1 汽車鑄件的發(fā)展方向
汽車鑄件的集成化設(shè)計(jì)
隨著汽車節(jié)能環(huán)保以及降低生產(chǎn)成本的要求不斷增加，充分利用鑄造成形的優(yōu)勢(shì)，將原有沖壓、焊接、鍛造和鑄造成形的數(shù)個(gè)零件，通過合理的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)集成零件的鑄造成形，可以有效地降低零件的重量和減少不必要的加工工藝過程，從而實(shí)現(xiàn)零件的輕量化和高性能化。
圖1為一汽集團(tuán)開發(fā)的一體化橋殼，用以代替焊接橋殼及帶半軸套管鑄造橋殼的新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)鑄件的集成化鑄造，充分利用鑄造成形的優(yōu)勢(shì)。目前常見的鑄造整體式橋殼的主要形式是在橋殼的兩端壓入無縫鋼管作為半軸套管，并用銷釘固定形成橋殼總成。為進(jìn)一步提高橋殼的強(qiáng)度、剛度和簡(jiǎn)化工藝過程，一汽集團(tuán)開發(fā)出了直接在橋殼上鑄出半軸套管(圖1橋殼兩側(cè)的部分)的一體化橋殼，其特點(diǎn)是減少加工難度，成本降低較多，橋殼結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單，且橋殼剛性較好，可制成復(fù)雜而理想的形狀，壁厚能夠變化，可得到理想的應(yīng)力分布，其強(qiáng)度及剛度均較大，工作可靠。由于集成了半軸套管，鑄件尺寸顯著增加，鑄件長(zhǎng)2 258 mm，其單件重量超過200 kg。針對(duì)這一集成鑄件的特點(diǎn)，企業(yè)建立了專用生產(chǎn)線用以保證生產(chǎn)。
汽車鑄件集成化的發(fā)展趨勢(shì)在有色合金鑄件方面的發(fā)展更為明顯。為了充分利用鑄造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的生產(chǎn)的特點(diǎn)，出現(xiàn)了集成設(shè)計(jì)的車門內(nèi)板、座椅骨架、儀表板骨架、前端框架和防火墻等集成設(shè)計(jì)的高壓鑄件，其尺寸顯著大于目前生產(chǎn)的鑄件，需要4 000~5 000 t甚至更大噸位的壓鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。
汽車鑄件的輕量化
在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車整備質(zhì)量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%。隨著環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流，汽車鑄件的輕量化也成為汽車鑄件的重要發(fā)展方向之一。
汽車鑄件的輕量化設(shè)計(jì)
出于鑄件整體安全系數(shù)的需要，等厚度設(shè)計(jì)是汽車鑄件主要設(shè)計(jì)方法之一。然而等厚設(shè)計(jì)的主要弊端是無法充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)性能，并導(dǎo)致鑄件重量的增加。采用CAE 分析、拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件各個(gè)部位的應(yīng)力值接近，即各個(gè)部位的壁厚不一致，受力小的部位減薄料厚或不要材料，從而減輕零件的重量?？紤]到鑄造成形可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的成形，可以實(shí)現(xiàn)各種不規(guī)則的異型截面。設(shè)計(jì)時(shí)，采用CAE或拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對(duì)零部件進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)力的分布，確定零部件的形狀和具體局部的材料厚度。通過對(duì)鑄件加筋、挖孔和變厚化，可使零部件的重量大大降低。
圖2 是東風(fēng)精密鑄造有限公司對(duì)商用車支座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的鑄件外形對(duì)比，可見鑄件初始重量為6.6 kg，其設(shè)計(jì)為典型的等厚設(shè)計(jì)。該鑄件經(jīng)過加筋、挖孔和變截面等一系列輕量化設(shè)計(jì)方法后，鑄件重量變?yōu)?.0 kg，減重效果可達(dá)50%以上。
輕合金汽車鑄件
使用鋁鎂等輕合金材料是目前各國(guó)汽車制造商的主要減重措施。鋁的密度僅為鋼的1/3，且有優(yōu)良的耐蝕性和延展性。鎂的密度更小，只有鋁的2/3，在高壓鑄造條件流動(dòng)性優(yōu)異。鋁和鎂的比強(qiáng)度(強(qiáng)度與質(zhì)量之比)都相當(dāng)高，對(duì)減輕自重，提高燃油效率有舉足輕重的作用。美國(guó)汽車業(yè)近兩年競(jìng)爭(zhēng)力提高，與其大幅度采用鋁鎂結(jié)構(gòu)鑄件和集成鑄件具有密切關(guān)系。
德國(guó)寶馬公司推出的新5 系列由于搭載了最新一代鎂鋁復(fù)合直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，重量較上一代減少了10 kg，大幅提高了性能與油耗經(jīng)濟(jì)性。但是需要注意的是由于鋁鎂等輕合金的原材料價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼鐵材料，限制了其在汽車工業(yè)中更廣泛的應(yīng)用。但是盡管原材料價(jià)格較高，目前鎂、鋁鑄件的單車用量卻連年上升。這一方面是通過技術(shù)進(jìn)步彌補(bǔ)了成本增加，另一方面則是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)迫使汽車廠商降低利潤(rùn)而采用更多的輕合金。然而，要使輕合金用量得到大幅度提高，降低鎂鋁錠的采購價(jià)格，開發(fā)先進(jìn)成形技術(shù)是關(guān)鍵之一。
汽車鑄件材料的高性能化
提高材料的性能，使得單位重量的零件能夠承受更高的載荷，是有效降低鑄件重量的方法之一。支架類結(jié)構(gòu)鑄件占汽車鑄件相當(dāng)大的比例，因而其鑄件的開發(fā)也成為關(guān)注的重點(diǎn)之一。通過熱處理等措施，使材料顯微組織改變，從而提高零件的強(qiáng)度、剛度或韌性，可以有效地降低零件重量。
等溫淬火球墨鑄鐵，不僅強(qiáng)度比普通鑄鋼材料有所提高，而且密度比鋼要低，其密度為7.1 g/cm3，而鑄鋼的密度為7.8 g/cm3，是近年來廣泛推薦采用的材料。采用等溫淬火球墨鑄鐵，在鑄件尺寸相同的條件下，比鑄鋼件輕10%。東風(fēng)汽車公司在某型商用車進(jìn)行了采用等溫淬火球墨鑄鐵替代鑄鋼件的輕量化驗(yàn)證工作，并針對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵件高強(qiáng)度特點(diǎn)，對(duì)14個(gè)懸架類零件進(jìn)專家論壇行重新設(shè)計(jì)。表1為采用等溫淬火球墨鑄鐵材料替代后的輕量化效果，總重量減輕近40%，效果顯著。需要說明的是表1 中的輕量化效果不僅僅是材料替代產(chǎn)生的，還包括輕量化設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)。一般來說，汽車鑄件的材料替換往往伴隨著零件的輕量化設(shè)計(jì)。
在鋁合金和鎂合金鑄件方面也采用了高強(qiáng)、高韌的材料進(jìn)行替代，在原有輕合金減重的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高性能材料進(jìn)行進(jìn)一步減重，美國(guó)通用汽車公司采用高性能的AE44合金取代原有的鋁合金，采用高壓鑄造的方法生產(chǎn)副車架，在鋁合金減重的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減重6 kg。
1.3 汽車鑄件開發(fā)數(shù)字化
汽車鑄件開發(fā)與數(shù)字技術(shù)的全面結(jié)合可以顯著地提升鑄造技術(shù)水平，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和試制周期。目前數(shù)字制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車鑄件的開發(fā)。在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鑄造工藝設(shè)計(jì)階段，Pro/E，CATIA，和UG 等三維設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，部分先進(jìn)的鑄造企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)。MAGMA，ProCAST以及華鑄CAE 等軟件已經(jīng)被廣泛用于汽車鑄件凝固過程、顯微組織、成分偏析和材質(zhì)性能等方面的模擬，還可以對(duì)鑄造過程中的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等方面的模擬，能夠確保在批量生產(chǎn)前使工藝方案得到優(yōu)化。
為適應(yīng)汽車鑄件快速開發(fā)的需求，在CAD/CAE的設(shè)計(jì)與開發(fā)的基礎(chǔ)上，RP(快速原型技術(shù))已經(jīng)被廣泛用于汽車鑄件的快速試制。在獲得CAD/CAE 原始數(shù)據(jù)后，采用逐層堆積的方法，通過粘結(jié)，熔結(jié)或燒結(jié)的方式獲得鑄件原型或形成鑄件所需模具的原型。前者可用熔模鑄造，石膏型鑄造等方法試制鑄件樣件，后者可直接作為模具制造砂芯，通過組芯造型而澆注出鑄件。此外，還可以用粉料激光燒結(jié)法（SLS），直接完成砂芯和砂型的制作，從而獲得鑄件試制所需要的砂型。對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的外模，還可以采用數(shù)控機(jī)床，用可加工塑料進(jìn)行CAM加工，從而獲得鑄件試制所需的芯盒和模樣，或是直接對(duì)砂塊進(jìn)行加工，直接獲得外模的砂型。
總體上說，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)貫穿鑄件的設(shè)計(jì)、開發(fā)以及試制的各個(gè)環(huán)節(jié)，有效提高了鑄件的開發(fā)速度和效率。目前主要存在的問題是設(shè)計(jì)、分析和快速制造等方面的數(shù)字化技術(shù)各自獨(dú)立，當(dāng)開發(fā)過程由一個(gè)階段向另一個(gè)階段轉(zhuǎn)化時(shí)，還需要進(jìn)行相當(dāng)繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作。希望在將來能夠針對(duì)鑄件開發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)所應(yīng)用的數(shù)字化技術(shù)開發(fā)出統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口平臺(tái)，建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同軟件之間數(shù)據(jù)的無縫轉(zhuǎn)換，從而更進(jìn)一步的提高鑄件的開發(fā)速度。
汽車鑄造技術(shù)的發(fā)展方向
2.1 薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的生產(chǎn)技術(shù)
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能減排的需求，汽車零件日趨輕量化，通過薄壁化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的重要發(fā)展方向。以一汽鑄造有限公司為一汽大眾公司生產(chǎn)鑄鐵缸體為例，早期生產(chǎn)的06A 缸體壁厚4.5mm±1.5 mm，EA111 缸體壁厚4 mm±1 mm，目前批量生產(chǎn)的EA888Evo2 缸體壁厚3.5 mm±0.8 mm，下一代EA888Gen.3 缸體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)則更為復(fù)雜，其壁厚僅為3mm±0.5 mm，是目前最薄的灰口鑄鐵缸體。盡管批量生產(chǎn)中存在著斷芯、漂芯以及壁厚尺寸波動(dòng)較大的問題，但是通過控制砂芯和型砂的質(zhì)量，采用目前廣泛使用的水平臥澆工藝還是能夠滿足EA888Evo2 缸體的生產(chǎn)要求，但無法滿足EA888Gen.3 缸體的生產(chǎn)要求，必須采用整體組芯立澆工藝。
圖3示出了水平臥澆和組芯立澆示意圖。針對(duì)缸體3 mm薄壁特點(diǎn)，組芯立澆工藝對(duì)制芯和組芯都提出了苛刻的要求。制芯中心可實(shí)現(xiàn)制芯生產(chǎn)的高度智能化、自動(dòng)化。從原砂、樹脂的加入，混砂、制芯、修芯、組裝、涂料和烘干到造型以及組下芯全過程均可以實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，使砂芯制芯質(zhì)量、組裝質(zhì)量即尺寸精度和涂料烘干質(zhì)量等得到了穩(wěn)定的保證，從而避免了因人為因素而造成的質(zhì)量和尺寸風(fēng)險(xiǎn)，適應(yīng)大批量汽缸體制芯生產(chǎn)的需要。能夠有效解決大批量生產(chǎn)時(shí)，廢品率不穩(wěn)定和居高不下的問題，同時(shí)由于砂芯尺寸精度的提高，也極大地降低了清理工作量和成本，并且完全能夠有效保證3mm壁厚尺寸要求。
鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)
隨著節(jié)能、環(huán)保以及降低部件成本的要求不斷增加，鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)鑄件已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，其制造技術(shù)也成為目前的開發(fā)熱點(diǎn)。目前鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)件的主要生產(chǎn)技術(shù)有高壓鑄造、擠壓鑄造和低壓鑄造。由于高壓鑄造生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好已經(jīng)成為目前主要的生產(chǎn)工藝，其制造技術(shù)的開發(fā)主要集中在對(duì)高壓鑄造過程中容易卷氣，鑄件內(nèi)部容易形成氣孔，不能進(jìn)行熱處理問題的改進(jìn)。
德國(guó)富來公司開發(fā)了真空負(fù)壓吸鑄工藝，其工作原理如圖4 所示，整個(gè)壓鑄過程都在高真空狀態(tài)下（低于30 mbar）進(jìn)行。金屬液通過真空狀態(tài)下的模具、壓室和吸管在無氧化情況下由吸管從熔爐中吸入，脫模劑的蒸汽也由真空系統(tǒng)排出。上述真空負(fù)壓吸鑄工藝的主要特點(diǎn)是：在開始定量澆注時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于高真空狀態(tài)下；在定量澆注過程中，可有效地排出型腔和金屬熔體中的氣體；澆注過程中金屬熔體無氧化；澆注過程中無熱損失，可以采用更低的澆注溫度進(jìn)行澆注，并在實(shí)時(shí)監(jiān)控下進(jìn)行無擾動(dòng)層流充填。上述工藝已經(jīng)成功地應(yīng)用于汽專家論壇車結(jié)構(gòu)鑄件的批量生產(chǎn)，為高質(zhì)量的輕合金鑄件的應(yīng)用提供了先進(jìn)的成型方法與工藝。
瑞士的布勒公司開發(fā)了用于結(jié)構(gòu)鑄件生產(chǎn)的雙回路真空系統(tǒng)，該生產(chǎn)技術(shù)稱為結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)，如圖5所示。采用結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)可以提高抽真空的速度，從而獲得穩(wěn)定的生產(chǎn)條件，顯著提高壓鑄件的質(zhì)量。如圖5所示，雙回路真空系統(tǒng)中的一個(gè)回路的抽氣口設(shè)置在壓室的上端，主要用于壓室內(nèi)的空氣抽出。當(dāng)壓射沖頭前行封住澆料口時(shí)啟動(dòng)，在沖頭即將封住抽氣口的瞬間關(guān)閉。另一個(gè)回路設(shè)置與傳統(tǒng)的真空工藝相同，主要用于型腔內(nèi)的空氣抽出。目前該技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于乘用車的鋁合金集成減震塔，車門內(nèi)板和車身縱梁等部件的制造。
2.3 鑄件精確鑄造成形技術(shù)
通常所說的汽車鑄件精確鑄造成形主要是指消失模和熔模鑄造技術(shù)。隨著汽車鑄件成形技術(shù)的發(fā)展，鑄造精確成形是指一類鑄造成形方法。通過這一類成形方法生產(chǎn)出的鑄件無需經(jīng)過切削或是少切削即可直接使用。隨著對(duì)鑄件尺寸精度要求的提高，鑄造精確成形技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了精確砂型鑄造，消失模鑄造、可控壓力鑄造、壓力鑄造等一系列新的鑄造成形方法。Cosworth 鑄造方法是由英國(guó)開發(fā)的一種采用鋯砂砂芯組合并用電磁泵控制澆注的方法，已經(jīng)成功用于鋁合金缸體的批量生產(chǎn)，并已經(jīng)出現(xiàn)了許多工藝變種，如采用低壓澆注取代電磁泵澆注等工藝。采用該類鑄造方法可以生產(chǎn)壁厚為3.5~4.0 mm的鋁合金缸體，是目前精確砂型鑄造的代表工藝。
消失模鑄造工藝自1965年發(fā)明至今，主要生產(chǎn)的汽車鑄件為缸體、缸蓋、進(jìn)排氣管等產(chǎn)品，并形成了規(guī)模生產(chǎn)。我國(guó)自20 世紀(jì)90 年代引進(jìn)消失模鑄造技術(shù)，目前已初具規(guī)模，并被國(guó)家重點(diǎn)推廣而成為改造傳統(tǒng)鑄造業(yè)應(yīng)用最為廣泛的高新技術(shù)。目前我國(guó)有水玻璃制殼，復(fù)合制殼和硅溶膠制殼三種熔模精密鑄造工藝，其中用于汽車產(chǎn)品生產(chǎn)硅溶膠制殼工藝的鑄件表面質(zhì)量可以達(dá)到Ra 1.6 μm，尺寸精度可達(dá)CT4 級(jí)，最小壁厚可以做到0.5~1.5 mm。東風(fēng)汽車精密鑄造有限公司采用硅溶膠+水玻璃復(fù)合型制殼工藝生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)集成鑄件，顯著降低了生產(chǎn)成本。熔模精密鑄造技術(shù)成型工藝的發(fā)展趨勢(shì)是鑄件離最終產(chǎn)品的距離越來越近，產(chǎn)品的復(fù)雜程度和質(zhì)量檔次越來越高，CAD、CAM和CAE的應(yīng)用成為產(chǎn)品開發(fā)主要技術(shù)，專業(yè)化協(xié)作開始顯現(xiàn)。
在高壓鑄造工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的真空鑄造、充氧壓鑄、半固態(tài)金屬流變或觸變壓鑄等工藝方法，旨在消除鑄件缺陷，提高內(nèi)部質(zhì)量，并擴(kuò)大壓鑄件的應(yīng)用范圍。擠壓鑄造過程中，熔體在壓力下充型和凝固，具有平穩(wěn)、無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節(jié)能、操作安全和減少鑄件孔洞類缺陷等優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金副車架等高性能鋁合金鑄件的開發(fā)與應(yīng)用方面獲得了廣泛的應(yīng)用。
汽車產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)迫切要求鑄造生產(chǎn)向高質(zhì)量、優(yōu)性能、近凈形、多品種、低消耗、低成本的方向發(fā)展。由于一輛整車約15%~20%的零件是鑄件。這就要求鑄造行業(yè)要不斷應(yīng)用各種新技術(shù)、新材料來提升鑄造整體水平。鑄件精確鑄造成形技術(shù)能夠滿足汽車鑄件的上述要求，其應(yīng)用也將涵蓋汽車鑄件的不同鑄造生產(chǎn)過程中。
結(jié)語
為適應(yīng)日益苛刻的環(huán)保法規(guī)的要求，汽車正在向輕量化方向發(fā)展。汽車自重每降低減少10%，油耗可減少5.5%，燃料經(jīng)濟(jì)性可提高3%~5%，同時(shí)降低排放10%左右。應(yīng)用鋁鎂等有色合金鑄件，開發(fā)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)集成鑄件以及廣泛應(yīng)用鑄件精確成形技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車鑄件輕量化的主要途徑。因而要求在廣泛采用數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過高性能鑄造材料，自動(dòng)化設(shè)備的廣泛應(yīng)用等手段實(shí)現(xiàn)汽車鑄件的研發(fā)與生產(chǎn)，滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)的需求。
