汽车车体用大型薄壁高韧性零件的开发中国压铸

作者:新能源汽车

核心摘要: 日本NISSAN公司将GT-R车型中的部件Strut housing采用压铸整体成形,获得了优异的车体刚性和易操作性等两方面的性能。现介绍S

五、镁合金制件的成型方法。

日本NISSAN公司将GT-R车型中的部件Strut housing采用压铸整体成形,获得了优异的车体刚性和易操作性等两方面的性能。现介绍Strut housing铝合金零件高真空压铸的开发过程。

镁合金制件的成型方法分为铸造和变形两类。

  1. 压铸成形可行性的探讨。GT-R上的Strut housing是将原strut部和wheel house部位的15个零件改为压铸一次成形,并和FR-SIDEMBR, DASH-LWR, HOODLEDGE, COWLTOP零件之剑进行空间立体连接,可有效分散来自轮胎的受力,实现车体变形线性化和无游离的重要产品。为此,需在原来由多个部件冲压焊接成形的结构改为一次成形结构的基础上,消除影响脱模的封闭内腔结构,去除多余壁厚,同时将产品的整体壁厚均匀化。另外为提高生产效率,模具分型简单化以及确保顶杆位置、模具冷却空间等均加以考虑和设计,最终确定达到品质要求的Strut housing零件形状。相比以前,左右两边的部件数减少28个,质量减轻23%,strut housing的基本壁厚为2mm。采用高真空压铸成形的性能要求是屈服强度>140Mpa,伸长率>10%。

  2. 生产技术开发。采用Muller Weingarten公司的Vacural压铸机,特点是铝液真空差压快速定量浇注;使用绝热脱模润滑剂对充填铝液保温;模具真空度管理以最大限度减少气体卷入;采用公司内部开发的高强韧压铸铝合金。压铸机锁模力为40000kN,材料为Al-10Si-0.35Mg。 Strut housing为大型薄壁零件,充填流动长度长。试验结果表明铝液应在23ms内充填完毕,否则将产生充填不良。其措施是降低型腔内的背压,从保温炉到模具全部进行密封,同时为延缓凝固时间,使用了绝热脱模剂。尽管如此,在铸件远离内浇道的部位仍出现了卷气和缩松缺陷。卷气缺陷的对策一是通过数值模拟优化工艺方案;二是将冲头油性润滑剂改为粉末润滑剂;三是将压室/冲头间的纤维密封改为金属密封。其效果是型腔真空度稳定保持在3kPa一下可达1000模次以上。缩松对策是设置高速局部加压装置,局部加压开始时间在压射完了之后100ms以内。Strut housing零件的精度要求很高,针对在T6热处理的固溶阶段及水淬阶段变形量大的问题,分别采取措施。对于固溶阶段因自重引起的变形,通过计算机模拟,求出了最佳的热处理支撑部位,同时优化设定了既控制变形量,又能满足力学性能要求的固溶温度和事件。淬火引起的变形减少则是将水淬改为了风淬。此外,采用加强筋结构提高高温时的刚性。Strut housing在车上装配时需和钢板结合在一起,会产生电化学腐蚀以及车体涂装时因温差而产生尺寸偏差。电化学腐蚀的对策是对Strut housing部件单独静电涂装,然后在和钢板的结合面处涂上粘胶剂,将铝和钢完成隔离。抑制车体涂装时的尺寸变化则是采用固定夹具。

1.镁合金制件的铸造成形

3. 量产时的课题。对于高真空压铸零件,真空度管理及尺寸精度保证非常重要。真空度管理不仅对铸件内部品质的保证,而且对高真空压铸机的浇注量管理、设备运行的稳定等方面均是必须的。实际生产中,发现随着模具温度升高,模具型腔的真空度会逐渐变差,铸件内部质量不合格品数量增加。原因在于分流锥和镶件是分开冷却的,分流锥和镶件之剑存在温度差。对策是优化模具的冷却不知,抑制分型面上的温升,保持温度一定。采用简易自动尺寸检查装置,保证尺寸进度,减少人的失误,提高合格率。

镁合金制件铸造成形可采用重力浇注、低压铸造和压铸。近年来又出现触变注射成型新技术。其中以压铸的工艺及设备最为成熟,目前国内外的镁合金制件绝大多数用压铸法生产。

  1. 应用效果。NISSAN GT-R是面向新一代而开发的跑车,铝合金压铸零件的应用时实现高刚性、高精度车体的关键技术,是高真空压铸技术的集成。和原来车型相比,应用Strut housing铝压铸件,大幅度提高了车的操纵性。因而采用铝合金压铸件,不仅仅是轻量化,而且提高了车的性能。

1) 镁合金制件的压铸成型:

由于镁合金溶液易氧化以致燃烧,铸造时热裂倾向比铝合金大,因此镁合金在熔化、浇注及压铸液的温度控制等方面都比铝合金压铸要复杂。压铸机分热室压铸机与冷室压铸机,热室压铸机的生产效率高,约为同容量冷室压铸机的2倍,但其锁型力一般在7840kn以下,通常用于质量不大的薄壁铸件,例如美国White Metal Casting公司生产的外形尺寸为61 0x61 0nm的镁合金计算机外壳,英国Kirt Precision公司生产的2.5kg重的自行车架都是用热室压铸机生产的。

冷室压铸机应用更广,美国Prince公司于1 990年生产出一台锁型力达13.72MN的世界最先进的大型镁合金冷室压铸机,该件集熔化、压铸于一体,并采用了取件机器人。冷室压铸机适于生产壁厚较厚质量较重的制件,例如奥迪汽车公司的尺寸为1440x3.5mm,重量为4.2kg的汽车仪表板,是在装有自动浇铸机构,锁型力为24.50MN的冷室压铸机上生产的。美国通用汽车公司的尺寸为1470x300x2mm的直角承梁,重1.8Kg用M60B镁合金在锁型力为21.56MN的冷室压铸机上压铸而成。此外,如汽车座椅、框架、汽车轮毂等产品均是用冷室压铸机生产的。据报道,在1992年,美、日用于生产镁合金铸件的冷、热室压铸机就超过了160台。我国台湾省近年来镁合金压铸事业发展也很快,到2001年厂商数已有40余家,拥有冷、热室压铸机超过220台,年产8600吨镁合金制品。据报道,目前我国大陆的镁合金压铸件生产企业只有8家,在建的8家[7],远远落后于国内、外的发展需求。

2) 镁合金压铸技术的发展趋势

镁合金压铸与其它金属的压铸一样,在压铸过程中镁合金液以高速的紊流成弥散状态充填压铸型腔,使腔内气体无法排除,形成高压微孔或溶在合金内。这些气孔在高温下会折出或膨胀导致铸件变形或者面鼓包。因此用传统的压铸方法生产的镁合金压铸件与其它合金压铸件一样,不能进行热处理强化,也不能在较高的温度下使用。为了消除此缺陷,提高压铸件的质量,扩大压铸件技术的使用范围,近年来研究开发了一些新的压铸技术,如真空压铸,半固态触变压铸技术等。

真空压铸是在压铸过程中抽出型腔内的气体,以减少或消除在压铸件内的气孔和溶解气体,提高压铸件的力学性能和表面质量。真空压铸镁合金件的最小壁厚为1.5-2.0mm,真空度小于或等于80kPa,冲头速度最大达10m/s,铸件强度可提高10%以上,韧性提高20-50%,目前已成功地用真空压铸法生产出镁合金汽车轮毂和方向盘等一批主要汽车零件。

半固态触变压铸技术

(Thixomolding):触变注射成型的工艺过程接近于注塑成型,其装备原理如图1所示。首先将镁合金锭加工切制成细颗粒状,将此镁合金颗粒装入料斗中,强制输送到粒筒中,粒筒中旋转的螺杆驱使镁合金颗粒向模具方向运动,当其到达粒筒的加热部位时,合金颗粒呈部分熔融状态,在螺旋体的剪切作用下,具有枝晶组织的合金料形成了具有触变结构的半固态合金,当其累积到一定体积时,被高速注射到抽成真空的预热型腔中成形。半固态合金在外力作用下可以象热塑性塑料一样流动成形,但触变注射成形的温度,压力以及螺杆旋转速度远远高于注塑设备的。成形的加热系统采用了电阻和感应加热的复合工艺,将合金加热至582±2℃,固相体积分数达60%,同时通入氩气进行保护。

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