【MFC推薦】汽車(chē)鑄造技術(shù)淺談

宋洋sy 2022-08-11 發(fā)布于北京

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背景介紹

鑄造成型是制造復(fù)雜零件的最靈活的方法。先進(jìn)鑄造技術(shù)的應(yīng)用給制造工業(yè)帶來(lái)了新的活力。為數(shù)眾多的軟件問(wèn)世和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使得為生產(chǎn)在幾何形狀、尺寸、使用性能等方面都符合要求的鑄件提出確切可靠的信息成為可能。

汽車(chē)零件中大約有15%~20%為采用不同鑄造方法生產(chǎn)的鑄件，這些鑄件主要為動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件和重要的結(jié)構(gòu)部件。目前汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)鑄件生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，環(huán)境污染小。鑄造原輔材料已形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化。隨著汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展，采用快速制模技術(shù)、CAE技術(shù)、三維建模、數(shù)控技術(shù)等技術(shù)，為縮短鑄件生產(chǎn)準(zhǔn)備周期和降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)提供可靠的支持。

汽車(chē)鑄造技術(shù)

1、鑄造工藝

鑄造主要有砂型鑄造和特種鑄造兩大類(lèi)。

● 普通砂型鑄造，利用砂作為鑄模材料，又稱(chēng)砂鑄，翻砂，包括濕砂型、干砂型和化學(xué)硬化砂型3類(lèi)，但并非所有砂均可用以鑄造。優(yōu)點(diǎn)是成本較低，因?yàn)殍T模所使用的沙可重復(fù)使用；缺點(diǎn)是鑄模制作耗時(shí)，鑄模本身不能被重復(fù)使用，須破壞后才能取得成品。

● 特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產(chǎn)砂石為主要造型材料的特種鑄造（如熔模鑄造、泥型鑄造、殼型鑄造、負(fù)壓鑄造、實(shí)型鑄造、陶瓷型鑄造等）和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造（如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續(xù)鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等）兩類(lèi)。

圖1 鑄造工藝分類(lèi)

在汽車(chē)領(lǐng)域，主要應(yīng)用的鑄造工藝有以下兩大類(lèi)：

1.1 重力鑄造（GDC）

重力鑄造是指金屬液在地球重力作用下注入鑄型的工藝，也稱(chēng)重力澆鑄。將融化的金屬倒入模具中，融化的金屬在重力的作用下占據(jù)了腔內(nèi)的空間。如果零件必須是空心的，那么也需要在模腔中設(shè)置砂芯。有時(shí)，為了確保適當(dāng)?shù)慕饘倭鲃?dòng)，澆注裝置可能會(huì)傾斜，而這種裝置被稱(chēng)為“傾斜GDC”。廣義的重力鑄造又包括砂型澆鑄、金屬型澆鑄、熔模鑄造、消失模鑄造，泥模鑄造等，而其中，砂型鑄造在汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用最為廣泛。

1.1.1 砂型鑄造

目前對(duì)于鑄鐵材質(zhì)的汽車(chē)部件，應(yīng)用最廣的仍然是濕砂造型，尤其是氣流預(yù)緊實(shí)的靜壓或氣沖造型的出現(xiàn)，體現(xiàn)出更多的優(yōu)越性 – 能耗低、噪聲小、污染少、效率高、運(yùn)行可靠。

近來(lái)，國(guó)外設(shè)備制造廠(chǎng)家對(duì)造型機(jī)又不斷改進(jìn)，先后出現(xiàn)氣沖壓實(shí)，氣流增益氣沖加壓實(shí)，靜壓加壓實(shí)、主動(dòng)多觸頭壓實(shí)、成型擠壓壓實(shí)等改進(jìn)方式，使砂型硬度更加均勻化。

圖2 砂型鑄造流程

隨著大功率半導(dǎo)體元器件及計(jì)算機(jī)，微電子技術(shù)的發(fā)展，采用電伺服系統(tǒng)代替造型線(xiàn)慣常所用的液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，使造型線(xiàn)節(jié)拍進(jìn)一步加快，并且運(yùn)行可靠性大大提高，同時(shí)明顯地簡(jiǎn)化了液壓控制系統(tǒng)，使維護(hù)保養(yǎng)工作量也相應(yīng)減少。

造型線(xiàn)采用雙筒式落砂機(jī)，則可使鑄件和澆口在落砂的同時(shí)得到預(yù)清理。造型線(xiàn)的澆注往往制約全線(xiàn)的開(kāi)動(dòng)率，應(yīng)采用自動(dòng)澆注設(shè)備。有的廠(chǎng)家采用氣壓澆包和接觸式澆注工藝，有利于節(jié)約鐵水，保證質(zhì)量和保護(hù)砂箱，澆注過(guò)程中采用隨流孕育的較多，有的采用型內(nèi)孕育與過(guò)濾相結(jié)合。

鑄造過(guò)程中，對(duì)于砂芯的采用，依各廠(chǎng)條件不同，分別采用冷芯盒制芯，熱芯盒制芯或殼芯制芯外，其它的砂芯包括曲軸箱砂芯、缸筒與頂端砂芯、前后端面前砂芯等大多采用冷芯盒制芯，以保證尺寸精度和節(jié)能，冷芯盒應(yīng)用越來(lái)越廣泛。冷芯制芯以ISO CURE 三乙胺硬化法居多（美國(guó)又開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的ISO MAX）。

為提高鑄件內(nèi)表面質(zhì)量和內(nèi)腔清潔度，砂芯應(yīng)涂料，用水基涂料取代醇基涂料有利于防污染。涂料后采用微波烘干效率高、節(jié)能，砂芯質(zhì)量也比傳統(tǒng)的用煤氣、天燃?xì)夂娓珊?。采用KCY-CORE工藝，利用砂芯上開(kāi)設(shè)的工藝孔，二次填砂固化，使多個(gè)砂芯為一個(gè)整體組合砂芯，然后整體涂料、烘干，這樣鑄件尺寸精度可大大提高，總體尺寸誤差<0.3mm。

在型砂系統(tǒng)中，有舊砂磁選設(shè)備、砂塊破碎設(shè)備和篩分設(shè)備及舊砂冷卻設(shè)備來(lái)保證回用舊砂的質(zhì)量。同時(shí)對(duì)新砂、煤粉、膨潤(rùn)土等添加材料，準(zhǔn)確定量，按工藝確定的比例給料,并根據(jù)實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整加水量，確保型砂性能。也有采用對(duì)全系統(tǒng)型砂的性能進(jìn)行閉環(huán)實(shí)時(shí)控制或型砂質(zhì)量計(jì)算機(jī)在線(xiàn)專(zhuān)家系統(tǒng)控制的。應(yīng)注意，型砂系統(tǒng)的型砂周轉(zhuǎn)量較大，惰性較強(qiáng)，型砂性能的調(diào)整應(yīng)以趨勢(shì)來(lái)判斷，采用有預(yù)見(jiàn)性的調(diào)整措施，以保證型砂系統(tǒng)的質(zhì)量穩(wěn)定。

常見(jiàn)鑄件有：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋，變速箱殼體，進(jìn)氣歧管等。

1.2 壓鑄

當(dāng)所需鑄件的截面相當(dāng)復(fù)雜，或某些特定地方的壁厚非常薄時(shí)（如圖3），僅在重力的影響下，無(wú)法保證金屬液完全填滿(mǎn)模腔。在這種情況下，金屬液可在壓力的作用下壓入模腔，保證金屬液能完全填滿(mǎn)模腔，設(shè)置可以是高壓壓鑄（HPDC）或低壓壓鑄（LPDC）。采用HPDC工藝生產(chǎn)的鑄件尺寸一致性好，公差相近，大約+/-0.2mm。這種精度在GDC甚至LPDC中都是無(wú)法企及的。隨著汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展，高壓壓鑄技術(shù)也成為了當(dāng)前汽車(chē)鑄造的熱點(diǎn)之一。

圖3 復(fù)雜壁薄零件

1.2.1 高壓鑄造

高壓鑄造是在高壓作用下將液態(tài)或半液態(tài)金屬快速壓入鑄型中，并在壓力作用下結(jié)晶凝固而獲得鑄件的方法。高壓鑄造的主要工序可分為：合型、壓射、頂出三個(gè)階段。

圖4 高壓鑄造工藝流程

在壓鑄過(guò)程中，壓射參數(shù)對(duì)壓鑄件氣孔的影響頗大，必須合理進(jìn)行調(diào)整。采用閉合壓射結(jié)束時(shí)間控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)飛邊壓鑄。壓鑄件質(zhì)量的檢測(cè)可采用X光探傷、超聲波測(cè)試等。

在高壓鑄造工藝基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的真空鑄造、充氧壓鑄，旨在消除鑄件缺陷，提高內(nèi)部質(zhì)量，并擴(kuò)大壓鑄件的應(yīng)用范圍。擠壓鑄造過(guò)程中，熔體在壓力下充型和凝固，具有平穩(wěn)、無(wú)金屬?lài)姙R、金屬液氧化損失少、節(jié)能、操作安全和減少鑄件孔洞類(lèi)缺陷等優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金副車(chē)架等高性能鋁合金鑄件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

● 真空壓鑄

為了減少或避免壓鑄過(guò)程中氣體隨金屬液高速卷入而使得鑄件產(chǎn)生氣孔和疏松，壓鑄前采用對(duì)鑄型抽真空壓鑄最為普遍。根據(jù)壓室和型腔內(nèi)的真空度大小又可將真空壓鑄分為普通真空壓鑄和高真空壓鑄。

圖5 真空壓鑄工藝流程圖

高真空壓鑄的關(guān)鍵是能在很短的時(shí)間內(nèi)獲得高真空。圖6為吸入式高真空壓鑄機(jī)的工作原理圖，它采用真空吸入金屬液至壓室內(nèi)，然后進(jìn)行快速壓射，可獲得較高的壓鑄真空度。

高真空壓鑄的原理：壓鑄工作前，先從抽真空管將整個(gè)壓室和型腔中的空氣抽出，這個(gè)抽真空過(guò)程速度一定要盡可能快，使得坩堝中的金屬液和壓室產(chǎn)生較大的壓力差，從而使得坩堝中的金屬液體沿著升液管進(jìn)入壓室，接著壓射沖頭開(kāi)始進(jìn)行壓射。

圖6 吸入式高真空壓鑄機(jī)

● 充氧壓鑄

充氧壓鑄是將干燥的氧氣充入壓室和壓鑄模型腔內(nèi)，以取代其中的空氣和其他氣體。充氧壓鑄工藝原理圖如圖7所示。

充氧壓鑄僅適用于鋁合金。當(dāng)鋁合金液體壓入壓室和壓鑄模型腔時(shí)與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)，生成AL2O3，形成均勻分布的AL2O3小顆粒（直徑在1um以下），從而減少或消除了氣孔，提高了鑄件的致密性。這些小顆粒分散在鑄件中，約占總質(zhì)量的0.1%-0.2%，不影響機(jī)械加工。

圖7 充氧壓鑄原理圖

2、鑄造設(shè)備

汽車(chē)鑄造業(yè)所用的設(shè)備必須是快節(jié)拍、高效率、高可靠性的適應(yīng)連續(xù)工作的設(shè)備。由于轎車(chē)鑄件的高質(zhì)量要求，這些鑄造設(shè)備又必須是較高精度的。

主要的鑄造設(shè)備有：造型機(jī)，混砂機(jī)，制芯機(jī)，造型設(shè)備，除塵設(shè)備，熔煉爐，壓鑄機(jī)，機(jī)加設(shè)備，拋丸機(jī)，清洗機(jī)，檢測(cè)設(shè)備等，其中對(duì)壓鑄機(jī)和熔煉爐進(jìn)行介紹。

2.1 熔煉爐

熔煉爐利用中頻電源建立中頻磁場(chǎng)，使鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)渦流并發(fā)熱，達(dá)到加熱材料的目的。中頻電爐采用 200-2500Hz中頻電源進(jìn)行感應(yīng)加熱，熔煉保溫，熔煉爐主要用于熔煉碳鋼，合金鋼，特種鋼，也可用于銅，鋁等有色金屬的熔煉和提溫。設(shè)備體積小，重量輕，效率高，耗電少，熔化升溫快，爐溫易控制，生產(chǎn)效率高。

整套熔煉爐設(shè)備包含中頻電源柜，補(bǔ)償電容，爐體（兩個(gè)）及水冷電纜、減速機(jī)。爐體由爐殼、感應(yīng)圈、爐襯、傾爐減速箱等四個(gè)部分組成，爐殼用非磁性材料制成，感應(yīng)線(xiàn)圈是由矩形空心管制成的螺旋狀筒體，熔煉時(shí)管內(nèi)通冷卻水。線(xiàn)圈引出銅排與水冷電纜連通，爐襯緊靠感應(yīng)圈，由石英砂打?qū)崯Y(jié)而成，爐體的傾動(dòng)由傾爐減速箱直接轉(zhuǎn)動(dòng)。傾爐減速箱系二級(jí)渦輪變速，自鎖性能好，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，出現(xiàn)緊急斷電時(shí)看收工傾爐，避免危險(xiǎn)。可以通過(guò)選爐開(kāi)關(guān)對(duì)兩臺(tái)爐體的傾爐減速箱電動(dòng)機(jī)的控制進(jìn)行選擇，帶有四芯橡皮線(xiàn)的開(kāi)關(guān)盒能使操作者站在合適位置對(duì)爐體的傾動(dòng)，復(fù)位進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制。

當(dāng)前許多鑄造工廠(chǎng)還停留在工業(yè)2.0狀態(tài)，在環(huán)保，自動(dòng)化，智能化及安全上面都急需得到改善。隨著工業(yè)4.0的到來(lái)，通過(guò)傳感器在極端高溫的環(huán)境中工作，將熔煉中的所有參數(shù)記錄下來(lái)，從加熱爐的填充水平到熔池污染程度都將成為實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng)熔煉爐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。未來(lái)在一個(gè)熔煉爐工廠(chǎng)里，清潔工作可由一個(gè)機(jī)器人完成，機(jī)器人知道熔爐的所有參數(shù)，并能在污染達(dá)到臨界線(xiàn)之前及時(shí)采取行動(dòng)。

2.2 壓鑄機(jī)

壓鑄機(jī)就是用于壓力鑄造的機(jī)器。包括熱壓室及冷壓室兩種。后都又分為直式和臥式兩種類(lèi)型。壓鑄機(jī)在壓力作用下把熔融金屬液壓射到模具中冷卻成型，開(kāi)模后可以得到固體金屬鑄件。壓鑄機(jī)主要由合模機(jī)構(gòu)、壓射機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電力控制系統(tǒng)等各部分組成。除此之外，壓鑄機(jī)還有零部件及機(jī)座、其他裝置、輔助裝置等部分。

圖8 壓鑄機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

近三十年來(lái), 壓鑄機(jī)在大型化，自動(dòng)化，單元化和柔性化等方面的發(fā)展非常迅速。最近的幾年，汽車(chē)壓鑄的集成化，輕量化等高新技術(shù)又不斷地對(duì)壓鑄機(jī)提出更高和更新的要求。其中車(chē)身一體成型技術(shù)作為當(dāng)前的熱點(diǎn)話(huà)題，把重噸型壓鑄機(jī)推向前沿。

近期特斯拉從意大利DRA又采購(gòu)了一臺(tái)8000噸級(jí)壓鑄機(jī)，比之前在Model Y上用的6000噸壓鑄機(jī)又重了30%，相信這個(gè)記錄將會(huì)不斷被刷新。在此，我們來(lái)分析一下，為什么說(shuō)重型壓鑄機(jī)是未來(lái)的發(fā)展方向，它到底有哪些優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)一：單一工位材料成型成本優(yōu)勢(shì)

圖9為特斯拉Model Y車(chē)架結(jié)構(gòu)圖，黃色部分是車(chē)身后部、后橋塔頂輪拱的一體化大型零件。有了大型壓鑄機(jī)的幫忙，這個(gè)本需要多工位，多工序的復(fù)雜零部件就可一氣呵成。因此在成本上是有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

圖9 Model Y車(chē)架結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)勢(shì)二：將沖壓、焊接一體化，總體節(jié)拍較為優(yōu)化

特斯拉的目標(biāo)是要做新能源界的豐田大眾，那么生產(chǎn)節(jié)拍就變得異常重要。8000噸的壓鑄機(jī)為了提升節(jié)拍，在鑄造零件壓力密封過(guò)程中，通過(guò)某些技術(shù)能將兩側(cè)的鑄造半膜之間形成空腔，并且向這個(gè)空腔中注入帶有溫度保護(hù)的熔融金屬。由于這個(gè)空腔中是負(fù)壓狀態(tài)，能有效消除鑄造湍流產(chǎn)生的氣泡，在壓鑄時(shí)對(duì)于材料的一致性，和鑄造速度非常有幫助。根據(jù)特斯拉公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，每次鑄造會(huì)將80公斤左右的鋁合金液體，以每秒10米的速度注入冷室模具中，節(jié)拍為85秒左右，算下來(lái)每小時(shí)42件，算是優(yōu)化了目前的節(jié)拍。

優(yōu)勢(shì)也伴隨著一些不足的地方，比如，鍛煉力學(xué)角度目前在該工藝之下仍有挑戰(zhàn)，模具設(shè)計(jì)也具有很大的挑戰(zhàn)。在發(fā)展大型壓鑄機(jī)的道路上，這都是我們未來(lái)要攻克的技術(shù)難題。

3、鑄造材料

3.1 缸體

傳統(tǒng)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體材料是鑄鐵，當(dāng)今仍舊占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的逐步提高和輕量化的需求，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體材料也在進(jìn)行著快速革新。主要有三個(gè)方向：

● 提高鑄鐵牌號(hào)，以提高缸體強(qiáng)度和性能；

● 采用蠕墨鑄鐵生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，具有高強(qiáng)度、疲勞性能好的優(yōu)勢(shì)，利于薄壁化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，可承受更大的爆發(fā)壓力，減少缸筒變形，功率提高10％～20％；

● 鋁合金缸體，發(fā)展勢(shì)頭最為迅速，代表乘用車(chē)缸體的重點(diǎn)發(fā)展方向。通常需鑲套處理，質(zhì)量明顯減輕，汽車(chē)能耗降低。但受鋁合金強(qiáng)度和熱疲勞性能的限制，在大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上還不能夠滿(mǎn)足要求，且成本也比較高。

3.2 缸蓋

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋是鋁合金應(yīng)用的主要領(lǐng)域，尤其在乘用車(chē)缸蓋市場(chǎng)，基本被鋁合金材料所壟斷。在載重車(chē)市場(chǎng)，大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋也已很少使用鑄鐵，取而代之的是蠕墨鑄鐵缸蓋，可以解決灰鑄鐵缸蓋的使用開(kāi)裂問(wèn)題。

3.3 曲軸

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)利于節(jié)能減排的重要性能升級(jí)工藝是發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓技術(shù)應(yīng)用，無(wú)論是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)還是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其在載重車(chē)市場(chǎng)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力增大，致使以往采用的珠光體球鐵曲軸的使用性能已不能滿(mǎn)足要求，而轉(zhuǎn)用40Cr等鍛鋼材料來(lái)制造。但隨著珠光體球鐵曲軸圓角滾壓、感應(yīng)淬火等技術(shù)的發(fā)展，球墨鑄鐵曲軸在乘用車(chē)和中低馬力發(fā)動(dòng)機(jī)載重車(chē)市場(chǎng)占有大量市場(chǎng)份額。此外，采用等溫淬火球墨鑄鐵制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了較深入的應(yīng)用研究。

3.4 其他

其它汽車(chē)鑄件如各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)的支撐件、結(jié)構(gòu)件，如各類(lèi)支架、盤(pán)體、殼體、轉(zhuǎn)向零件等，依據(jù)使用性能需求，大量采用鑄鐵材料來(lái)制造。隨著汽車(chē)環(huán)保要求的發(fā)展，灰鑄鐵、鑄鋼的應(yīng)用比例逐步呈下降趨勢(shì)，而高性能球墨鑄鐵、Mg合金、Al合金及特種鑄鐵材料呈進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。

3.5 發(fā)展趨勢(shì)

以鑄鐵件為代表的鑄件目前是汽車(chē)用鑄件的主體部分，尤其是球墨鑄鐵件的應(yīng)用取代了很多鑄鋼和灰鑄鐵件，并導(dǎo)致可鍛鑄鐵在汽車(chē)零部件應(yīng)用上基本接近消失，其優(yōu)異的強(qiáng)韌性能和易控的生產(chǎn)方式使其應(yīng)用比重逐步增加，高強(qiáng)高韌性球墨鑄鐵的研發(fā)生產(chǎn)將成為球鐵持續(xù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

另一種優(yōu)異的工程材料——等溫淬火球墨鑄鐵具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在國(guó)外取得迅速發(fā)展并應(yīng)用良好，在曲軸、齒輪、支架、結(jié)構(gòu)件等方面的應(yīng)用研究取得可喜成果，并得到實(shí)際應(yīng)用。

蠕墨鑄鐵自1948年發(fā)明以來(lái)，由于穩(wěn)定的生產(chǎn)范圍較窄，且性能未引起人們的關(guān)注，應(yīng)用一直較少。直至先進(jìn)的生產(chǎn)控制技術(shù)研究成功并有效地投人使用，蠕墨鑄鐵用于復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)才有了可能。蠕墨鑄鐵材料由于具有比鑄鐵和Al更高的抗拉強(qiáng)度(高75％) 、彈性模量(高40％) 和疲勞強(qiáng)度(高100％) ，成為目前發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋設(shè)計(jì)的理想材料。

汽車(chē)輕量化的要求是采用Mg、Al合金來(lái)制造汽車(chē)鑄件。汽車(chē)每減重10%，油耗降低5.5%，排放減低10%左右，而Al合金密度僅為Fe的1/3，而強(qiáng)度與灰鑄鐵相當(dāng)，成為取代灰鑄鐵制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的理想材料。Al合金鑄件在世界范圍內(nèi)近年來(lái)取得快速增長(zhǎng)，而具有更輕密度的Mg合金伴隨研究應(yīng)用的深入，在汽車(chē)方向盤(pán)、座椅骨架、儀表盤(pán)、罩蓋等零件上也得到快速應(yīng)用。

汽車(chē)鑄造發(fā)展方向

1、鑄件的發(fā)展方向

● 汽車(chē)鑄件的集成化設(shè)計(jì)

隨著汽車(chē)節(jié)能環(huán)保以及降低生產(chǎn)成本的要求不斷增加，充分利用鑄造成形的優(yōu)勢(shì)，將原有沖壓、焊接、鍛造和鑄造成形的數(shù)個(gè)零件，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)集成零件的鑄造成形，可以有效地降低零件的重量和減少不必要的加工工藝過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)零件的輕量化和高性能化。

汽車(chē)鑄件集成化的發(fā)展趨勢(shì)在有色合金鑄件方面的發(fā)展更為明顯。為了充分利用鑄造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件生產(chǎn)的特點(diǎn)，出現(xiàn)了集成設(shè)計(jì)的車(chē)門(mén)內(nèi)板、座椅骨架、儀表板骨架、前端框架和防火墻等集成設(shè)計(jì)的高壓鑄件，其尺寸顯著大于目前生產(chǎn)的鑄件，需要4 000~5000t甚至更大噸位的壓鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。

圖10 特斯拉Model Y 一體鑄造車(chē)身

● 汽車(chē)鑄件的輕量化

在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車(chē)的整備重量，實(shí)現(xiàn)輕量化，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車(chē)整備重量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3~0.6L，若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%。隨著環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流，汽車(chē)鑄件的輕量化也成為汽車(chē)鑄件的重要發(fā)展方向之一。輕量化的實(shí)現(xiàn)主要會(huì)從以下三點(diǎn)進(jìn)行發(fā)展：

1）輕量化設(shè)計(jì)

等厚設(shè)計(jì)的主要弊端是無(wú)法充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)性能，并導(dǎo)致鑄件重量的增加。采用CAE分析、拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件各個(gè)部位的應(yīng)力值接近，即各個(gè)部位的壁厚不一致，受力小的部位減薄料厚，從而減輕零件的重量。考慮到鑄造成形可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的成形，可以實(shí)現(xiàn)各種不規(guī)則的異型截面。設(shè)計(jì)時(shí)，采用CAE或拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對(duì)零部件進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)力的分布，確定零部件的形狀和具體局部的材料厚度。通過(guò)對(duì)鑄件加筋、挖孔和改變截面，可使零部件的重量大大降低。

2）輕合金材料應(yīng)用

使用鋁鎂等輕合金材料是目前各國(guó)汽車(chē)制造商的主要減重措施。鋁的密度僅為鋼的1/3，且有優(yōu)良的耐蝕性和延展性。鎂的密度更小，只有鋁的2/3，在高壓鑄造條件流動(dòng)性?xún)?yōu)異。鋁和鎂的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與質(zhì)量之比）都相當(dāng)高，對(duì)減輕自重，提高燃油效率有舉足輕重的作用。

但是需要注意的是由于鋁鎂等輕合金的原材料價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼鐵材料，限制了其在汽車(chē)工業(yè)中更廣泛的應(yīng)用。但是盡管原材料價(jià)格較高，目前鎂、鋁鑄件的單車(chē)用量卻連年上升。這一方面是通過(guò)技術(shù)進(jìn)步彌補(bǔ)了成本增加，另一方面則是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)迫使汽車(chē)廠(chǎng)商降低利潤(rùn)而采用更多的輕合金。然而，要使輕合金用量得到大幅度提高，降低鎂鋁錠的采購(gòu)價(jià)格，開(kāi)發(fā)先進(jìn)成形技術(shù)是關(guān)鍵之一。

3）鑄件材料的高性能化

提高材料的性能，使得單位重量的零件能夠承受更高的載荷，是有效降低鑄件重量的方法之一。支架類(lèi)結(jié)構(gòu)鑄件占汽車(chē)鑄件相當(dāng)大的比例，因而其鑄件的開(kāi)發(fā)也成為關(guān)注的重點(diǎn)之一。通過(guò)熱處理等措施，使材料顯微組織改變，從而提高零件的強(qiáng)度、剛度或韌性，可以有效地降低零件重量。

等溫淬火球墨鑄鐵，不僅強(qiáng)度比普通鑄鋼材料有所提高，而且密度比鋼要低，其密度為7.1g/cm3 ，而鑄鋼的密度為7.8g/cm3 ，是近年來(lái)廣泛推薦采用的材料。采用等溫淬火球墨鑄鐵，在鑄件尺寸相同的條件下，比鑄鋼件輕10%。

表1 等溫淬火球墨鑄鐵材料替代的輕量化效果

在鋁合金和鎂合金鑄件方面也采用了高強(qiáng)、高韌的材料進(jìn)行替代，在原有輕合金減重的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高性能材料進(jìn)行進(jìn)一步減重，美國(guó)通用汽車(chē)公司采用高性能的AE44合金取代原有的鋁合金，采用高壓鑄造的方法生產(chǎn)副車(chē)架，在鋁合金減重的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減重6 kg。

● 汽車(chē)鑄件開(kāi)發(fā)數(shù)字化

汽車(chē)鑄件開(kāi)發(fā)與數(shù)字技術(shù)的全面結(jié)合可以顯著地提升鑄造技術(shù)水平，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和試制周期。目前數(shù)字制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)鑄件的開(kāi)發(fā)。在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鑄造工藝設(shè)計(jì)階段，Pro/E，CATIA，和UG等三維設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，部分先進(jìn)的鑄造企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化設(shè)計(jì)。MAGMA，ProCAST以及華鑄CAE等軟件已經(jīng)被廣泛用于汽車(chē)鑄件凝固過(guò)程、顯微組織、成分偏析和材質(zhì)性能等方面的模擬，還可以對(duì)鑄造過(guò)程中的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等方面的模擬，能夠確保在批量生產(chǎn)前使工藝方案得到優(yōu)化。

為適應(yīng)汽車(chē)鑄件快速開(kāi)發(fā)的需求，在CAD/CAE的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，RP （快速原型技術(shù)）已經(jīng)被廣泛用于汽車(chē)鑄件的快速試制。在獲得CAD/CAE原始數(shù)據(jù)后，采用逐層堆積的方法，通過(guò)粘結(jié)，熔結(jié)或燒結(jié)的方式獲得鑄件原型或形成鑄件所需模具的原型。前者可用熔模鑄造，石膏型鑄造等方法試制鑄件樣件，后者可直接作為模具制造砂芯，通過(guò)組芯造型而澆注出鑄件。此外，還可以用粉料激光燒結(jié)法（SLS），直接完成砂芯和砂型的制作，從而獲得鑄件試制所需要的砂型。對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的外模，還可以采用數(shù)控機(jī)床，用可加工塑料進(jìn)行CAM加工，從而獲得鑄件試制所需的芯盒和模樣，或是直接對(duì)砂塊進(jìn)行加工，直接獲得外模的砂型。

總體上說(shuō)，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)貫穿鑄件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)以及試制的各個(gè)環(huán)節(jié)，有效提高了鑄件的開(kāi)發(fā)速度和效率。目前主要存在的問(wèn)題是設(shè)計(jì)、分析和快速制造等方面的數(shù)字化技術(shù)各自獨(dú)立，當(dāng)開(kāi)發(fā)過(guò)程由一個(gè)階段向另一個(gè)階段轉(zhuǎn)化時(shí)，還需要進(jìn)行相當(dāng)繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作。希望在將來(lái)能夠針對(duì)鑄件開(kāi)發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)所應(yīng)用的數(shù)字化技術(shù)開(kāi)發(fā)出統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口平臺(tái)，建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同軟件之間數(shù)據(jù)的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，從而更進(jìn)一步地提高鑄件的開(kāi)發(fā)速度。

2、汽車(chē)鑄造技術(shù)的發(fā)展方向

● 薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的生產(chǎn)技術(shù)

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能減排的需求，汽車(chē)零件日趨輕量化，通過(guò)薄壁化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的重要發(fā)展方向。

針對(duì)缸體3mm薄壁特點(diǎn)，組芯立澆工藝對(duì)制芯和組芯都提出了苛刻的要求。制芯中心可實(shí)現(xiàn)制芯生產(chǎn)的高度智能化、自動(dòng)化。從原砂、樹(shù)脂的加入，混砂、制芯、修芯、組裝、涂料和烘干到造型以及組下芯全過(guò)程均可以實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，使砂芯制芯質(zhì)量、組裝質(zhì)量即尺寸精度和涂料烘干質(zhì)量等得到了穩(wěn)定的保證，從而避免了因人為因素而造成的質(zhì)量和尺寸風(fēng)險(xiǎn)，適應(yīng)大批量汽缸體制芯生產(chǎn)的需要。能夠有效解決大批量生產(chǎn)時(shí)，廢品率不穩(wěn)定和居高不下的問(wèn)題，同時(shí)由于砂芯尺寸精度的提高，也極大地降低了清理工作量和成本，并且完全能夠有效保證3mm壁厚尺寸要求。

● 鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)

隨著節(jié)能、環(huán)保以及降低部件成本的要求不斷增加，鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)鑄件已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，其制造技術(shù)也成為目前的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。目前鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)件的主要生產(chǎn)技術(shù)有高壓鑄造、擠壓鑄造和低壓鑄造。由于高壓鑄造生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好已經(jīng)成為目前主要的生產(chǎn)工藝，其制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要集中在對(duì)高壓鑄造過(guò)程中容易卷氣，鑄件內(nèi)部容易形成氣孔，不能進(jìn)行熱處理問(wèn)題的改進(jìn)。

上文介紹的高真空壓鑄可有效解決卷氣問(wèn)題，防止氣孔的產(chǎn)生。真空壓鑄工藝已經(jīng)成功地應(yīng)用于汽車(chē)結(jié)構(gòu)鑄件的批量生產(chǎn)，為高質(zhì)量的輕合金鑄件的應(yīng)用提供了先進(jìn)的成形方法與工藝。

● 鑄件精確鑄造成形技術(shù)

隨著汽車(chē)鑄件成形技術(shù)的發(fā)展，鑄造精確成形是指一類(lèi)鑄造成形方法。通過(guò)這一類(lèi)成形方法生產(chǎn)出的鑄件無(wú)需經(jīng)過(guò)切削或是少切削即可直接使用。隨著對(duì)鑄件尺寸精度要求的提高，鑄造精確成形技術(shù)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了精確砂型鑄造，消失模鑄造、可控壓力鑄造、壓力鑄造等一系列的鑄造成形方法。

在高壓鑄造工藝基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的真空鑄造、充氧壓鑄、半固態(tài)金屬流變或觸變壓鑄等工藝方法，旨在消除鑄件缺陷，提高內(nèi)部質(zhì)量，并擴(kuò)大壓鑄件的應(yīng)用范圍。擠壓鑄造過(guò)程中，熔體在壓力下充型和凝固，具有平穩(wěn)、無(wú)金屬?lài)姙R、金屬液氧化損失少、節(jié)能、操作安全和減少鑄件孔洞類(lèi)缺陷等優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金副車(chē)架等高性能鋁合金鑄件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

汽車(chē)產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)迫切要求鑄造生產(chǎn)向高質(zhì)量、優(yōu)性能、近凈形、多品種、低消耗、低成本的方向發(fā)展。由于一輛整車(chē)約15%~20%的零件是鑄件。這就要求鑄造行業(yè)要不斷應(yīng)用各種新技術(shù)、新材料來(lái)提升鑄造整體水平。鑄件精確鑄造成形技術(shù)能夠滿(mǎn)足汽車(chē)鑄件的上述要求，其應(yīng)用也將涵蓋汽車(chē)鑄件的不同鑄造生產(chǎn)過(guò)程中。

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來(lái)自：宋洋sy > 《05-沖壓及壓鑄工藝技術(shù)》

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