原標(biāo)題：新能源汽車底盤副車架一體化壓鑄技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

摘要

新能源汽車底盤副車架尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力學(xué)性能要求高，常規(guī)一體化壓鑄工藝無法滿足設(shè)計(jì)要求。采用三級(jí)抽真空技術(shù)，提高了模具型腔的真空度，真空度達(dá)到≤15 kPa；采用集群局部擠壓技術(shù)，改善了區(qū)域組織結(jié)構(gòu)，有效縮減了縮孔，減少了氣孔。生產(chǎn)實(shí)踐證明，兩種技術(shù)的應(yīng)用使壓鑄件的力學(xué)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，提升了壓鑄件品質(zhì)，提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品合格率達(dá)到95%以上。

在“雙碳”目標(biāo)下，新能源汽車已經(jīng)成為汽車工業(yè)的重要支撐。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國新能源汽車全年銷量超過350萬輛，市場占有率提升至13.4%；2022年新能源汽車全年銷量達(dá)到740萬輛，滲透率提升至30%；2023年新能源汽車銷量達(dá)到949.5萬輛。

輕量化是汽車行業(yè)發(fā)展的大趨勢，降本增效的需求進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)汽車減重。對于新能源汽車，提升續(xù)航里程，降低電池成本是發(fā)展方向。新能源汽車電池過重、電耗較高，且能量密度低于傳統(tǒng)的燃油汽車，影響續(xù)航里程，使得車企對其輕量化的需求更加迫切。因此，車身輕量化成為新能源汽車提升續(xù)航里程、提升耐久性和提高節(jié)能效率的必然途徑。而一體化壓鑄的應(yīng)用有助于輕量化的實(shí)現(xiàn)。

特斯拉一體化壓鑄效應(yīng)轟動(dòng)了汽車制造業(yè)，迎來了汽車車身工程工藝的變革，一體化壓鑄促進(jìn)了鋁合金材料創(chuàng)新與發(fā)展。特斯拉Model Y后地板總成采用一體壓鑄后重量降低了30%，制造成本相比原來下降了40%。

但一體化壓鑄技術(shù)存在很多方面的技術(shù)壁壘和技術(shù)瓶頸。一體化壓鑄產(chǎn)品的材料屬性和力學(xué)性能比普通壓鑄件要求更高，常規(guī)壓鑄工藝無法滿足設(shè)計(jì)，需要技術(shù)積累和技術(shù)創(chuàng)新才能保證量產(chǎn)的良品率；一體化壓鑄模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造費(fèi)用高、準(zhǔn)備周期長。

本項(xiàng)目與寧波瑞立機(jī)械有限公司緊密合作，以新能源汽車底盤副車架為載體，對大型零配件一體化壓鑄技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，并將創(chuàng)新技術(shù)推廣應(yīng)用至其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超大型一體化壓鑄件，提高公司的技術(shù)研發(fā)能力與市場競爭力。

1 新能源汽車底盤副車架結(jié)構(gòu)

圖1是新能源汽車底盤副車架正反面。副車架的特點(diǎn)是壓鑄件尺寸大，858 mm×507 mm×215 mm，屬于超大型壓鑄件；壁薄，最大壁厚為10 mm；分布很多加工筋，形成了數(shù)量可觀的深槽；型腔配合面多，加工精度要求≤±0.03 mm。表1是底盤副車架壓鑄件和模具的主要性能參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。

圖1 新能源汽車底盤副車架

表1 底盤副車架性能參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

底盤副車架是受力件，力學(xué)性能要求相對較高，通常采用低壓鋁合金或鑄鐵，缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率不高，合格率偏低，尤其是采用鑄鐵材料副車架，重量太大，與新能源汽車輕量化方向相背離。

經(jīng)過多次論證與性能對比，最終選取免熱處理的鋁合金HDX。鋁合金高壓鑄造解決了低壓鑄造效率低的問題，同時(shí)又克服鑄鐵重量大的缺陷。但是副車架需承受很大的載荷，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率以及壓鑄件內(nèi)部質(zhì)量（氣孔、鎖孔）要求非常高，采用常規(guī)的壓鑄工藝無法滿足設(shè)計(jì)要求。

本項(xiàng)目將采用三級(jí)抽真空壓鑄技術(shù)和集群局部擠壓技術(shù)，改進(jìn)創(chuàng)新壓鑄工藝，提升壓鑄件品質(zhì)，提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品不合格率。通過該項(xiàng)目研發(fā)，提高公司一體化壓鑄技術(shù)水準(zhǔn)，提升公司一體化壓鑄的技術(shù)積累，增強(qiáng)公司核心技術(shù)競爭力。

2 三級(jí)抽真空壓鑄技術(shù)

壓鑄是利用高壓將金屬液高速壓入到模具型腔內(nèi)，金屬液在壓力作用下冷卻凝固成形的一種工藝方法。由于金屬液以高速噴射狀態(tài)充填至模具型腔，型腔中部分氣體無法排除而殘留在鑄件內(nèi)，可能產(chǎn)生氣孔、縮孔等內(nèi)部缺陷，影響產(chǎn)品品質(zhì)和力學(xué)性能。為了提高壓鑄件的力學(xué)性能，拓展壓鑄制品的應(yīng)用范圍，從業(yè)人員嘗試了多種壓鑄新工藝與新方法，真空壓鑄法是目前眾多工藝方法中的獲得廣泛應(yīng)用并取得良好效果的一種技術(shù)。真空壓鑄法，填充之前利用真空泵等將型腔內(nèi)的氣體抽出，使金屬液在接近真空的環(huán)境下充滿型腔，降低壓鑄件中殘留的氣體，從而改善其力學(xué)性能。

2.1 真空系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖2為真空壓鑄抽真空流程示意圖。在任一時(shí)刻t，真空壓鑄中真空泵直接對型腔抽真空過程中，型腔真空壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律可以通過公式（1）進(jìn)行表述：

式中：Vc為壓鑄模具型腔體積；Pc為壓鑄模具型腔實(shí)時(shí)壓力；Se為真空泵對壓鑄模具型腔的有效抽速。

圖2 真空壓鑄抽真空流程示意圖

利用真空壓鑄法對模具型腔抽真空，為了達(dá)到理想的真空度，壓鑄模具會(huì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的全密封結(jié)構(gòu)，包括沖頭、動(dòng)定模芯、頂針、鑲件、滑塊等所有成形零部件。盡管如此，型腔與周圍環(huán)境存在壓力差，導(dǎo)致模具的分型面、頂桿、壓射沖頭等位置都可以成為氣流通道，因此模具型腔的泄漏Q泄必須考慮，則公式（1）修正為：

由于模具型腔的泄漏量與t的變化可以忽略，公式（2）的解為：

公式（3）的解由兩部分組成，第一部分與t有關(guān)，反映了真空泵抽出模具型腔的真空度壓力變化，且其下降形式是指數(shù)函數(shù)；第二部分與t無關(guān)，反映了型腔泄漏對于模具真空度的影響。

當(dāng)時(shí)，也就是真空泵對型腔長時(shí)間抽取（幾小時(shí)或更長時(shí)間），則公式（3）第一部分趨于0，型腔壓力由第二部分決定，型腔真空度能達(dá)到10-5 MPa數(shù)量級(jí)。

但是壓鑄過程的抽真空時(shí)間通常只有幾秒鐘，而真空泵對壓鑄模具型腔的有效抽速能達(dá)到2 000 L/s甚至更高，因此公式（3）第二部分可以忽略，型腔實(shí)時(shí)壓力度由第一部分決定。一般狀態(tài)下，模具型腔真空度可達(dá)≤91 kPa。

2.2 三級(jí)抽真空技術(shù)

新能源汽車底盤副車架壓鑄模具，采用常規(guī)抽真空工藝試模，產(chǎn)品合格率維持在70%以下，無法滿足壓鑄件95%以上合格率的要求。壓鑄件的缺陷主要表現(xiàn)為拉傷痕、熱裂紋、氣孔、縮孔等，如圖3所示。

圖3 鑄造缺陷

按照底盤副車架產(chǎn)品工藝要求，壓鑄件表面拉傷痕長度不得大于0.5 mm，加強(qiáng)筋側(cè)面拉傷痕長度不得大于0.3 mm，加強(qiáng)筋底部不得有拉傷痕；壓鑄件表面包括加強(qiáng)筋的熱裂紋凸起長度不得大于1.5 mm。

產(chǎn)生這些缺陷的因素還是因?yàn)閴鸿T過程中的氣體含量偏多，包括壓鑄抽真空未排除而殘留在型腔的氣體以及壓鑄過程中新增氣體，造成模具型腔真空度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

為此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了如圖4所示的三級(jí)抽真空方案。模具采用一模兩腔，圖4的料筒最上部矩形孔是鋁液倒料口，下面的圓孔是真空抽氣孔，真空抽氣孔通過管子（圖中未畫出管子）與真空泵相連接。料筒下面是流道，流道通過內(nèi)澆道與副車架型腔連接，副車架型腔另一側(cè)分布溢流槽。每個(gè)副車架溢流槽連接2個(gè)真空閥和1個(gè)排氣塊，真空閥和排氣塊各連接1個(gè)過濾嘴，每個(gè)過濾嘴利用軟管與真空泵相連接。因?yàn)槭且荒汕唬靖眽鸿T模包括料筒上的抽氣口，總共連接7個(gè)真空泵。

圖4 三級(jí)抽真空方案

三級(jí)抽真空分為以下四個(gè)階段：

第一階段（圖5）：鋁液倒料結(jié)束，壓鑄機(jī)沖頭低速通過矩形倒料口，此時(shí)倒料口被封住，7個(gè)真空泵開始抽真空。

圖5 三級(jí)抽真空第一階段

第二階段（圖6）：壓鑄機(jī)沖頭低速通過料筒抽氣口，此時(shí)與料筒抽氣口連接的真空泵關(guān)閉，與4個(gè)真空閥和2個(gè)排氣塊連接的真空泵繼續(xù)抽氣。

圖6 三級(jí)抽真空第二階段

第三階段（圖7）：壓鑄機(jī)沖頭低速轉(zhuǎn)為高速，此時(shí)與4個(gè)真空閥連接的真空泵關(guān)閉停止抽真空，而與2個(gè)排氣塊連接的真空泵繼續(xù)抽真空。

圖7 三級(jí)抽真空第三階段

第四階段（圖8）：壓鑄機(jī)沖頭結(jié)束高速運(yùn)行，與2個(gè)排氣塊連接的真空泵關(guān)閉停止抽真空。三級(jí)抽真空結(jié)束，接著進(jìn)行增壓、保壓、冷卻，然后開模、沖頭跟蹤、取件、噴涂、吹氣。一個(gè)循環(huán)結(jié)束。

圖8 三級(jí)抽真空

第四階段經(jīng)過測試，三級(jí)抽真空時(shí)模具型腔真空度能達(dá)到≤15 kPa。

3 集群局部擠壓技術(shù)

新能源汽車底盤副車架檢驗(yàn)非常嚴(yán)格，除了多項(xiàng)力學(xué)性能測試和X光探傷之外，還有一項(xiàng)非常重要的檢驗(yàn)，就是對于圖9所示位置進(jìn)行斷面切割并拋光，以判斷內(nèi)部組織是否合格。

圖9 樣件斷面位置

圖9所示的樣件斷面切割位置，多數(shù)結(jié)構(gòu)壁厚較厚，極易產(chǎn)生氣孔、縮孔、內(nèi)部組織不致密等缺陷，即使采用三級(jí)抽真空技術(shù)也難以避免。

為了解決這個(gè)問題，本項(xiàng)目采用集群局部擠壓技術(shù)。局部擠壓的基本原理是在對應(yīng)位置增加擠壓銷，通過油缸推動(dòng)擠壓銷對鑄件縮孔部位加壓，強(qiáng)制補(bǔ)縮，從而獲得高品質(zhì)壓鑄件。

圖10是局部擠壓示意圖。與副車架壓鑄件連接的是擠壓套，擠壓套內(nèi)部有擠壓銷，擠壓銷由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，擠壓套通過壓板固定在模板上。擠壓套內(nèi)部的擠壓銷通過連接頭與液壓油缸的活塞桿相連接，活塞桿另一端與液壓油缸連接，活塞桿與液壓油缸中間設(shè)置了隔熱板。

圖10 局部擠壓示意圖

每個(gè)底盤副車架有8個(gè)位置設(shè)計(jì)了局部擠壓裝置，這些擠壓裝置并不是同時(shí)啟動(dòng)同時(shí)停止，而是根據(jù)每個(gè)位置與內(nèi)澆道距離、壁厚以及CAE模擬結(jié)果查看鋁液的凝固時(shí)間確定擠壓裝置啟動(dòng)時(shí)間。圖11是凝固時(shí)間分別為8.318 s和13.139 s的凝固分析結(jié)果。

圖11 凝固分析

圖12是局部擠壓具體位置，表2是每個(gè)位置裝置啟動(dòng)時(shí)間列表。當(dāng)擠壓裝置啟動(dòng)時(shí)，液壓油缸推動(dòng)活塞桿，活塞桿在連接頭內(nèi)部滑動(dòng)，同時(shí)推動(dòng)連接頭內(nèi)部的擠壓銷，擠壓銷在擠壓套內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到增壓目的。

圖12 擠壓位置表

2 擠壓啟動(dòng)時(shí)間

4 試驗(yàn)測試結(jié)果

新能源汽車底盤副車架壓鑄工藝采用了三級(jí)抽真空和集群局部擠壓等多項(xiàng)一體化壓鑄新技術(shù)，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求對鑄件進(jìn)行洛氏硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、彎曲試驗(yàn)和內(nèi)部品質(zhì)X光探傷等多種試驗(yàn)測試。

表3顯示了抽樣壓鑄件力學(xué)性能測試結(jié)果。

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果X光探傷主要是檢驗(yàn)內(nèi)部組織有無鑄孔和夾渣。一般平板部位（最大5 mm），缺陷部位面積最大不得超過0.8 m㎡；凸臺(tái)、厚壁部位、加強(qiáng)筋底部和加強(qiáng)筋側(cè)面，缺陷部位面積最大不得超過7 m㎡。圖13是重要位置X光探傷圖，結(jié)果顯示壓鑄件品質(zhì)合格。

圖13 X光探傷結(jié)果

5 結(jié)論

（1）三級(jí)抽真空技術(shù)有效解決了壓鑄過程中真空度偏高的問題，真空度能達(dá)到≤15 kPa。

（2）集群局部擠壓技術(shù)利用液壓油缸驅(qū)動(dòng)擠壓銷，實(shí)現(xiàn)了壁厚區(qū)域鋁液擠壓的效果，改善了區(qū)域組織結(jié)構(gòu)，有效縮減了縮孔，減少了氣孔。

（3）新能源汽車底盤副車架一體化壓鑄應(yīng)用三級(jí)抽真空技術(shù)和集群局部擠壓技術(shù)，提升了壓鑄件品質(zhì)，提高了生產(chǎn)效率，降低了產(chǎn)品不合格率，產(chǎn)品合格率達(dá)到95%以上。

本文作者：

夏天
寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院
吳時(shí)雨
寧波瑞立機(jī)械有限公司

本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴