汽車鑄件工藝知識及其鑄造技術
發布者：無錫市勇盛金屬制品有限公司 發布時間：2021-9-14 15:20:21 點擊次數：
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鑄造是最古老的金屬成形方法之一，汽車零件中大約有15%~20%為采用不同鑄造方法生產的鑄件，這些鑄件主要為動力系統關鍵部件和重要的結構部件。
目前歐美汽車工業發達國家的汽車鑄件生產技術先進，產品質量好，生產效率高，環境污染小。鑄造原輔材料已形成系列化和標準化，整個生產過程已經實現了機械化、自動化和智能化。這些國家普遍采用數字化技術提升鑄造工藝設計水平，鑄件廢品率約為2%~5%，并且已經建立跨國服務系統并實現網絡技術支持。與之相比，我國的汽車鑄件雖然產量較大，但大多數都是附加值和技術含量較低，結構相對簡單的黑色鑄件，與國外水平差距較大。本文主要從汽車節能環保等方面的發展需求，論述了汽車鑄件和汽車技術的發展方向。
1 汽車鑄件的發展方向
1.1 汽車鑄件的集成化設計
隨著汽車節能環保以及降低生產成本的要求不斷增加，充分利用鑄造成形的優勢，將原有沖壓、焊接、鍛造和鑄造成形的數個零件，通過合理的設計以及結構優化，實現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，從而實現零件的輕量化和高性能化。一汽集團開發的一體化橋殼，用以代替焊接橋殼及帶半軸套管鑄造橋殼的新產品，實現鑄件的集成化鑄造，充分利用鑄造成形的優勢。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。為進一步提高橋殼的強度、剛度和簡化工藝過程，一汽集團開發出了直接在橋殼上鑄出半軸套管(圖1橋殼兩側的部分)的一體化橋殼，其特點是減少加工難度，成本降低較多，橋殼結構趨于簡單，且橋殼剛性較好，可制成復雜而理想的形狀，壁厚能夠變化，可得到理想的應力分布，其強度及剛度均較大，工作可靠。由于集成了半軸套管，鑄件尺寸顯著增加，鑄件長2 258 mm，其單件重量超過200 kg。針對這一集成鑄件的特點，企業建立了專用生產線用以保證生產。
汽車鑄件集成化的發展趨勢在有色合金鑄件方面的發展更為明顯。為了充分利用鑄造工藝能夠實現復雜結構鑄件的生產的特點，出現了集成設計的車門內板、座椅骨架、儀表板骨架、前端框架和防火墻等集成設計的高壓鑄件，其尺寸顯著大于目前生產的鑄件，需要4 000~5 000 t甚至更大噸位的壓鑄機進行生產。
1.2 汽車鑄件的輕量化
在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，實現輕量化，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車整備質量每減少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%。隨著環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流，汽車鑄件的輕量化也成為汽車鑄件的重要發展方向之一
1.2.1 汽車鑄件的輕量化設計
出于鑄件整體安全系數的需要，等厚度設計是汽車鑄件主要設計方法之一。然而等厚設計的主要弊端是無法充分發揮結構性能，并導致鑄件重量的增加。采用CAE 分析、拓撲優化等手段，對零部件進行優化設計，使零部件各個部位的應力值接近，即各個部位的壁厚不一致，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]到鑄造成形可以實現復雜結構鑄件的成形，可以實現各種不規則的異型截面。設計時，采用CAE或拓撲優化等手段，對零部件進行應力分析。根據力的分布，確定零部件的形狀和具體局部的材料厚度。通過對鑄件加筋、挖孔和變厚化，可使零部件的重量大大降低。是東風精密鑄造有限公司對商用車支座進行優化設計前后的鑄件外形對比，可見鑄件初始重量為6.6 kg，其設計為典型的等厚設計。該鑄件經過加筋、挖孔和變截面等一系列輕量化設計方法后，鑄件重量變為3.0 kg，減重效果可達50%以上。
1.2.2 輕合金汽車鑄件
使用鋁鎂等輕合金材料是目前各國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性優異。鋁和鎂的比強度(強度與質量之比)都相當高，對減輕自重，提高燃油效率有舉足輕重的作用。美國汽車業近兩年競爭力提高，與其大幅度采用鋁鎂結構鑄件和集成鑄件具有密切關系。
德國寶馬公司推出的新5 系列由于搭載了最新一代鎂鋁復合直列六缸發動機缸體，重量較上一代減少了10 kg，大幅提高了性能與油耗經濟性。但是需要注意的是由于鋁鎂等輕合金的原材料價格要遠遠高于鋼鐵材料，限制了其在汽車工業中更廣泛的應用。但是盡管原材料價格較高，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進步彌補了成本增加，另一方面則是市場競爭迫使汽車廠商降低利潤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格，開發先進成形技術是關鍵之一。
1.2.3 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。支架類結構鑄件占汽車鑄件相當大的比例，因而其鑄件的開發也成為關注的重點之一。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%。東風汽車公司在某型商用車進行了采用等溫淬火球墨鑄鐵替代鑄鋼件的輕量化驗證工作，并針對等溫淬火球墨鑄鐵件高強度特點，對14個懸架類零件進專家論壇行重新設計。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生的，還包括輕量化設計的貢獻。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計。
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