汽车结构件的压铸_铸造_中国百科网
汽车结构件的压铸
    汽车结构件大多采用铁或钢质材料，通过相应制造工艺生产。根据汽车轻量化的要求，这类铸件材质正在向轻合金转化。压铸工艺具有生产率高、铸件精密等一系列优点，用压铸工艺生产结构件不但可以缩短生产周期，还可达到精密近净成形，省去大量的机加工序，节约成本。因此，压铸法是生产铝、镁合金汽车结构件极具竞争力的一种工艺。欧洲一些压铸厂家已经成功压铸多种结构件，并取得可观的经济效益，成为压铸产业新的经济增长点。目前汽车结构件压铸正在引起国内压铸业的关注，笔者结合本公司的技术及经验，说明汽车结构件压铸生产中的一些关键因素。1 结构件的特征和要求汽车结构件指的是汽车中的承载件或受力件，与汽车安全性密切相关。在汽车车身中，许多结构件装在车身结构的节点上并与其他构件连接形成抗变形的高强度框架，这类结构件通常具有尺寸大、壁薄、结构复杂等特征。由于在行驶中要保证汽车可靠的安全性，所以对汽车结构件的力学性能要求高。韧性相关的结构件一般要求抗拉强度&180 mpa，伸长率&10％；强度相关的结构件，一般要求抗拉强度&210 mpa，伸长率&7％&1|。为获得高性能，结构件往往需要热处理。如果与其他构件连接，还需要良好的焊接性或铆接性。显然，常规的压铸工艺无法满足汽车结构件的生产要求，结构件的压铸生产需要进行新的工艺开发。2 结构件压铸工艺压力铸造的高速充型，经常导致压室或型腔中的气体无法完全排出，这些气体卷入金属液，最终常以气孔的形式存在于铸件中，使铸件失去热处理和焊接的可能性。此外，如果某些工艺因素控制不当，还会造成铸件其他缺陷，影响铸件的本体品质，降低力学性能。采用压铸工艺生产汽车结构件，必须解决气孑l等问题。国外常见的结构件压铸工艺包括vacural、mft、vgb法等l2j，但由于存在不同的工艺限制，未见规模化应用。布勒公司从1994年开始进行汽车结构件压铸的研发工作。长期的技术开发和压铸生产经验，形成了专门的structual结构件压铸工艺。布勒structural结构件压铸工艺基于通用压铸机，配合压铸模具、合金材料、合金液处理、真空应用、工艺优化等辅助工艺措施，实现汽车结构件的压铸生产。这种工艺模式容易形成生产规模，生产转化方便，具有生产灵活性，可以达到铸件品质与生产经济性的良好结合嘲。布勒structual结构件压铸工艺为压铸工厂生产汽车结构件提供了完整的技术和工艺解决方案，在欧洲压铸厂的实际生产中获得广泛应用。3 布勒structural结构件压铸工艺要素布勒structural结构件压铸工艺涉及的主要工艺措施或因素包括合金、模具、真空、浇注、喷涂及挤压等几个方面，以下分别进行介绍。3．1压铸合金传统的标准压铸合金不能满足汽车结构件的要求。目前欧洲用于结构件压铸的铝合金主要是silafont一36、magsimal一59和castasil一37[4~6]．，这些合金通常称为高韧性合金。与传统的标准压铸铝合金相比，这些合金都严格控制了fe含量，一般控制在o．2％(质量分数，下同)以下。目的是避免合金中产生针状的a1fesi相，该相会恶化合金的强度、塑性及疲劳性能，在铸件受力状态下还可能诱发裂纹。silafont一36合金将si含量控制在共晶点附近，保持了良好的铸造性能和充型能力，并通过提高mn含量防止因fe含量降低而导致的粘模现象。mg含量对该合金的力学性能影响显著，通过调节mg含量可调整合金的力学性能。silafont一36合金的屈服强度和伸长率与热处理制度密切相关。在t6热处理状态下，合金的屈服强度可达210～280 mpa，伸长率可达7％～14％。magsimal一59合金降低了si含量，提高了mg含量，适当的si／mg比改善了合金的铸造性能和补缩性能。该合金的主要特点是铸态下的力学性能就很高，在壁厚为2～4 mm的情况下，抗拉强度可达310～340mpa，屈服强度可达160～220 mpa，伸长率可达12％～18％，往往不用热处理即能满足结构件的力学性能要求。但该合金的力学性能与铸件壁厚密切相关，所以特殊情况下需要进行t5或类似的时效处理予以改善。castasil_37是近年出现的新型压铸铝合金，具有耐长期时效的能力，主要应用目标是在较高温度下工作的零部件，保证在整个使用期内具有稳定的性能。casta&sil一37合金也将si含量控制在共晶点附近，具有良好的铸造和充型性能。合金的力学性能主要受si、mn、mo及sr等元素的影响，sr的作用主要是改善si在合金中的形态，但过量sr会增加合金的吸气倾向。在壁厚为2～3 mm的情况下，铸态下合金的抗拉强度可达260～300 mpa，屈服强度可达120～150 mpa，伸长率可达10％～14％。silafont一36、magsimal一59及castasil一37高塑性合金的主要特点对比见表13．2模具设计模具设计要注意以下几点：①首先要正确设计浇注系统，合理选定浇注系统位置、充型方向以及各部分的尺寸，保证良好的充型顺序和流态；②模具的排气口要设置在型腔最后充填的位置，保证抽真空持续至充型结束，此外，在铸件的重要部位、液流汇合或容易产生紊流的部位也应设置排气口，减小这些部位产生缺陷的可能性；③应对排气道面积进行仔细校核，真空通道面积足够，保证排气畅通；④模具密封性影响真空的形成，必须保证模具密封良好；⑤要仔细分析模具的热平衡，合理设计冷却／加热管道，这是生产中对模具温度进行有效控制的前提条件；⑥在模具制造之前，最好进行充型及凝固方面的模拟，由此可获得压铸过程信息，有助于模具的改进。3．3合金熔化和处理对于一般用途，silafont一36和castasil一37合金无需特别处理便可用于压铸生产。但如果生产高品质要求的铸件，应注意以下几点：①采用高纯电解金属配制的合金，熔化过程中避免金属杂质污染，尤其是fe、zn和cu，castasil&37合金控制杂质还包括mg；②快速熔化，防止金属液氧化及偏析，氧化物和硬夹杂对铸件的铸造性能和力学性能都有不利影响}③为保证合金的高塑性，尽可能在炉内使用叶片旋转除氢和净化；④控制sr的熔损，过多熔损会影响合金的塑性，但sr含量增高会增加合金的吸氢倾向，silafont-36合金还应控制mg的熔损，mg的熔损会影响合金的强度；⑤不可过热，合金熔化温度不超过780℃，否则，加重合金吸气及氧化，增加sr和mg的熔损。氧化显著影响masgsinal一59合金的塑性。快速熔化后使用叶片进行深度净化，合金的优势才能保持。一般情况下，无需添加熔盐、变质剂或碱性稀土等。如果使用回炉料，氩气或氮气旋转除气工序则是必需的。使用特制的熔盐，也可以减少合金中的杂质。3．4给液(浇注)方式给液方式指的是金属液浇人或输入压室的方式，图1是几种典型的给液方式。试验表明给液方式对铸件的塑性有明显影响。传统的顶部给液方式容易造成金属液之间的冲击、溅液、氧化及卷气，会造成铸件基体组织缺陷，降低塑性。底部给液方式减少了合金液的扰动及热损失，降低了合金液氧化、产生浮渣微粒以及吸气的可能性，因而铸件基体夹杂和缺陷减少，有利于提高铸件的塑性。但底部给液方式必需对压铸机进行局部修改，要使用专门的压室和模具，压铸机可能失去通用性。如果采取优化的给液管长度、给液管加热、平稳给液等特别措施，优化顶部给液方式也同样能达到提高铸件塑性的目的，而不用对压铸机和压室进行改动，压铸牛产转化方便．3．5脱模剂夏喷涂工艺脱模剂或润滑剂可产生气体进入铸件。增加铸件中的含气量。在采用真空工艺时。脱模剂或润滑剂的挥发则是铸件中气体的重要来源。在选用脱模剂或润滑剂时，要经过验证，选用发气性低和挥发性好的产品。其次，要选用先进的喷涂设备，具备高动态特性，喷涂参数可调。尽可能减少喷涂量，保证快速喷涂和精确喷涂。喷涂目的主要是保护模具表面和冷却模具热节，模具的整体温度控制尽可能由模具内部的加热／冷却管道完成。在结构件压铸生产中，要对喷涂时问、喷涂角度和范围、喷吹距离等因素进行优化，在型腔中不可有残留水分，使进入铸件的气体最少。3．6真空工艺真空充型是结构件压铸重要的工艺措施，采用真空工艺应注意以下几点：①及时启动真空系统，冲头封住浇料口后立即开始抽真空；②真空系统功率足够，抽真空快速；③压室充满前必须达到要求的真空度，否则影响效果；④尽量延长抽真空时间．真空阀尽可能的迟闭合。一般来说，型腔内的绝对压力在30 kpa以上时，对铸件的塑性影响不大。当型腔内的绝对压力在15kpa以下，铸件的塑性才随真空度的提高而明显增加。真空度对铸件的表面品质也有明显影响，铸件的表面品质随真空度提高而改善，见图2。铸件中的气泡随真空度增加而减少，但气泡不是影响铸件伸长率的主要因素。高真空还可以增大压铸工艺窗，使压铸工艺选择范围较大。但高真空对真空设备性能要求高，会导致真空工艺成本增加。双回路真空系统对结构件压铸非常有效，图3a是双回路真空系统原理图，图3b是布勒配套的vacu2双回路真空系统。双回路真空系统中一个回路的抽气口设置在压室的上端，主要用于压室内的空气抽出。当压射冲头前行封住浇料口时，压室抽真空启动，在冲头即将封住抽气口的瞬间关闭。另一个回路设置与传统的真空工艺基本相同，主要用于型腔内的空气抽出。双回路真空系统可以加速抽真空的速度，有利于获得稳定的高品质铸件。采用嵌入特殊钢环(或铜环)的压射冲头可减小冲头与压室之间的间隙，增加密封性。3．7压铸机及压铸工艺优化压铸工艺对生产合格的汽车结构件十分重要，正确地选择压射模式、压射参数等有利于减少压铸件中的缺陷。压铸件中的气体有相当一部分来自金属液在压室中的预充填阶段，所以应充分注意优化慢压射阶段的压射模式，避免金属液在压室中卷入气体。应正确选用脱模剂和润滑剂，优化喷涂工艺。压铸机性能稳定，要有灵活的编程模式和实时控制系统，保证整个压铸过程合理及工艺参数偏差最小。对模具温度应进行精确控制，通过冷却水分配器，监控各个冷却回路的流量及温度，形成要求的温度分布。良好的模具设计，恰当的压铸工艺，理想的充型模式，可以保证铸件品质优良，减轻对真空度的依赖。此外，在重要部位或厚壁部位还可以使用挤压销，减小缩松或增加密度。使用金属液前沿传感器，准确知道金属液的流程，可以优化充填模式。4压铸结构件及应用&使用布勒压铸机及structuai结构件压铸工艺，汽车结构件压铸在欧洲已形成规模生产能力。这里介绍布勒公司在2012年gifa展览会上展出的一些压铸结构件。这些结构件目前已装入许多车型上．大大减轻了车体质量，改进了车身结构，满足汽车应用要求。图4是铝合金车门框架压铸件。用铝合金压铸结构代替原钢板结构，整套车门可减轻质量约40 kg，减重效果明显。压铸车门框架还具有非常好的刚性，可以使用焊接、铆接及拴接等技术，改善装配精度。图5是前轮减震器上盖压铸件，装在汽车前端，承受非常大的动载荷。该件壁厚仅3 mm，体现了压铸件的最佳性能。图6是b形支架，装于车身中部、前后门之间。压铸b形支架尺寸稳定性高，热处理后具有很高的屈服强度和伸长率。图7及图8分别是纵向构件和悬挂臂，装于车身下部，承载较高载荷，对强度和塑性要求高。图9是镁合金中间控制面板，装于车内部中间位置。镁合金的中控板压铸件壁厚仅为2 mm左右，尺寸精度高，装配方便，大幅减轻了构件的质量。5 结语汽车结构件具有很高的强度和塑性要求。布勒structual结构件压铸工艺采用通用压铸机，配合辅助的工艺措施及优化的工艺因素，实现了压铸汽车结构件的工业化生产。由压铸工艺生产的汽车结构件可以进行热处理、焊接、铆接及粘合连接等，品质及性能完全符合要求。结构件的压铸成功，标志着压铸工艺水平又达到了一个新的高度。目前汽车结构件压铸的利润空间较大，中国压铸业也应积极进行技术开发和跟进。共享压铸技术进步成果。
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