长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心 河北保定 071000
摘要：随着汽车产业的快速发展，各国对汽车节能、安全、环保等要求不断提升，轻量化技术、材料、工艺的研究和开发已经成为世界各大汽车生产厂家提高竞争能力的关键之一。铝合金作为关键的轻量化材料，其密度仅为钢的1/3，被各大汽车企业用于替换原有的钢制件。在不降低零部件性能的前提下，铝合金替代传统钢制零部件可以实现约30%以上的减重。根据汽车咨询机构Duckers调查，北美、欧盟、日本单车用铝分别高出中国47%、24%、15%，且持续增长。随着铝合金制造技术的发展、铝合金板性能的提升，铝合金在国外汽车实现成熟应用，如奥迪R8以及捷豹路虎等车型采用全铝车身。目前，国内自主品牌汽车企业展开铝合金的应用开发工作，其中奥迪A4车型采用铝合金铝合金减震塔，长城等车企将在下一代车型上应用铝合金。
关键词：汽车；铝合金；减震塔；压铸工艺；分析
引言：由于汽车轻量化的需要及铸造新技术的发展，具有高强度高韧性的压铸铝合金复杂结构件取代部分钢制件、铝锻件或多部件组合已成为一种必然趋势。随着电动汽车轻量化进程的不断深入，铝合金压铸结构件正在向“大型化、复杂化、薄壁化、高性能化”的要求发展。目前，国外中高端豪华车型都已经大规模使用“以铝代钢”的大型复杂薄壁件，如减震塔、纵梁、Ａ柱、Ｂ柱等，并在车身结构件的压铸工艺上进行了大量研究。作为车身结构件轻量化的代表，铝合金减震塔已经成功应用于汽车上。减震塔安装在车轮减震弹簧上方，用于固定减震弹簧。在车辆行驶过程中，减震塔承受来自减震弹簧的冲击，要求具有良好的强度、韧性和塑性。因此，铝合金减震塔通常需要经过热处理强化，才能满足力学性能要求。国外在压铸铝合金减震塔的开发应用上已比较成熟，在奔驰、宝马等汽车上应用广泛。由于高强韧铝合金材料、高真空压铸工艺和薄壁件热处理气泡控制等关键技术的制约，能进行批量生产的国内厂家还较少。
1.技术开发
1.1铝合金发盖、顶盖开发与运用
一是完成了某电动车型铝合金发动机盖内外板、顶盖的性能指标设定、方案设计、数据设计、试验大纲编制及试验验证；二是建立了铝合金覆盖件设计规范，形成铝合金覆盖件设计能力；三是在不降低性能的前提下，铝合金覆盖件替换传统钢制覆盖件，实现减重率≥40%，成本增加≤150%。
1.2铝合金前下防护开发与运用
一是完成皮卡新一代铝合金前下防护的性能指标设定、方案设计、数据设计、试验大纲编制及试验验证；二是建立铝合金前下防护设计规范，形成铝合金前下防护设计能力；三是在不降低性能的前提下，铝合金前下防护替换传统钢制前下防护，实现减重率≥50%，成本增加≤50%。
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1.3铝合金后防护开发与运用
一是完成了某车型铝合金后防护的性能指标设定、方案设计、数据设计、试验大纲编制及试验验证；二是建立了铝合金后防护设计规范，形成铝合金后防护设计能力；三是在不降低性能的前提下，铝合金后防护替换传统钢制后防护，实现减重率≥50%，成本增加≤30%。
1.4铝合金货箱开发与运用
一是完成了某车型合金货箱的性能指标设定、方案设计、数据设计、试验大纲编制及试验验证；二是建立了铝合金货箱设计规范，形成铝合金货箱设计能力；三是在不降低性能的前提下，铝合金货箱替换传统钢制货箱，实现减重率≥30%，成本增加≤110%。
2.减震塔结构分析
某铸件最大轮廓尺寸为530mm×345mm×313mm，主体平均壁厚为3mm。铸件结构复杂，整个壳体呈弧形，表面设计有纵横交错的加强筋，以提高零件的整体强度；局部存在较多近圆柱形凸台，最大高度达到20mm，使铸件各部位壁厚差异较大。在铸件一侧存在一尺寸较大的凸起结构，与铸件壳体部位高度差达到195mm。该减震塔用AlSi10MnMg铝合金压铸成形，铸件净重为2.9kg。
3.溢流槽、排气槽设计
根据实际的压铸工艺参数设定模拟参数，铝液先在慢压射速度为0.6m/s下进入横浇道和内浇口，当铝液充满所有内浇口后，压射速度提高到4.5m/s，即让铝液快速充填型腔。设计的浇注系统能够实现铝液较为平稳地充填型腔。在零件左侧存在2个圆形结构，根据充型过程的模拟，可以看到铝液在充填此处时容易产生涡流现象，从而造成卷气量增大。因此，应在圆形结构两侧设计溢流槽。根据温度场及卷气特征可以看到，在零件右侧存在较大面积的温度较低的铝液，并且由边缘向内部存在不同程度的卷气现象。圈出部位结构较为复杂，铝液经最右侧的内浇口进入型腔后先直接冲击型腔壁，受阻后铝液回流充填型腔最右侧的部位，因此造成卷气。零件由下至上依次充型，在最后充填的部位存在大量温度较低且卷气严重的铝液，应当在此处设置足够多的溢流槽来接收这些铝液。根据模拟结果，在某些部位的温度低、卷气量大的地方，应当设计具有足够容积的溢流槽，但是过大的溢流槽又易导致金属液倒流，因此在这些部位设置多个单独的溢流槽并设置薄的连接肋以保证其强度。溢流槽主要采用便于加工的梯形结构，在局部卷气严重的部位适当增加溢流槽容积并根据流动特征对其形状进行小幅度修改。根据设计手册，排气槽的截面积设置为内浇口截面积的30%。在铝液充型过程中，位于液－气界面前沿的温度较低、卷气严重的部分铝液全部进入设计好的溢流槽中，铝液充满型腔后，留在零件内部的气体极少。因此，设计的溢流槽、排气槽适用于该减震塔零件的压铸生产。在减震塔零件中的凸起结构上部存在一较大的孔洞缺陷，观察其局部放大图可以发现，在该处存在两个尺寸较大的近圆柱形凸台，高度达到20mm。在凝固过程中，这一厚大部位凝固速度较慢，会发生收缩现象，形成缩孔,后期通过增加挤压销，来改善缩孔的形成。
总结：通过对上述的内容进行分析研究之后可以得出，总而言之，目前，铝合金压铸件已经被广泛应用到汽车、航空航天和电子工业等领域中。以铝代钢能够实现40%-50%的减重，这有利于降低能耗，是实现节能减排的重要途径。汽车的许多结构件为薄壁壳体类零件，因此，越来越多的汽车结构件采用铝合金制造，但其复杂的结构及高受力要求对压铸工艺提出了挑战。研究表明，当铸件的壁厚小于4mm时，金属液表面张力会导致其流动性降低，这会导致薄壁零件在模具型腔中充型困难。通过增加油温机与水温机来控制模具温度，同时压铸使金属液在压力下充填型腔，这不仅能有效解决充型的难题，而且能使金属液快速凝固，细化合金组织，得到强度更高的铸件。设计并优化出铝合金减震塔的浇注、溢流和排气系统。利用数值模拟分析了减震塔的卷气发生部位，预测了压铸缺陷的种类及位置，在此基础上优化了浇注系统的设计。在壁厚较大的圆形结构处容易发生卷气现象和缩孔缺陷。
参考文献：
[1]曹义.汽车用冷轧5183铝合金板材退火工艺研究[J].热加工工艺,2018,47(20):172-174.
[2]邱洁.液态模锻工艺参数对汽车铝合金轮辋性能的影响[J].热加工工艺,2018,47(19):180-183.
[3]石昊昱,叶升强.超声铸造对汽车A356铝合金组织和力学性能的影响[J].热加工工艺,2018,47(19):106-108.
[4]韦洲,张晓光,徐洪琛.基于有限元的铝合金汽车轮毂弯曲疲劳分析[J].铸造技术,2018,39(10):2413-2416.
[5]林林.汽车轻量化用铝合金在压力加工中的工艺润滑[J].石油商技,2018,36(05):48-57.
论文作者:宋岩峰,王凯乐
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/11
标签：铝合金论文; 压铸论文; 汽车论文; 货箱论文; 工艺论文; 防护论文; 铸件论文; 《防护工程》2018年第36期论文;