣密性好等優(yōu)點(diǎn)，合金成分如表1所示。

表1 AlSi10MnMg鋁合金主要化學(xué)成分 wB/%

5.2 內(nèi)部質(zhì)量

壓鑄減震塔通過X光探傷判定內(nèi)部質(zhì)量，分區(qū)域?qū)?nèi)部縮松、氣孔等缺陷進(jìn)行判定。判定等級(jí)參照ASTME505，對強(qiáng)度相關(guān)區(qū)域要求滿足2級(jí)，非強(qiáng)度相關(guān)區(qū)域滿足4級(jí)，螺套裝配區(qū)域也需滿足1級(jí)。

X光探傷設(shè)定多個(gè)探測角度，覆蓋到鑄件全部位置，通過合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)、冷卻水路，以及優(yōu)化涂料噴涂工藝，增加局部擠壓工藝，對減震塔塔頂?shù)容^厚部位進(jìn)行局部擠壓，解決疏松、縮孔問題，滿足減震塔內(nèi)部質(zhì)量要求。

5.3 表面質(zhì)量要求

鑄造冷隔、疏松等鑄造缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)壓鑄件要求近似，減震塔表面質(zhì)量與常規(guī)壓鑄件的主要區(qū)別是有熱處理后鼓泡、鈍化處理后的表面質(zhì)量要求。熱處理后減震塔表面會(huì)出現(xiàn)不同程度鼓泡缺陷，需要分區(qū)域進(jìn)行判定。減震塔在鈍化處理后，鑄件表面會(huì)形成一層保護(hù)性能較強(qiáng)的鈍化膜，實(shí)現(xiàn)防銹保護(hù)作用，但其鈍化效果不能影響焊接、鉚接。

5.4 熱處理工藝

壓鑄結(jié)構(gòu)減震塔呈現(xiàn)斗狀鏤空、加強(qiáng)筋縱橫交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)，需要承受非常大的動(dòng)載荷和疲勞載荷，其力學(xué)性能特點(diǎn)是高延展性，熱處理后力學(xué)性能需滿足屈服強(qiáng)度R p0.2 ≥120 MPa，抗拉強(qiáng)度R m ≥180 MPa，伸長率A 50 mm ≥10%。采用T7熱處理工藝（表2），固溶處理后進(jìn)行過時(shí)效，與T6熱處理工藝相比，固溶溫度較低，但時(shí)效溫度較高。

表2 T7熱處理工藝

5.5 力學(xué)性能檢測

拉伸試樣的尺寸符合DIN EN ISO 6892-1，試件寬度為10 mm，見圖11。力學(xué)試樣從減震塔本體取樣，從4個(gè)不同位置取力學(xué)試樣，取樣位置見圖12。取樣位置需選擇壁厚均勻處，切割面光滑無缺陷。經(jīng)T7熱處理后，性能滿足技術(shù)要求，試制樣件檢測結(jié)果如表3所示。

圖11 拉伸試樣示意圖

圖12 取樣位置

表3 力學(xué)試樣檢測結(jié)果

5.6 毛坯尺寸控制

因?yàn)闇p震塔為斗狀的薄壁結(jié)構(gòu)，最小壁厚為2.5 mm，熱處理過程極易產(chǎn)生變形，所以需要進(jìn)行一定的尺寸矯型。根據(jù)減震塔熱處理后的主要變形位置和趨勢，如圖13所示，以產(chǎn)品基準(zhǔn)坐標(biāo)為定位，設(shè)計(jì)專用尺寸檢測及矯型裝置，使減震塔產(chǎn)品熱處理后變形量≤1 mm。

圖13 減震塔主要變形區(qū)域

設(shè)計(jì)隨型定位鑲塊，使需要檢測的鑄件輪廓與隨型鑲塊件形成等寬間隙，可以使用通止規(guī)間隙檢測。設(shè)計(jì)鎖定機(jī)構(gòu)對定位點(diǎn)進(jìn)行夾緊，確保鑄件位置不動(dòng)。采用通止規(guī)檢測減震塔輪廓與隨型定位塊之間的距離，快速判定尺寸是否合格。對不合格位置進(jìn)行矯型，矯型后再進(jìn)行尺寸復(fù)檢。

6.結(jié)論

本項(xiàng)目采用一體化壓鑄工藝實(shí)現(xiàn)車身多部件的集成化和強(qiáng)韌化，將減震塔由原來的多個(gè)沖壓件集成為一個(gè)壓鑄件，實(shí)現(xiàn)55%減重和性能提升，并減少了多個(gè)連接工序，大幅提升了生產(chǎn)效率。
采用高真空壓鑄工藝完成樣件試制，通過T7熱處理工藝實(shí)現(xiàn)高延伸性能，產(chǎn)品本體取樣力學(xué)性能達(dá)到屈服強(qiáng)度R p0.2 =120~140 MPa，抗拉強(qiáng)度R m =180~210 MPa，伸長率A 50 mm =10%~15%。
隨著國內(nèi)外車企推進(jìn)一體化壓鑄工藝在車身前機(jī)艙、后地板等大尺寸結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，未來一體化壓鑄工藝在整車的應(yīng)用比例也將快速提升。

作者

張?jiān)品?陳煥熹 王一男 王鵬越 石利軍 張倩
一汽鑄造有限公司
宋學(xué)偉
吉林大學(xué)
吳賀
一汽-大眾有限公司
本文來自:《鑄造》雜志