减少重量一直都是汽车工业探寻的目标,但电动汽车中的电池增加了额外的重量。轻量化材料在一定程度上可以弥补这一点,并且越来越受欢迎。
铝是一种轻量化材料,在钢铁之后，它是当今工业中最常用的材料。它可以是板材、锻造件、挤压件或铸造件的形式。汽车工业最近的趋势之一是使用一个大的浇铸铝零件[ 1 ]。这一概念是特斯拉在几年前提出的,他们还提出了一项专利,涉及在碰撞情况下大铸件的减震(shock-absorbing)特性[ 2 ]。特斯拉使用一体化大铸件的例子也被其他汽车品牌所效仿,比如梅赛德斯-奔驰、大众、沃尔沃汽车,以及中国品牌Nio和Xpeng[ 3 ]。在汽车工业中使用大型铝材有可能减少重量,从而扩大范围,在使用二次铝时支持循环经济,并降低装配过程的复杂性。对于Tesla Model 3,171个部件可以替换为两个特大的。这意味着在制造过程中装配站和焊接机器人的数量大幅减少。另一方面,使用大型铸件产品对汽车工业的设计和制造部门提出了新的要求。
这幅来自沃尔沃汽车的图片展示了一个大型压铸机将如何替换后地板结构中的许多金属板零件。
对于一般的高压压铸(HPDC)工艺,在铸造过程的所有步骤中都介绍了热效应引起的应力和偏差。最后的几何偏差是模具冷却过程中的偏差、喷射步骤、淬火和修剪过程中偏差的总和[ 5]。预期的几何偏差和大型金属件的变化还不完全清楚,与标准板材装配工艺相比,有许多未知因素,因为许多较小的板材零件在几个装配站被点焊在一起。用标准的点焊工艺,将大型压铸机与汽车车身白色的其他部件连接,其他连接方法可能会导致几何变化的新的和未知的模式。
为了处理整个产品实现过程中的几何偏差和变化,应用了几何保证。几何保证是一系列措施,旨在尽量减少几何变化的影响[ 6 ]。它们对于实现高几何质量的产品至关重要。然而,几何保证组合中的方法和工具可能需要一些更新和额外的能力,以支持努力实现含有一个或几个特大项的产品的高几何质量。
本文的目的是提出与包含大型压铸产品的几何保证有关的挑战,以及对此类产品的几何保证过程的展望。
2.汽车工业中现有的几何尺寸保证方法
详细内容参见原文：Wärmefjord, K., Hansen, J., and Söderberg, R. (April 19, 2023). "Challenges in Geometry Assurance of Megacasting in the Automotive Industry." ASME. J. Comput. Inf. Sci. Eng. December 2023; 23(6): 060801. https://doi.org/10.1115/1.4062269
3.与大型一体化压铸件的几何保证挑战
用一个或几个大型铝材零件代替大量点焊金属板组件是汽车工业的一个新趋势[ 3 ]。从几何保证的角度来看,由于删除了许多装配步骤,导致变化的因素较少。另一方面,这是一种新的构建白车身的方法,它对几何保证过程的所有影响还没有完全了解。
文中概述了汽车工业中大型压铸产品的几何保证过程中的挑战。内容分为"零件级"(包括几何特征和零件模拟)和"装配级"(包括连接过程和装配变化模拟)。详细内容参见原文。
与基于板材零件的产品相比,大压铸件的产品的几何保证过程的差异带来了九种挑战(见图3）
（1）量化大型铸造工艺参数和材料参数的预期变化
（2）了解由于大型铸造过程和材料参数的预期变化而导致的几何偏差的预期分布。
（3）对于计算机辅助公差(CAT)工具：开发一种方法来模拟新连接方法的几何效果，适用于包含大型铸件的组件。
（4）对于CAT工具：开发一种方法来处理装配和接触建模与不同类型的网格。
（5）量化生产过程中大型铸件中残余应力的可能影响。
（6）开发铸造过程的准确模拟，以预测零件偏差和变化。
（7）对于CAT工具：开发一种使用铸造模拟结果作为输入的方法。
（8）对于CAT工具：开发一种包含残余应力的方法。
（9）对于CAT工具：开发一种基于数字孪生方法支持汇编过程调整优化的方法。
挑战1-2是基于对生产零件的物理测试和检查,并将在最后确定后增加对特大压铸过程的了解。挑战3是高度优先的,因为关键是要能够将不同连接过程的影响纳入变异模拟[ 10],以及含有大型件的组件将需要金属板组件以外的其他连接方法。挑战4,用实心网眼和壳网眼板金属零件模拟特大件的能力,也是CAT工具变化模拟的关键。在优先事项2挑战中,第5个挑战涉及通过测试和检查收集新知识,从几何保证角度来看,第6个挑战对于最大限度地减少部分偏差和变异以及将其作为变异模拟的投入(在挑战7中处理)都很重要。挑战8可能需要提高变化模拟的精确度,而第9号则是为了提高几何质量,将来的单个过程调整。
4.大型一体化铸件的几何保证愿景
几何保证过程通常是在汽车行业的大公司中建立起来的。然而,使用大型一体化压铸项目需要对这一过程进行一些调整,它也为使用其他方法打开了大门,例如单个调整。这些通常被认为是昂贵和耗时的,但由于大型一体化压铸件等大型复杂的部分,可能值得努力。下面是作者对含有大型一体化压铸零件产品的几何保证过程的广义看法,见图 2 。
5.结论
大型一体化压铸件是汽车工业中的一个新概念。大量的工作表金属零件将被一个大型铝铸件所取代，即巨型铸件。这有助于减轻重量，为更大的设计灵活性打开大门，允许更循环的生产，并在生产过程中消除大量的装配步骤。然而，使用巨型铸件也存在挑战。本立场文件概述了与最终产品几何质量相关的挑战。它涵盖了早期产品开发阶段的稳健设计和公差，以及预生产期间的检查准备和全面生产期间的数字孪生设置，以确保包含巨型铸件的产品的几何质量。讨论了零件级和装配级偏差和变化的模拟。该论文概述了汽车工业中包含巨型铸件的产品的几何保证过程，以及在该领域需要解决的最重要的研究挑战。
得出结论，计算机辅助公差工具必须能够预测连接方法（如流钻紧固件或自穿铆接）的尺寸影响，使用铸造模拟作为输入，并处理实体和表面网格的组合。此外，可能需要基于数字孪生的连接过程进行调整，以以合理的价格实现适当的质量。在白车身中使用巨型铸件的经验不足，需要快速学习曲线。
来源：本文节选自Wärmefjord, K., Hansen, J., and Söderberg, R. (April 19, 2023). "Challenges in Geometry Assurance of Megacasting in the Automotive Industry." ASME. J. Comput. Inf. Sci. Eng. December 2023; 23(6): 060801.
原文链接：https://doi.org/10.1115/1.4062269
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