|
傳播有價(jià)值的信息，讓更多人了解熱沖壓行業(yè),。完全個(gè)人興趣創(chuàng)建,，任何信息的發(fā)布永久免費(fèi),。
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11.24kg降到5.06kg，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540mm×510mm×300mm,，平均壁厚為3.5mm,，最小壁厚達(dá)2.5mm，最大壁厚達(dá)5mm,。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Rp0.2≥120MPa,，抗拉強(qiáng)度Rm≥180MPa，伸長率A50mm≥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。 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,，通過大幅減少沖壓,、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?、?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。
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75.43Hz提升到223.41Hz，提升了196.18%,，重量由11.24kg降到5.06kg,，約降低了55%。 最終確定的鑄造結(jié)構(gòu)減震塔尺寸為540mm×510mm×300mm,，平均厚度為3.5mm,，最大厚度為5mm，最小厚度為2.5mm,，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),。 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,，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1275909mm2，內(nèi)澆道截面積1010mm2,，溢流槽進(jìn)料口截面積1063mm2,，排氣道有效截面積290mm2，最小安全鎖模力約24000kN,，故選用富來2800t高真空壓鑄機(jī),，沖頭直徑為120mm，壓射長度為1050mm,，填充度為34%,，能夠滿足工需求。
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)過程中采用模流分析軟件進(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。 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。 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,，滑動部件采用O型密封圈密封處理,，如圖7所示。 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。
4.3 模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 通過采用分級模溫通水設(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,。
動靜模通水溫度需要逐級分段控制,，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,。靜模溫度高于動模側(cè)，并配合多量噴涂,，降低粘模率,，見圖9。 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50mbar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),。
樣件試制采用定來2800t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?！〖暾詸z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?，F(xiàn)象，選用特殊的發(fā)氣量小的脫模劑,。使用自動隨型噴頭,，實(shí)現(xiàn)微量噴涂，減少脫模劑在模具殘留,。
鋁合金材質(zhì)選用AlSi10MnMg,，該合金具有流動性好、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,。
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,。判定等級參照ASTME505,，對強(qiáng)度相關(guān)區(qū)域要求滿足2級，非強(qiáng)度相關(guān)區(qū)域滿足4級,，螺套裝配區(qū)域也需滿足1級,。
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,。
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,。
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Rp0.2≥120MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥180MPa,，伸長率A50mm≥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：
拉伸試樣的尺寸符合DINENISO6892-1,，試件寬度為10mm，見圖10,。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11,。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,。
因?yàn)闇p震塔為斗狀的薄壁結(jié)構(gòu)，最小壁厚為2.5mm,，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12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≤1mm,。
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,。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,。 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Rp0.2=120-140MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=180-210MPa,，伸長率A50mm=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,。注：以下視頻與上述文章內(nèi)容無直接關(guān)聯(lián)。
原文轉(zhuǎn)載自：《一汽鑄造有限公司張?jiān)品?span>,、陳煥熹,、王一男,、王鵬越、石利軍,、張倩,；吉林大學(xué)宋學(xué)偉、一汽-大眾有限公司 吳賀》作者：張?jiān)品?、陳煥熹,、王一男、王鵬越,、石利軍,、張倩；吉林大學(xué)宋學(xué)偉,、一汽-大眾有限公司 吳賀
|
