擠壓鑄造技術在汽車結構件中的應用

黃毅等發表于2022/1/6 10:06:16 擠壓鑄造汽車零件應用

摘要：給出了幾種典型擠壓鑄造件在汽車制造業中的應用實例。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那些性能要求高而用其他鑄造方法性能無法達到的制件，在汽車制造業用鋁合金替代部分鑄鐵、鑄鋼生產高質量鑄件是可行的。

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

隨著新能源汽車的發展和汽車輕量化的需要，擠壓鑄造技術在汽車結構件上的應用越來越廣泛，如控制臂類、連桿類、發動機支架、輪邊支架類等底盤件一部分應用鋁合金材料制造，取代部分鍛造生產高性能復雜結構件，替代低壓和差壓鑄造、金屬型重力鑄造生產那些可靠性要求高的結構件已成汽車未來優選趨勢。

1、在汽車轉向節中的應用

轉向節屬于底盤安全件，具有連接、承載、轉向功能，服役條件復雜。某鋁合金擠壓鑄造轉向節原型搭載在SUV車型，原生產工藝為球墨鑄鐵砂型鑄造，質量達4.5 kg。采用A356鋁合金擠壓鑄造工藝生產轉向節，根據乘用車底盤零部件的8種典型工況對初步結構進行強度分析，根據CAE分析結果優化結構，最終得到鋁合金轉向節優化數模和鑄件見圖1，質量為2.19 Kg，相對鑄鐵減重比例達56.6%。轉向節優化數模8種典型工況CAE分析結果見表1，應力分布均滿足要求，小于技術條件要求的A356材料屈服強度230 MPa。

圖1:左轉向節設計模型

表1:鋁合金轉向節優化模型分析結果

采用宇部HVSC-800PL臥式擠壓鑄造機試制，在模具設計上采用間接擠壓工藝布置。對轉向節用擠壓鑄造工藝進行前期模流模擬分析，結果表明，凝固過程中最后的液相區在零件前輪中心中部偏下，見圖1b，鑄件熱節也在此處集中，存在縮孔或縮松的危險。為保證充型平穩及凝固能夠很好地補縮，中間與輪轂連接的圓孔部位結合水冷加局部擠壓進行改善。由于前期設計分析詳細，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大的問題。

擠壓鑄造轉向節經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性能，取樣位置見圖1c，材料拉伸性能檢測結果見表2，滿足設計要求。

表2:鋁合金轉向節材料力學性能檢測結果

對擠壓鑄造鋁合金轉向節樣件加工并與對偶件裝配后進行臺架試驗，測試儀器為SCHENCK生產的160 KN/100mm液壓伺服試驗設備，試驗加載力的大小、方向、加載頻率等試驗參數均與原鑄鐵轉向節相同。對轉向節進行典型工況的靜強度及疲勞耐久試驗，樣件均未出現裂紋、變形等不符合狀況，通過了臺架試驗。

2、在汽車氣囊支撐臂中的應用

氣囊支撐臂是汽車輪邊驅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、驅動系統相連，具有承載汽車后部載荷，支撐驅動橋并為減震氣囊起緩沖作用，在汽車行駛狀態下，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，為了實現汽車輕量化，國外開始研發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，以實現氣囊支撐臂產品的輕量化。該鋁合金氣囊支撐臂用于某新能源汽車中巴，力學性能要求：本體取樣抗拉強度〉300 MPa，屈服強度〉210 MPa，斷后伸長率>8%。

該產品在開發初期產品臺架試驗曾發生斷裂，后經對產品結構的改進，見圖3， ?處的產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。改進后的零件整體剛度得到加強，受力情況更加合理，從產品本體取樣力學性能測試結果見表3，后經多輪臺架試驗產品性能完全滿足了設計要求，產品臺架試驗見圖4。

表3:力學性能測試結果

3 、在汽車控制臂中的應用

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，結構根據拓撲優化，提取骨架，結合裝配要求最終設計成帶弧形型彎曲外形的桿系結構。其在三個位置上存在裝配受力關系，對優化后的結構進行受力分析，見表4，應力和變形滿足設計要求。鋁合金鑄件整體質量為2.5 kg，從該鑄件結構特點上看，鑄件結構簡單、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為局部擠壓結構圖，圖8為動模水路結構，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，其他部位未發現有縮孔、縮松缺陷。

表4:CAE模擬分析結果

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化。從控制臂鑄件本體取樣進行力學性能測試，鑄件各個位置力學性能相當，抗拉強度均大于300 MPa，屈服強度大于230 MPa，伸長率大于8%。滿足設計要求。經100萬次臺架試驗產品的各項性能指標完全滿足技術要求，其中剛度指標高于原來鑄鋼件。

圖11:擠壓鑄造發動機后懸左支架

4、在商用汽車發動機左右懸置支架中的應用

某商用汽車110型發動機支架見圖11，生命周期長，性能要求高，臺架實驗零件需能夠承受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間接擠壓鑄造機生產。支架材料采用A356.2鋁合金，按設計要求從產品最厚部位取樣測得的力學性能見表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）晶粒更加細小。