汽車研發(fā):汽車大型構(gòu)件力學(xué)性能需求下的汽車大型車門結(jié)構(gòu)件的壓鑄工藝研究
汽車大型構(gòu)件汽車大型構(gòu)件常常起到支撐或承載負(fù)荷的作用，具有結(jié)構(gòu)繁雜、外形尺寸較大、厚度不均等特征。同時(shí)，直接關(guān)系到汽車的行駛安全性，因而對(duì)其力學(xué)性能要求較高，詳見表 1。
表1 汽車大型構(gòu)件力學(xué)性能要求
通常為了獲得良好的性能， 需對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行熱處理。若要求與其他構(gòu)件可靠銜接，工件還應(yīng)具有較好的鉚接、焊接性能等。
1、常規(guī)壓鑄工藝的弊端
常規(guī)的壓鑄生產(chǎn)過程中，由于合金液的快速充型, 使型腔與壓室內(nèi)部的氣體難以排盡，這些氣體卷入到合金液中， 將在鑄件內(nèi)部形成氣孔缺陷。嚴(yán)重時(shí)，將使鑄件喪失熱處理與焊接性能。同時(shí) ，若一些工藝因素未得到有效控制，在鑄件內(nèi)還會(huì)形成其他缺陷，工件品質(zhì)較差。針對(duì)上述問題， 本課題結(jié)合汽車大型構(gòu)件特征與長(zhǎng)期的研究經(jīng)驗(yàn);對(duì)壓鑄生產(chǎn)中的模具設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)、 真空充型及工藝改進(jìn)等方面進(jìn)行了深入的剖析;合理處理這些工藝要素，可提高鑄件品質(zhì)。
2、壓鑄工藝要點(diǎn)
2.1 模具設(shè)計(jì)
模具設(shè)計(jì)過程中，需把握6個(gè)要點(diǎn)：
①合理選取澆注位置、合金液填充方向與各組件的形狀尺寸，確保合金液良好的流動(dòng)性，建立其順序凝固。
②在合金液匯流、鑄件轉(zhuǎn)角部位，合理設(shè)置排氣口，盡量降低這些部位形成缺陷的可能。
③校核排氣道面積，確保型腔排氣順暢。
④模具應(yīng)能可靠密封，降低其對(duì)真空壓鑄的影響。
⑤合理設(shè)置冷卻與加熱裝置，準(zhǔn)確控制模溫。
⑥制造模具之前，可借助仿真軟件分析其充型、凝固特性;并根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)模具進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。
2.2 澆注系統(tǒng)
常見的3種澆注方式如圖1所示。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)得到，澆注方式對(duì)鑄件塑性具有重要影響。常規(guī)的頂注方式，容易發(fā)生合金液飛濺，卷氣、合金氧化現(xiàn)象顯著;同時(shí)，合金液之間存在嚴(yán)重的沖擊，影響鑄件組織品質(zhì)，塑性較差。底注方式可有效減輕合金液擾動(dòng)，沒有合金液飛濺現(xiàn)象發(fā)生;鑄件夾雜、缺陷減，其塑性明顯提高。然而底注方式需對(duì)壓鑄機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，需配備專用的壓室、模具;這樣壓鑄機(jī)將失去通用性，無法用于其他壓鑄場(chǎng)合。
為了使鑄件獲得良好的塑性，可采取其他方法。如圖1(c)所示，對(duì)頂注澆注系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。在不對(duì)壓鑄機(jī)進(jìn)行特殊改造，便于生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的前提下，同樣可達(dá)到提升鑄件塑性的目的。
2.3 真空壓鑄
在壓鑄生產(chǎn)過程中，真空填充技術(shù)頻繁使用。真空技術(shù)需著重注意3點(diǎn)：
①真空系統(tǒng)啟動(dòng)需及時(shí) ，當(dāng)沖頭將澆料口封堵時(shí)立即進(jìn)行抽真空。
②真空系統(tǒng)需要有足夠的功率，可實(shí)現(xiàn)快速抽真空。
③當(dāng)壓室充滿之前，必須滿足一定的真空度要求，以防影響鑄造品質(zhì)。
通常， 鑄件型腔內(nèi)部絕對(duì)壓力大于30kPa 時(shí)，其對(duì)鑄件塑性基本無影響。
而當(dāng)其絕對(duì)壓力處于10～15 kPa 區(qū)間時(shí)，隨著真空度的提升，鑄件塑性變化明顯。同時(shí) ， 真空度與鑄件表面質(zhì)量也直接相關(guān)，如圖2所示。鑄件內(nèi)的氣泡隨著真空度的上升，呈逐漸減少的趨勢(shì)。然而氣泡并不對(duì)鑄件伸長(zhǎng)率起決定性因素。同時(shí)，高真空度可增加壓鑄工藝參數(shù)的選擇區(qū)間。但高真空度提高了對(duì)真空設(shè)備的要求，將增加生產(chǎn)成本。
2.4 工藝綜合優(yōu)化
合理選取壓射模式與參數(shù)， 有助于提高鑄件品質(zhì)。壓鑄件內(nèi)約30%～50%的氣體，來自于合金液在壓室內(nèi)部的預(yù)充填階段;因此需要對(duì)慢壓射階段的壓射模式進(jìn)行合理設(shè)置， 盡可能防止合金液在壓室內(nèi)部形成卷氣。并正確選取潤(rùn)滑劑與脫模劑，對(duì)噴涂工藝進(jìn)行優(yōu)化。精確控制模具溫度，把冷卻水分配于設(shè)備;對(duì)各冷卻回路的溫度與流量進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，使得模具溫度分布滿足要求。
模具設(shè)計(jì)合理，壓鑄工藝恰當(dāng)，合金液充型模式理想， 可降低對(duì)真空度的要求， 獲得品質(zhì)良好的鑄件。同時(shí)，對(duì)于鑄件壁較厚或轉(zhuǎn)角較大的部位，可實(shí)施局部增壓技術(shù);增加鑄件密度，減少縮孔、縮松。可采用合金液前沿傳感器，實(shí)施把握合金液流態(tài);有助于充填模式優(yōu)化。
3、應(yīng)用實(shí)踐
合理把握前述壓鑄工藝因素， 采用布勒公司的Carat 系列壓鑄機(jī);實(shí)現(xiàn)了汽車大型構(gòu)件的批量化、工業(yè)級(jí)生產(chǎn)。所制備出的產(chǎn)品品質(zhì)良好，達(dá)到汽車應(yīng)用指標(biāo)要求。汽車車門框架鑄件如圖3(a)所示。以Al合金取代常規(guī)的鋼材，
鑄件質(zhì)量減少了約45kg。同時(shí)，鑄件剛性特別好，可進(jìn)行鉚接、焊接等;車門裝配精度得到大幅度提升。汽車B形支架鑄件如圖3(b)所示。其安裝于汽車前、后門之間。該鑄件外形尺寸精確、穩(wěn)定，經(jīng)熱處理之后，獲得了良好的屈服強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率。
汽車減震器上蓋鑄件如圖4(a)所示。該鑄件安裝于汽車前端，長(zhǎng)期承載較大的動(dòng)載荷。該鑄件最薄部位僅 4mm，鑄件成形品質(zhì)良好。汽車縱向構(gòu)件如圖4(b)所示，安裝于汽車車身下部，鑄件強(qiáng)度、塑性均滿足技術(shù)要求。
4、結(jié)論
汽車大型構(gòu)件對(duì)強(qiáng)度、韌性等要求較高，對(duì)壓鑄生產(chǎn)中的模具設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)、真空充型等工藝因素要準(zhǔn)確把握， 所制備出的鑄件可進(jìn)行熱處理。同時(shí)，其鉚接、焊接性能良好，實(shí)現(xiàn)了汽車大型構(gòu)件的批量化、工業(yè)化生產(chǎn)。
本文作者：盧學(xué)玉
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