基于高壓薄壁鑄鋁的車(chē)身前輪罩成形技術(shù)研究

潛圣汶，鄭德兵

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引 言

汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展給能源消耗和環(huán)境安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)境問(wèn)題日益重視，汽車(chē)車(chē)身輕量化已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外汽車(chē)發(fā)展的主流，鋁車(chē)身制造技術(shù)是汽車(chē)輕量化的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。具有結(jié)構(gòu)靈活、強(qiáng)度高、吸能效果好等優(yōu)點(diǎn)的鑄鋁件在車(chē)身框架上得到了大量應(yīng)用，主要用在車(chē)身結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)和應(yīng)力集中位置，與其他構(gòu)件連接形成抗變形高強(qiáng)度的框架。鑄鋁件根據(jù)結(jié)構(gòu)需要加工成復(fù)雜的形狀以保證車(chē)身框架具有最佳的剛度[2]。由于壁厚要求（一般在2～5 mm），車(chē)身鑄鋁件主要為高壓薄壁鑄鋁。

高壓鑄鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)件通常具有尺寸大且精度要求高、壁厚薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，目前主要應(yīng)用于前輪罩、鉸鏈柱、前縱梁后段、后縱梁前端等?，F(xiàn)研究高壓鑄鋁前輪罩，探討高壓鑄鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形分析及生產(chǎn)工藝等。

1 高壓鑄鋁前輪罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓鑄鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)需考慮：①整車(chē)的碰撞和耐久性能；②安裝和布置要求；③零件的力學(xué)性能；④零件的成形和連接工藝。車(chē)身前輪罩在整車(chē)中的主要作用是滿(mǎn)足前懸架的剛度需求，為整車(chē)操控性提供保障；次要作用是保證滿(mǎn)足耐久試驗(yàn)的情況下零件及連接點(diǎn)均不開(kāi)裂；在整車(chē)碰撞的過(guò)程中對(duì)縱梁重要傳力路徑干擾少，不影響縱梁的整體變形，并輔助縱梁吸收碰撞能量。經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，在空間上找到最佳結(jié)構(gòu)傳力路徑，得到高壓鑄鋁前輪罩最佳空間結(jié)構(gòu)。此外為滿(mǎn)足剛度要求，在避震塔安裝頂部區(qū)域需要更多材料和更復(fù)雜的特征，可以通過(guò)增加加強(qiáng)筋及材料的厚度實(shí)現(xiàn)，前輪罩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓鑄鋁前輪罩

由于國(guó)內(nèi)高壓鑄鋁結(jié)構(gòu)件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，高壓鑄鋁輪罩在初始設(shè)計(jì)階段進(jìn)行成形性能分析，零件的外形結(jié)構(gòu)直接影響其鑄造可行性，合理的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可減少成形缺陷的發(fā)生率。零件鑄造成形階段會(huì)產(chǎn)生澆注不足、縮孔疏松等影響鑄鋁輪罩力學(xué)性能的缺陷，這些孔洞缺陷在長(zhǎng)期使用情況下會(huì)成為裂紋擴(kuò)展源，并導(dǎo)致輪罩的脆性斷裂，嚴(yán)重影響零件的使用性能。因此為保證鑄鋁件的成形性能及在車(chē)身上使用的可靠性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

（1）考慮零件的分型線(xiàn)和開(kāi)模方向。零件在開(kāi)模方向具有脫模斜度，一般要求外拔模角為1°，內(nèi)拔模角為2°～3°，避免內(nèi)部凹陷結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 高壓鑄鋁前輪罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（2）考慮零件的脫模設(shè)計(jì)。零件需增加凸臺(tái)平面，垂直于動(dòng)模推桿方向，有利于成形零件脫模。

（3）考慮零件加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)。盡可能增加加強(qiáng)筋的分布范圍及使加強(qiáng)筋和材料的流入方向一致，不會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)早冷卻出現(xiàn)澆注不足的情況。

（4）考慮零件的料厚。要求零件料厚分布均勻，避免料厚變化過(guò)于急劇，同時(shí)要避免材料冷卻速度差較大，局部出現(xiàn)縮孔等缺陷。

（5）考慮零件孔的設(shè)計(jì)。一些定位孔、精度要求高的孔，只能先做錐坑再加工成形。

2 高壓鑄鋁前輪罩的模擬分析

壓鑄成形的數(shù)值模擬是確定鑄鋁件最終成形工藝的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓鑄過(guò)程的宏觀模擬主要有：模具熱循環(huán)的溫度場(chǎng)、料缸推進(jìn)過(guò)程中液態(tài)鋁合金的流動(dòng)和與壓室的熱交換、充型過(guò)程中的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合模擬、凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬等。目前壓鑄成形的CAE分析軟件主要有Procast、Magmasoft以及Flow-3D等[3]，被大量應(yīng)用于高壓鑄鋁數(shù)值模擬研究中，且被證實(shí)對(duì)優(yōu)化工藝、預(yù)測(cè)缺陷位置等具有重要意義。由于高速、高壓、壁薄等特點(diǎn)，高壓鑄鋁輪罩采用Flow-3D進(jìn)行模流分析，分析參數(shù)如表1所示。

表1 模擬分析參數(shù)

2.1 速度場(chǎng)模擬

充型過(guò)程的流場(chǎng)模擬中，將液態(tài)鋁合金看成不可壓縮流體，其流動(dòng)過(guò)程服從質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律，數(shù)學(xué)形式為連續(xù)性方程、N-S方程以及能量方程。流場(chǎng)的模擬可以準(zhǔn)確地判斷卷氣、夾渣等缺陷的位置，同時(shí)也可以對(duì)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。在高壓鑄鋁輪罩澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，提出了中心澆口和側(cè)澆口2種方案，如圖3所示，分別對(duì)其進(jìn)行CAE模流分析。經(jīng)模擬對(duì)比2種方案的充填、卷氣、夾渣等情況，充填過(guò)程中內(nèi)澆口速度在40～60 m/s，鑄件內(nèi)均未出現(xiàn)大量卷氣，充填結(jié)束時(shí)溫度均高于液相線(xiàn)溫度606℃，充型速度、充型時(shí)間及鑄件溫度等都符合設(shè)計(jì)要求。但采用中心澆口的方式有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，由于其進(jìn)料口設(shè)在待成形前輪罩的關(guān)鍵部位，避震塔安裝頂部力學(xué)性能更好，但是中心澆口孔徑尺寸大，且內(nèi)澆口與輪罩因連接強(qiáng)度低而易脫離，需在模具中增加切斷料柄機(jī)構(gòu)。該零件采用了側(cè)澆口方案，為了提高生產(chǎn)效率并減少模具制造費(fèi)用，最終澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為1模2腔，如圖3（c）所示。鑄鋁輪罩充型過(guò)程的速度場(chǎng)模擬如圖4所示，整個(gè)充型過(guò)程平穩(wěn)且不存在表面匯流紊亂現(xiàn)象，整個(gè)型腔按順序充型且澆口處速度保持在60 m/s以下。最終充型時(shí)間為0.96 s，充型過(guò)程卷入的氣體可以從溢流槽中排出，如圖5所示，溢流槽設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

圖3 澆注系統(tǒng)及壓鑄模結(jié)構(gòu)

圖4 充型過(guò)程的速度場(chǎng)模擬結(jié)果

圖5 充型結(jié)束時(shí)卷氣分布

2.2 溫度場(chǎng)模擬

凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬可以預(yù)測(cè)縮孔疏松形成、微觀組織形成及熱裂、變形等，同時(shí)對(duì)冷卻水道的布置提供設(shè)計(jì)參考。為提高計(jì)算效率，可對(duì)高壓鑄鋁前輪罩凝固過(guò)程的初始及邊界條件進(jìn)行假設(shè)，即熱物性參數(shù)、界面換熱系數(shù)、環(huán)境溫度等為常數(shù)，處理潛熱時(shí)認(rèn)為固相分?jǐn)?shù)與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系等。此外鑄鋁輪罩在充型結(jié)束時(shí)的溫度分布即為凝固過(guò)程中鑄件與鑄型的初始溫度。通過(guò)計(jì)算換熱方程，其凝固過(guò)程中的固相分?jǐn)?shù)如圖6所示。從圖6可以看出，輪罩薄壁部位先凝固，厚壁部位后凝固，最后凝固收縮區(qū)域位于澆注系統(tǒng)。當(dāng)凝固時(shí)間為4 s時(shí)，輪罩溫度全部低于固相線(xiàn)；在22 s時(shí)，整個(gè)鑄件完成凝固，最終鑄鋁輪罩中無(wú)宏觀縮孔。

圖6 凝固過(guò)程的固相分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果

3 高壓鑄鋁前輪罩生產(chǎn)工藝

高壓鑄鋁前輪罩生產(chǎn)工藝流程如圖7所示，實(shí)際生產(chǎn)中需嚴(yán)格控制每個(gè)工序。在鋁錠熔化時(shí)，需實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制鋁液的成分和溫度；在澆注過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和檢測(cè)技術(shù)，控制前輪罩的孔洞缺陷；研究熱處理機(jī)制，提高鑄鋁件的力學(xué)性能；通過(guò)預(yù)整形和精整形，確保成形零件的尺寸精度。

圖7 高壓鑄鋁前輪罩生產(chǎn)工藝流程

3.1 真空高壓壓鑄技術(shù)

鑄鋁件產(chǎn)生的孔洞缺陷主要有2種：收縮性縮孔和析出性氣孔。收縮性縮孔是液態(tài)鋁合金在最后凝固區(qū)域產(chǎn)生的體積收縮，由于無(wú)法得到補(bǔ)縮，產(chǎn)生不規(guī)則形狀的孔洞缺陷。一般情況下澆注溫度越高，收縮越大；壓力越大，鑄鋁件晶粒越細(xì)，鋁液充型性能越好。因此車(chē)身前輪罩在成形過(guò)程中通過(guò)提高壓力和適當(dāng)降低澆注溫度能減少上述缺陷。析出性氣孔是由于壓鑄過(guò)程中氣體無(wú)法及時(shí)排出，在鑄件內(nèi)部及表面產(chǎn)生孔洞缺陷。氣體的來(lái)源主要是鋁液精煉時(shí)溶解的大量氣體（主要為氫氣）、鋁液充型速度過(guò)快而卷入的空氣等。高真空壓鑄技術(shù)在壓鑄過(guò)程中抽出型腔內(nèi)氣體，以減少或消除鑄鋁輪罩內(nèi)的氣孔。

高壓鑄鋁輪罩采用了二級(jí)真空系統(tǒng)，如圖8所示，圖中P是壓力，Vc是真空度，V1、V2是左右2個(gè)真空罐，保證從注射到凝固結(jié)束時(shí)模具型腔內(nèi)的高真空度（達(dá)5 kPa以下），雙級(jí)真空即在料筒端和模具端分別抽真空。當(dāng)注射沖頭前進(jìn)封住澆料口時(shí)，料筒端真空系統(tǒng)啟動(dòng)，并在沖頭封住料筒端抽氣口時(shí)關(guān)閉。與此同時(shí)模具端真空系統(tǒng)開(kāi)始工作，將型腔內(nèi)的空氣抽出，該技術(shù)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)[4]，應(yīng)用在車(chē)身結(jié)構(gòu)件中。

圖8 二級(jí)真空系統(tǒng)工作示意圖

通過(guò)高壓真空，對(duì)鑄鋁輪罩按ASTM E505進(jìn)行X光無(wú)損檢測(cè)，可達(dá)到要求：重點(diǎn)區(qū)域≤1級(jí)，一般區(qū)域≤2級(jí)。

3.2 局部擠壓技術(shù)

為了保證鑄造過(guò)程中的高真空度，一般待成形鑄件中所有的孔需要取消預(yù)鑄，然后采用后工序成形（切邊工序或CNC加工）。對(duì)于厚壁處的孔可以通過(guò)局部擠壓技術(shù)進(jìn)行半固態(tài)成形，有利于減少甚至消除局部孔洞缺陷，局部擠壓作用如圖9（a）所示。局部擠壓技術(shù)與高壓壓鑄相結(jié)合的工藝在國(guó)外已有大量研究和報(bào)道，主要集中在不同擠壓工藝如擠壓力、延遲時(shí)間等對(duì)壓鑄件內(nèi)部孔洞缺陷的影響，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作相對(duì)落后。研究表明對(duì)Al-Si10Mg鑄件局部擠壓最佳溫度為550～570℃，此時(shí)鋁合金處于半固態(tài)[5]；對(duì)于AlSi9Cu3高壓鑄件，擠壓延遲時(shí)間取1.0 s，擠壓時(shí)對(duì)應(yīng)的鋁合金溫度在560～570℃，固相分?jǐn)?shù)處于19%～37%，擠壓持續(xù)5 s可得表面光滑、內(nèi)部組織良好的鑄件[6]。

圖9 局部擠壓與擠壓孔

由于成形零件及模具結(jié)構(gòu)的限制、擠壓銷(xiāo)的使用環(huán)境嚴(yán)苛等，局部擠壓技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較少。高壓鑄鋁前輪罩采用了局部擠壓技術(shù)，圖9（b）所示孔周?chē)诤襁_(dá)16.5 mm，正常凝固時(shí)該區(qū)域?qū)?huì)因無(wú)法補(bǔ)縮而出現(xiàn)縮孔疏松。采用局部擠壓能有效解決該缺陷，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義，最終生產(chǎn)零件的檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，X光檢測(cè)無(wú)孔洞類(lèi)缺陷。

圖10 高壓鑄鋁輪罩的關(guān)鍵部位探傷結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身的制造，鑄造是車(chē)身鋁合金零件的主要成形方式之一。傳統(tǒng)的鑄造工藝由于其局限性，在車(chē)身鋁合金零件成形的合格率上難以再有較大的提升，通過(guò)對(duì)車(chē)身前輪罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形工藝及仿真分析，得到輔以局部擠壓成形的高壓真空薄壁鋁合金的鑄造技術(shù)，提高鋁合金零件的成形性能，減少鋁合金零件的成形缺陷。