汽車研發(fā):汽車大型構件力學性能需求下的汽車大型車門結構件的壓鑄工藝研究
汽車大型構件汽車大型構件常常起到支撐或承載負荷的作用，具有結構繁雜、外形尺寸較大、厚度不均等特征。同時，直接關系到汽車的行駛安全性，因而對其力學性能要求較高，詳見表 1。
表1 汽車大型構件力學性能要求
通常為了獲得良好的性能， 需對大型構件進行熱處理。若要求與其他構件可靠銜接，工件還應具有較好的鉚接、焊接性能等。
1、常規(guī)壓鑄工藝的弊端
常規(guī)的壓鑄生產過程中，由于合金液的快速充型, 使型腔與壓室內部的氣體難以排盡，這些氣體卷入到合金液中， 將在鑄件內部形成氣孔缺陷。嚴重時，將使鑄件喪失熱處理與焊接性能。同時 ，若一些工藝因素未得到有效控制，在鑄件內還會形成其他缺陷，工件品質較差。針對上述問題， 本課題結合汽車大型構件特征與長期的研究經驗;對壓鑄生產中的模具設計、澆注系統(tǒng)、 真空充型及工藝改進等方面進行了深入的剖析;合理處理這些工藝要素，可提高鑄件品質。
2、壓鑄工藝要點
2.1 模具設計
模具設計過程中，需把握6個要點：
①合理選取澆注位置、合金液填充方向與各組件的形狀尺寸，確保合金液良好的流動性，建立其順序凝固。
②在合金液匯流、鑄件轉角部位，合理設置排氣口，盡量降低這些部位形成缺陷的可能。
③校核排氣道面積，確保型腔排氣順暢。
④模具應能可靠密封，降低其對真空壓鑄的影響。
⑤合理設置冷卻與加熱裝置，準確控制模溫。
⑥制造模具之前，可借助仿真軟件分析其充型、凝固特性;并根據(jù)仿真結果，對模具進行適當?shù)膬?yōu)化。
2.2 澆注系統(tǒng)
常見的3種澆注方式如圖1所示。經反復試驗得到，澆注方式對鑄件塑性具有重要影響。常規(guī)的頂注方式，容易發(fā)生合金液飛濺，卷氣、合金氧化現(xiàn)象顯著;同時，合金液之間存在嚴重的沖擊，影響鑄件組織品質，塑性較差。底注方式可有效減輕合金液擾動，沒有合金液飛濺現(xiàn)象發(fā)生;鑄件夾雜、缺陷減，其塑性明顯提高。然而底注方式需對壓鑄機進行適當?shù)恼{整，需配備專用的壓室、模具;這樣壓鑄機將失去通用性，無法用于其他壓鑄場合。
為了使鑄件獲得良好的塑性，可采取其他方法。如圖1(c)所示，對頂注澆注系統(tǒng)進行改進。在不對壓鑄機進行特殊改造，便于生產轉化的前提下，同樣可達到提升鑄件塑性的目的。
2.3 真空壓鑄
在壓鑄生產過程中，真空填充技術頻繁使用。真空技術需著重注意3點：
①真空系統(tǒng)啟動需及時 ，當沖頭將澆料口封堵時立即進行抽真空。
②真空系統(tǒng)需要有足夠的功率，可實現(xiàn)快速抽真空。
③當壓室充滿之前，必須滿足一定的真空度要求，以防影響鑄造品質。
通常， 鑄件型腔內部絕對壓力大于30kPa 時，其對鑄件塑性基本無影響。
而當其絕對壓力處于10～15 kPa 區(qū)間時，隨著真空度的提升，鑄件塑性變化明顯。同時 ， 真空度與鑄件表面質量也直接相關，如圖2所示。鑄件內的氣泡隨著真空度的上升，呈逐漸減少的趨勢。然而氣泡并不對鑄件伸長率起決定性因素。同時，高真空度可增加壓鑄工藝參數(shù)的選擇區(qū)間。但高真空度提高了對真空設備的要求，將增加生產成本。
2.4 工藝綜合優(yōu)化
合理選取壓射模式與參數(shù)， 有助于提高鑄件品質。壓鑄件內約30%～50%的氣體，來自于合金液在壓室內部的預充填階段;因此需要對慢壓射階段的壓射模式進行合理設置， 盡可能防止合金液在壓室內部形成卷氣。并正確選取潤滑劑與脫模劑，對噴涂工藝進行優(yōu)化。精確控制模具溫度，把冷卻水分配于設備;對各冷卻回路的溫度與流量進行實施監(jiān)控，使得模具溫度分布滿足要求。
模具設計合理，壓鑄工藝恰當，合金液充型模式理想， 可降低對真空度的要求， 獲得品質良好的鑄件。同時，對于鑄件壁較厚或轉角較大的部位，可實施局部增壓技術;增加鑄件密度，減少縮孔、縮松?？刹捎煤辖鹨呵把貍鞲衅?，實施把握合金液流態(tài);有助于充填模式優(yōu)化。
3、應用實踐
合理把握前述壓鑄工藝因素， 采用布勒公司的Carat 系列壓鑄機;實現(xiàn)了汽車大型構件的批量化、工業(yè)級生產。所制備出的產品品質良好，達到汽車應用指標要求。汽車車門框架鑄件如圖3(a)所示。以Al合金取代常規(guī)的鋼材，
鑄件質量減少了約45kg。同時，鑄件剛性特別好，可進行鉚接、焊接等;車門裝配精度得到大幅度提升。汽車B形支架鑄件如圖3(b)所示。其安裝于汽車前、后門之間。該鑄件外形尺寸精確、穩(wěn)定，經熱處理之后，獲得了良好的屈服強度與伸長率。
汽車減震器上蓋鑄件如圖4(a)所示。該鑄件安裝于汽車前端，長期承載較大的動載荷。該鑄件最薄部位僅 4mm，鑄件成形品質良好。汽車縱向構件如圖4(b)所示，安裝于汽車車身下部，鑄件強度、塑性均滿足技術要求。
4、結論
汽車大型構件對強度、韌性等要求較高，對壓鑄生產中的模具設計、澆注系統(tǒng)、真空充型等工藝因素要準確把握， 所制備出的鑄件可進行熱處理。同時，其鉚接、焊接性能良好，實現(xiàn)了汽車大型構件的批量化、工業(yè)化生產。
本文作者：盧學玉
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