摘要：給出了幾種典型擠壓鑄造件在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例。通過對典型零件的研究，證明擠壓鑄造是提高鑄件性能的最有效的工藝方法，可替代部分鍛造生產(chǎn)那些性能要求高而用其他鑄造方法性能無法達(dá)到的制件，在汽車制造業(yè)用鋁合金替代部分鑄鐵、鑄鋼生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件是可行的。

擠壓鑄造工藝使液態(tài)金屬在高壓下成形、凝固或伴有微量塑性變形，可消除鑄件內(nèi)部縮孔、疏松等缺陷，使鑄件組織細(xì)密，可通過熱處理大幅提高鑄件力學(xué)性能，接近或相當(dāng)于模鍛件水平，具有良好的應(yīng)用前景。

隨著新能源汽車的發(fā)展和汽車輕量化的需要，擠壓鑄造技術(shù)在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來越廣泛，如控制臂類、連桿類、發(fā)動機(jī)支架、輪邊支架類等底盤件一部分應(yīng)用鋁合金材料制造，取代部分鍛造生產(chǎn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，替代低壓和差壓鑄造、金屬型重力鑄造生產(chǎn)那些可靠性要求高的結(jié)構(gòu)件已成汽車未來優(yōu)選趨勢。

1、在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)向節(jié)屬于底盤安全件，具有連接、承載、轉(zhuǎn)向功能，服役條件復(fù)雜。某鋁合金擠壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)原型搭載在SUV車型，原生產(chǎn)工藝為球墨鑄鐵砂型鑄造，質(zhì)量達(dá)4.5 kg。采用A356鋁合金擠壓鑄造工藝生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)，根據(jù)乘用車底盤零部件的8種典型工況對初步結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)CAE分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最終得到鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化數(shù)模和鑄件見圖1，質(zhì)量為2.19 Kg，相對鑄鐵減重比例達(dá)56.6%。轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化數(shù)模8種典型工況CAE分析結(jié)果見表1，應(yīng)力分布均滿足要求，小于技術(shù)條件要求的A356材料屈服強(qiáng)度230 MPa。

圖1:左轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計模型

表1:鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化模型分析結(jié)果

采用宇部HVSC-800PL臥式擠壓鑄造機(jī)試制，在模具設(shè)計上采用間接擠壓工藝布置。對轉(zhuǎn)向節(jié)用擠壓鑄造工藝進(jìn)行前期模流模擬分析，結(jié)果表明，凝固過程中最后的液相區(qū)在零件前輪中心中部偏下，見圖1b，鑄件熱節(jié)也在此處集中，存在縮孔或縮松的危險。為保證充型平穩(wěn)及凝固能夠很好地補(bǔ)縮，中間與輪轂連接的圓孔部位結(jié)合水冷加局部擠壓進(jìn)行改善。由于前期設(shè)計分析詳細(xì)，在后期試模過程中，除在模具上加開排氣槽和修改擠壓銷間隙外，整個試制過程基本沒有出現(xiàn)大的問題。

擠壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)經(jīng)T6熱處理，固溶溫度為530 ℃，保溫480 min，40 ℃水冷，時效溫度為180 ℃，保溫360 min，從鑄件本體取樣測試力學(xué)性能，取樣位置見圖1c，材料拉伸性能檢測結(jié)果見表2，滿足設(shè)計要求。

表2:鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)材料力學(xué)性能檢測結(jié)果

對擠壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)樣件加工并與對偶件裝配后進(jìn)行臺架試驗(yàn)，測試儀器為SCHENCK生產(chǎn)的160 KN/100mm液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)加載力的大小、方向、加載頻率等試驗(yàn)參數(shù)均與原鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)相同。對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行典型工況的靜強(qiáng)度及疲勞耐久試驗(yàn)，樣件均未出現(xiàn)裂紋、變形等不符合狀況，通過了臺架試驗(yàn)。

2、在汽車氣囊支撐臂中的應(yīng)用

氣囊支撐臂是汽車輪邊驅(qū)動橋的核心支撐零件，見圖2，它與汽車箱體、減震器氣囊模塊、驅(qū)動系統(tǒng)相連，具有承載汽車后部載荷，支撐驅(qū)動橋并為減震氣囊起緩沖作用，在汽車行駛狀態(tài)下，承受著多變的沖擊減震載荷。其主要失效方式為疲勞破壞。

汽車氣囊支撐臂原來主要由球墨鑄鐵鑄造而成，為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，國外開始研發(fā)高性能鋁合金氣囊支撐臂，由鑄鐵件、鑄鋼件向鋁合金鍛造件的升級換代，以實(shí)現(xiàn)氣囊支撐臂產(chǎn)品的輕量化。該鋁合金氣囊支撐臂用于某新能源汽車中巴，力學(xué)性能要求：本體取樣抗拉強(qiáng)度〉300 MPa，屈服強(qiáng)度〉210 MPa，斷后伸長率>8%。

該產(chǎn)品在開發(fā)初期產(chǎn)品臺架試驗(yàn)曾發(fā)生斷裂，后經(jīng)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，見圖3， ?處的產(chǎn)品邊界往箭頭所指方向左移5 mm， ?處取消過渡圓弧成直線，螺栓安裝孔面抬高5 mm。改進(jìn)后的零件整體剛度得到加強(qiáng)，受力情況更加合理，從產(chǎn)品本體取樣力學(xué)性能測試結(jié)果見表3，后經(jīng)多輪臺架試驗(yàn)產(chǎn)品性能完全滿足了設(shè)計要求，產(chǎn)品臺架試驗(yàn)見圖4。

表3:力學(xué)性能測試結(jié)果

3 、在汽車控制臂中的應(yīng)用

圖5:鋁合金控制臂

圖5為鋁合金控制臂零件，最大外形尺寸為320 mm×154 mm，平均壁厚為12 mm，結(jié)構(gòu)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化，提取骨架，結(jié)合裝配要求最終設(shè)計成帶弧形型彎曲外形的桿系結(jié)構(gòu)。其在三個位置上存在裝配受力關(guān)系，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，見表4，應(yīng)力和變形滿足設(shè)計要求。鋁合金鑄件整體質(zhì)量為2.5 kg，從該鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上看，鑄件結(jié)構(gòu)簡單、壁厚適中，適合于采用擠壓鑄造成形。圖6為擠壓鑄造鑄件樹示意圖，圖7為局部擠壓結(jié)構(gòu)圖，圖8為動模水路結(jié)構(gòu)，圖9是擠壓鑄造控制臂X光探傷圖，從X光照片可以看出：擠壓鑄造控制臂在大孔處局部有微觀縮松外，其他部位未發(fā)現(xiàn)有縮孔、縮松缺陷。

表4:CAE模擬分析結(jié)果

圖10是擠壓比壓為100 MPa條件下控制臂鑄件的顯微組織圖，可以看出擠壓鑄造控制臂的金相組織為：α+共晶體，在擠壓鑄造條件下，由于擠壓力的存在提高了鑄件的凝固速度，使初生α相的晶粒有了一定的細(xì)化。從控制臂鑄件本體取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，鑄件各個位置力學(xué)性能相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度均大于300 MPa，屈服強(qiáng)度大于230 MPa，伸長率大于8%。滿足設(shè)計要求。經(jīng)100萬次臺架試驗(yàn)產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)完全滿足技術(shù)要求，其中剛度指標(biāo)高于原來鑄鋼件。

圖11:擠壓鑄造發(fā)動機(jī)后懸左支架

4、在商用汽車發(fā)動機(jī)左右懸置支架中的應(yīng)用

某商用汽車110型發(fā)動機(jī)支架見圖11，生命周期長，性能要求高，臺架實(shí)驗(yàn)零件需能夠承受250 kN不破壞。零件平均壁厚為25 mm，最大壁厚為55 mm，用UBE HVSC 8000kN間接擠壓鑄造機(jī)生產(chǎn)。支架材料采用A356.2鋁合金，按設(shè)計要求從產(chǎn)品最厚部位取樣測得的力學(xué)性能見表5和圖12，圖13為支架厚大截面剖切圖（剖切位置見圖13），從拋光腐蝕圖面可看出鑄件沒有任何縮松針孔、夾渣等鑄造缺陷。圖16 是改產(chǎn)品擠壓鑄造件與金屬型重力鑄造件斷口對比圖，擠壓鑄造件的斷口（a）晶粒比金屬型重力鑄造斷口（b）晶粒更加細(xì)小。

表5:擠壓鑄造發(fā)動機(jī)后懸左支架力學(xué)性能

圖14:兩種工藝生產(chǎn)的支架斷口比較

產(chǎn)品經(jīng)臺架100萬次疲勞臺架實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)永久變形和裂紋等問題，在破壞性實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)品在365.7KN力的作用下才發(fā)生斷裂破壞，指標(biāo)大于250KN的規(guī)定值，接近了1.5倍。

5、結(jié)語

給出幾種典型擠壓鑄造件在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例，可替代部分鍛造生產(chǎn)那些性能要求高而用其他鑄造方法無法達(dá)到的制件。在汽車制造業(yè)用鋁合金替代部分鑄鐵、鑄鋼已成為業(yè)界共識。隨著新能源汽車的發(fā)展和汽車輕量化的需要，先進(jìn)的擠壓鑄造技術(shù)在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用將越來越廣泛，擠壓鑄造的應(yīng)用市場空間更加廣闊。

作者：

黃毅 羅繼相 郭稱發(fā) 楊家洲 楊銳彬
廣州金邦液態(tài)模鍛技術(shù)有限公司

羅繼相
武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第08期