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轿车底盘以及后副车架的铝合金压铸技术新型开发

发布时间:2015-04-13 浏览次数:4506

  基于节能减排、绿色低碳的环保压力,开发低能耗、低排放、低成本的汽车制造技术是实现汽车行业可持续发展的必然要求。然而,无论是采用柴油或汽油,还是采用电池作为汽车动力驱动源,汽车轻量化(主要指轿车)都是实现节能减排的有效方法之一。汽车零部件在实现材料轻量化的基础上,考虑到零件性能、生产成本、生产效率等综合因素,采用压铸成形的越来越多。目前轿车上的许多部件已实现轻量化(铝合金化)压铸生产,比较典型的零件有变速箱壳体、发动机缸体、油库壳等动力/驱动系统零件。但对于车身/底盘悬架等关键结构部件的轻量化,压铸技术开发和生产则明显滞后于动力/驱动部件。

  广汽自主品牌轿车“传祺”在国内首次采用了压铸铝合金后副车架。由于副车架属于汽车中的结构安全件,力学性能要求高,对压铸技术提出了很大挑战。本课题从压铸合金、副车架的压铸工艺设计及优化、模具设计及制造、压射工艺参数优化等方面进行了研究和开发,成功地开发出了高强韧压铸AL-Mg合金后副车架,满足了广汽“传祺”的生产要求。

  1 后副车架的结构特点

  “传祺”轿车底盘后副车架的结构见图1,外形尺寸为1078 mm x 367 mm×156 mm,平均壁厚为4mm,质量为6.3 kg。其力学性能要求铸件本体抗拉强度≥240 MPa,屈服强度≥145 MPa,伸长率≥6%,属于高强度、高韧性、耐腐蚀的大型薄壁复杂零件。由于轿车底盘副车架是涉及轿车行驶安全的重要部件,对内部缺陷的要求非常严格。

  2 后副车架的压铸技术开发要点

  后副车架选用压铸AL-Mg合金,一是AL-Mg合金具有良好的耐腐蚀性,二是该合金无需通过热处理(如T6)强化,在铸态下就能获得良好的力学性能,可避免热处理带来的工序增加、零件变形等问题。由于传统的压铸工艺无法避免内部的卷气缺陷,而铸件内部气孔的存在将大大削弱铸件的力学性能,特别是断裂韧度,因而采用传统的压铸工艺生产铝合金后副车架将会带来严重的质量风险。基于此,铝合金后副车架采用了高真空压铸技术。

  2.1 AI-Mg合金的力学性能及成分优化

  国标上压铸铝镁合金主要有YL301和YL303,以YL301为基础,研究了Mg、Si含量及Mg/Si质量比等对AL-Mg合金力学性能的影响,试样采用铸件中部的试样,试样为矩形,截面尺寸为4 mm×10 mm,有效长度为50 mm。为消除铸造缺陷的影响。一个铸件中取5个试样进行拉伸测试。压铸试验的主要条件:浇注温度为700-720℃,慢压射速度为0.20 m/s,快压射速度为5.8 m/s。图2为Si含量对铸件抗拉强度及伸长率的影响。可以看出,在试验的参数范围内,随着Si含量增加,抗拉强度逐渐升高,在Si含量(质量分数,下同)为1.5%左右时,铸件的抗拉强度达到最大值。而伸长率则随着Si含量的增加逐渐降低,当Si含量大于1.6%后,铸件的伸长率降低到6%以下,已不能满足性能要求。因此,从强度和伸长率两方面考虑,生产中Si含量控制在1.4%~1.6%之间比较合适。

  图3为Mg含量对力学性能的影响。当Mg含量在4.6%~5.4%之间时,抗拉强度呈现幅度较小的波动,但都在240MPa以上。伸长率则是随Mg的增加,呈现下降的趋势。当Mg含量>5.5%不能时伸长率不能满足技术要求。

  由图2和图3可以看出,Mg、Si的含量对铸件的力学性能具有重要影响。Mg的加入提高了合金的强度,降低了其伸长率。在AL-Mg合金中加入Si,可提高合金的流动性,降低热裂倾向,即有效改善合金的铸造性能。但Si的加入会影响到合金的力学性能,特别是降低伸长率。对于副车架之类的安保零件,因伸长率要求高,故而应严格控制Mg、Si的含量。Si在合金中与Mg形成Mg2Si强化相,一般而言,Mg2Si相越多,强度越高,伸长率越低。因此为探讨Mg2Si相的作用,引入了Mg/Si比值来评估材料的力学性能。

  图4为Mg/Si对AL-Mg合金力学性能的影响规律,当Mg/Si质量比由2.9增加到3.2时,伸长率随之升高;而由3.2继续增加到3.6时,伸长率则呈现下降趋势。因有伸长率大于6%的技术要求,Mg/Si质量比控制在3.1到3.5之间较合适,而在3.2左右时,伸长率达到最大值。

  在实际生产中,需对Mg、Si的含量以及Mg/Si质量比严格加以控制,以保证铸件的伸长率达到规定的技术要求。

  2.2 AI-Mg合金的压铸工艺设计及优化

  基于铸件壁厚、质量以及MFT法(Millimum Fill-ing Time)的设计思路,计算出副车架的内浇口截面积,然后根据铸件结构设计了两种浇注系统设计方案(见图5)。方案1为5个内浇口,方案2为6个内浇口。采用Flow3D软件分别对其进行了流动计算,发现方案2的充填形态较方案1平稳,流动前沿的封闭交汇、紊流现象少,参见图6。选择方案2进行溢流槽、排气结构的设计,最终的副车架压铸工艺方案见图7。

  根据投影面积计算合模力,副车架的压铸机锁模力选择大于25000 kN的卧式冷室压铸机。冲头直径选择130 mm,校核压室充满度为46.8%,符合要求。

  2.3 副车架的模具设计与制造

  高真空压铸对模具的密封性提出了较高要求,为确保压铸过程中模具的密封性能,在模具分型面、顶杆处设置了3道密封结构:一是采取了密封措施,在模架上开设了密封槽,内装耐热橡胶制成的密封条}二是在镶块外侧同样设置一道密封槽;三是将动定模的镶块配合面设计成一个斜面,利用斜面的配合来形成密封,参见图8,模具顶杆处的密封结构见图9,冲头采用了类似活塞环结构的密封圈进行良好密封。

  2.4模具温度的精确控制

  大型复杂压铸模的温度控制对于正常生产及铸件品质的影响非常重要。对副车架压铸模进行了区域分割,在每一区域设置了一个热电偶测量该区域的实际温度,根据实际温度与模具设定温度的差异来控制冷却水阀的开度,即调节冷却水的流量来达到温度的精确控制,以减少模温的波动。图10为模具中温度测量点及冷却水管的开设情况。

  3 副车架的压射工艺参数优化及缺陷控制

  压射工艺参数对铸件内外部缺陷如冷隔、气孔、缩松等有很大的影响,需要通过大量的试验来调整优化。后副车架的高真空压射工艺参数如下:①模具型腔真空度越高,后副车架铸件气孔越少,综合力学性能越好;②在真空启动位置为压射冲头刚好经过浇料口处并将其封住的位置,真空停止位置为700 mm时,后副车架真空压铸过程的真空时间最合适,铸件内部气孔缺陷降至最低;③随着慢压射速度的提高,高真空压铸轿车底盘后副车架本体试样的抗拉强度和伸长率均有所降低,屈服强度变化不明显。而随着快压射速度的增大,抗拉强度、屈服强度和伸长率均有所增加;④高速切换点启动过早,后副车架铸件内部会产生气孔缺陷,启动过晚,铸件表面成形不良,会产生冷隔缺陷。

  最佳的后副车架高真空压铸工艺参数为:真空启动位置为110mm,真空停止位置为700mm。慢压射速度为0.19 m/s,快压射速度为5.8 m/s,型腔真空度在91kPa以上。压铸的后副车架铸件见图11。
 

  4结语

  (1) 以AL-5Mg(YL301)合金为基础,研究了Mg、Si含量及Mg/Si质量比对铸件本体试样的影响,获得最佳控制范围:Mg为4.5%~5.4%,Si为1.4%~1.6%,Mg/Si质量比为3.1~3.5。

  (2) 设计并优化了后副车架压铸工艺方案。采用FLOW-3D数值模拟软件优化出了合理的浇注系统及排气/溢流系统。对压铸模具进行了密封,并实现了模温的精确控制。

  (3 )试验优化了副车架的压射工艺参数,解决了铸件的内外缺陷。主要参数为:真空启动位置为110mm,真空停止位置为700mm,慢压射速度为0.19 m/s,快压射速度为5.8 m/s,型腔真空度在91kPa以上。

  (4) “传祺”轿车铝合金压铸后副车架外观成形良好,组织致密,无缩孔气孔缺陷。铸件本体抗拉强度≥240MPa、屈服强度≥145MPa、伸长率≥6%,批量生产合格率在85%以上。