车用铝合金压铸车身结构件工艺概述

放大  缩小 日期:2020-06-01     来源:网络    作者:中国汽车材料网    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:  根据全球日益趋紧的节能环保要求,汽车工业正在进行以减轻汽车重量为目的的重新设计工作。众多新材料被使用,其中铝合金是Z好的选择。汽车用铝合金的使用,不仅在动力总成的部件上如发动机缸体、离合器壳体、齿
   根据全球日益趋紧的节能环保要求,汽车工业正在进行以减轻汽车重量为目的的重新设计工作。众多新材料被使用,其中铝合金是Z好的选择。汽车用铝合金的使用,不仅在动力总成的部件上如发动机缸体、离合器壳体、齿轮箱和发动机中的一些常规部件,还有车身结构件。
 
汽车用铝合金
  
  一、汽车车身结构件的种类
  
  汽车车身结构件指的是在车身上起到主要支撑及承载作用的构成,是车身零部件的安装基础,常见于纵梁、横梁、门柱及下边梁等部位。
  
  常见的汽车车身结构件:
  
  1、车门
  
汽车用铝合金
  2、减震器上盖
  
  3、纵向构件
  
  4、悬挂臂
  
  5、B型支柱
  
  6、前后支架
  
  7、运动车门
  
  8、奥迪车身纵梁
  
  9、后部横梁
  
  10、车顶拉梁
  
  11、凯迪拉克全铝车身结构组件
  
  二、汽车车身结构件压铸工艺
  
  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,Z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,必须解决气孔等问题。
  
  在汽车结构件研发及应用中,布勒公司structural结构件压铸工艺有鲜明的特色,并具有极高的推广应用价值。
  
  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、汽车用铝合金材料、汽车用铝合金液处理、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。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。
  
  布勒structural结构件压铸工艺涉及的主要工艺措施或因素包括模具、真空、浇注、喷涂及挤压等几个方面。
  
  (一)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Z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,Z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。国内如广州型腔、宁波辉旺、宁波赛维达模具、宁波臻至模具均有设计制造结构件真空模具的能力。
  
  (二)汽车用铝合金熔化和处理
  
  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汽车用铝合金,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为保证汽车用铝合金的高塑性,尽可能在炉内使用叶片旋转除氢和净化;④控制Sr的熔损,过多熔损会影响汽车用铝合金的塑性,但Sr含量增高会增加汽车用铝合金的吸氢倾向,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,汽车用铝合金熔化温度不超过780℃,否则,加重汽车用铝合金吸气及氧化,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,汽车用铝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。
  
  (三)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,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汽车用铝合金液的扰动及热损失,降低了汽车用铝合金液氧化、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,压铸生产转化方便。
  
  (四)脱模剂喷涂工艺
  
  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Z少。
  
  (五)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30kPA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。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,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。
  
  (六)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Z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。
  
  意德拉是国内结构件压铸解决方案的提供者。意德拉在1993年就开始了结构件的研究,第一台4000T压铸机就是用于生产车门。在过去20多年中,意德拉积累了丰富的经验。结合多年的压铸工艺和传统的结构件压铸技术,意德拉开发了NOX无氧化结构件压铸技术。
  
  意德拉NOX结构件压铸机采用通过吸铸式进行加料(如下图),并对加料管进行加热。 保温炉采用了升降装置来适应压铸机不同的压铸位置。同时为了保证型腔真空度,冲头与压室也用特殊装置进行了密封。
  
  结构件压铸要求模具型腔保持高真空度,减少铸件空气含量,所以模具进行了密封。
  
  麦格纳集团与意德拉签定订单,包括大吨位压铸机4400吨和2400吨压铸机,这些机器将安装在麦格纳集团在美国和中国的工厂,用于生产大型汽车用铝合金结构件。
  
  力劲压铸机用于制造汽车结构件。2015年,南通雄邦与力劲集团合作,研发制造4000吨压铸机用于特斯拉车门的制造。整套系统配备海望真空双回路真空系统,广州型腔高真空模具,深圳昌本科技模具温度控制系统,实现了高端结构件的国产化制造。
  
  三、汽车结构件压铸合金
  
  这里我们再次着重详细介绍一下汽车结构件用压铸合金,也希望对国内汽车用铝合金制造商在高端合金领域有所突破。
  
  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,这些合金通常称为高韧性合金。与传统的标准压铸汽车用铝合金相比,这些汽车用铝合金都严格控制了Fe含量,一般控制在0.2%(质量分数,下同)以下。目的是避免汽车用铝合金中产生针状的AlFeSi相,该相会恶化汽车用铝合金的强度、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含量对该汽车用铝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-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160~220Mpa,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。castasil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120~150Mpa,伸长率可达10%~14%。
  
  四、部分汽车结构件生产企业
  
乔治费歇尔汽车用品(苏州)有限公司
  
  乔治费歇尔汽车产品集团公司作为乔治费歇尔集团公司下属的三大子集团公司之一,是全球铸造行业的先驱和主要供应商,拥有砂型铸造、重力铸造和高压压铸三种主要铸造技术,主要使用的原材料有铁合金、铝合金和镁合金。
  
  乔治费歇尔汽车产品集团中国事业部目前在华有两家公司,一家是位于苏州的轻合金高压压铸公司,另一家是位于昆山的球墨铸铁公司。另外,事业部在中国还设有专门的销售机构和研发中心。乔治费歇尔汽车产品(苏州)有限公司,2005年进驻苏州工业园区,坐落于长阳街117号,生产用于汽车行业和其他行业(包括自动扶梯行业)的铝、镁合金压铸件。
  

卡斯玛汽车系统(上海)有限公司
  
  卡斯玛汽车系统(上海)有限公司隶属于麦格纳集团。麦格纳旗下卡斯玛国际是世界首屈一指的汽车金属车身供应商,为全球的客户提供领先的汽车车身,整车框架,底盘系统和完整白车身的开发,设计和制造。卡斯马在全球拥有62个工厂和23个研发及销售中心。
  
  卡斯马国际目前在中国投入运营的有一个生产工厂(上海)、一个工程研发中心(上海)、和一模具制造中心(天津),卡斯马中国总部位于上海安亭的汽车零部件产业园,卡斯马中国目前为上海大众、上海大众、一汽大众、长安福特、奔驰、凯迪拉克等整车厂配套。
  

上海皮尔博格有色零部件有限公司
  
  中德合资上海皮尔博格有色零部件有限公司是由上海汽车集团股份有限公司下属汽车零产件公司——华域汽车系统股份有限公司和德国KS ATAG GmbH公司共同投资建立的合资企业。
  
  上海皮尔博格有色零部件有限公司整合上海乾通汽车附件有限公司的压铸业务,成为国内有色铸造业务领域的龙头企业。
  
广东文灿压铸股份有限公司
  
  广东文灿压铸股份有限公司成立于1998年,是一家集模具设计、模具制造、铝合金压铸、精密加工、表面处理及装配为一体的大型铝合金汽车零部件生产企业。总部设在广东佛山,并在江苏南通市和天津市设有全资子公司,实现了珠三角、长三角、环渤海地区的合理布局,高效快捷地服务于中国乃至世界各地的汽车整车和一级零部件客户。2015年3月份在新三板挂牌上市。2016年10月天津工厂启动生产主要为一汽大众配套DSG双离合器压铸件。南通工厂可为特斯拉生产鸥式车门一次成型压铸。
 
 
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