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【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析

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发表于 2020-1-7 04:07:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
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【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析8246-百里3182

摘要:根据国内、外汽车铸件研发及应用情况,从铸造材料研发与替代、铸件结构轻量化设计、铸造工艺进步3个方面分析汽车铸件轻量化的技术路线。首先介绍了高性能铸造材料及轻质铸造合金在汽车零件轻量化上的最新发展趋势与应用成果;以实际零件为例,列举了铸件轻量化设计过程中常见的薄壁化、空心化、集成化3种结构优化方案及轻量化效果;针对轻量化铸件的生产问题,简述了熔模铸造和(真空)高压铸造成型工艺在汽车轻量化铸件上的应用。

关键词:轻量化铸造技术路线

汽车自身质量大小是影响燃油消耗,降低污染物排放的重要因素之一。当前,铸件占国产汽车质量的10%~20%,其中商用车铸件约占整车质量的20%,乘用车铸件约占整车质量的10%,为汽车零部件重要构成之一。因此,汽车铸件轻量化对降低整车质量,减少污染物排放具有重要意义。从目前汽车铸件轻量化的发展趋势来看,其技术路线可从铸件材料替代、铸造技术进步及产品结构优化3个方面实现。

1 铸造材料替代

1.1高性能铸造材料在汽车零件上的应用

对于传统铸铁、铸钢而言,可通过微、低合金化,铸造工艺控制及铸后热处理等手段提高材料强韧性,从而提升性能。例如,通过微、低合金化及熔炼过程控制研发的QT800-5、ZGD1240-1450,通过施加等温淬火处理获得的等温淬火球墨铸铁(Austempered DuctileIron,ADI)等。

1.1.1 高强韧铸态球墨铸铁的研发与应用

大部分汽车铸件为砂型铸造的低强度球墨铸铁件。该材质具备制造成本低,工艺成熟度高的优点,但存在材料综合性能低、外观质量差等不足,制约了汽车零件的轻量化设计。而国外先进车企通过不断研发,逐步提升球墨铸铁性能,拓展了球墨铸铁的应用范围。如瑞士Georg Fischer(GF)Automotive AG公司研发的Sibo Dur系列球墨铸铁(表1、图1),以Sibo Dur700-10和Sibo Dur800-5为代表的高强韧球墨铸铁材料在平衡悬架支架、差速器壳体、转向节、车桥(轴)、控制臂、轮毂、曲轴和悬架系统等零件上的应用(图2),实现了以铸代锻,以铸代装配,较好地满足汽车轻量化要求。

对于获取高强韧铸铁材质而言,各个生产企业采取的制备工艺路径有所不同。有些企业通过微合金化和铸造工艺优化,生产出的铸态球墨铸铁性能即可达到技术要求。但该种方法对铸造原材料及铸造工艺控制要求严格。有些企业通过铸后热处理提高材料性能,一般采用正火或正火+回火处理。采用该方法的优点是对铸造工艺及合金配比要求较松,缺点是由于增加了热处理工序,并且铸件变形,加工量增加,导致生产成本上升。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析5341-百里3182





【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析7378-百里3182




中国一汽高强韧铸态球墨铸铁产品主要通过微合金化和铸造工艺优化实现高性能。目前已成功开发出QT800-5、QT600-5等高强韧铸态球墨铸铁牌号,并将上述材质代替QT450-10用于生产底盘支架类、壳体类汽车零件(图3)。其中新开发的大支架(表2)通过采用高性能球墨铸铁QT800-5,并结合结构优化及制备工艺改进等措施,使之具备性能优良、降重效果明显、成本低等优势。


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【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析1309-百里3182




高强韧铸态球墨铸铁的成功研发为汽车铸件轻量化设计提供了更多产品优化、改进的空间,已成为未来汽车底盘类零件轻量化的首选材料。今后高强韧铸态球墨铸铁材料可在转向节、车桥(轴)、控制臂、轮毂、制动盘、发动机支架,曲轴和悬架系统等零部件上推广应用,用于替代传统铸铁、铸钢材质,实现材料升级及零件轻量化设计。高强韧铸态球墨铸铁的性能已与部分锻钢材质相近,可通过替代部分锻造零件,实现以铸代锻、以铸代装配,进而降低零件质量及数量,减少装配流程,实现成本降低及轻量化的目标。

1.1.2 ADI材料的研发与应用

ADI是一种强韧性兼备的球墨铸铁材料(图4),具有很高的弯曲疲劳强度和良好的耐磨性,可用于替代部分锻造零件,实现节能降重。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析105-百里3182




东风汽车公司对某商用车车型进行了等温淬火球墨铸铁替代铸钢件的轻量化验证工作,并针对等温淬火球墨铸铁件强韧性高的特点,对14个悬架类零件进行了重新设计。表3所示为采用等温淬火球墨铸铁材料替代后的轻量化效果,总质量减轻近40%,降重效果显著。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析9584-百里3182




中国一汽从70年代开展了ADI材料在曲轴、主从动锥齿轮上的研发,但受材料质量控制、铸造及热处理技术不成熟、不完善,以及成本等因素困扰,材料性能无法达到GB/T24733《等温淬火球墨铸铁件》要求,限制了ADI材料的应用发展。面对技术难题,通过大量试验,对等温淬火球墨铸铁进行材料开发与成分优化,找出合金配比与材料淬透性、力学性能的关系,并对组织中的石墨球化率、石墨球数进行控制,成功开发出高性能等温淬火球墨铸铁材料。该材料性能明显高于国家标准GB/T24733的性能要求(表4)。

在ADI应用推广方面,中国一汽已成功开发出QTD900-8材质的一系列典型汽车零部件,并通过了台架道路试验验证,代替了40Cr、42Cr Mo材料锻造生产,在国内、外均属首次应用,达到国际先进水平。其中某零件实现单车降重27.4Kg,降材料成本174.8元,实现质量成本双下降。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析7669-百里3182




据报道,上世纪70年代后期,美国通用汽车公司在完成大量实验室和车队实际跑车测试后,正式生产ADI后桥螺旋伞齿轮用于替代AISI渗碳淬火钢齿轮,节省成本超过20%。相比锻钢齿轮而言,ADI齿轮具有密度更低,吸震性好等优点,应用前景广阔。目前我厂也在拓展ADI材料在汽车齿轮、曲轴、发动机支架、悬架支架、差速器壳、拖钩、横向稳定杆、轮毂、悬挂弹簧座等零部件上的应用。

1.1.3 蠕墨铸铁材料的研发与应用


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析8082-百里3182





【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析6764-百里3182





【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析379-百里3182




如Audi汽车公司从1999年开始在3.3L的V8TDI发动机生产中使用蠕墨铸铁,并开发出2.7L和3LV6柴油发动机,用于A4、A6和A8型汽车。福特公司开发的V62.7Llion蠕墨铸铁柴油机具有155kW功率和440N·m转矩[7]。配有双涡轮增压的蠕墨铸铁发动机用于捷豹s型轿车以及路虎运动型多用途汽车。此外,大富、欧曼、戴姆勒-克莱斯勒、依维柯以及斯堪尼亚卡车公司全部通过采用蠕墨铸铁(表6)铸造技术改进发动机性能。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析1971-百里3182




蠕墨铸铁缸体、缸盖虽比灰铸铁更具竞争力,但蠕墨铸铁缸体、缸盖生产存在2方面技术难题。

a.蠕化处理过程中的工艺稳定性问题;

b.蠕墨铸铁的加工性能不如灰铸铁。国外蠕墨铸铁的成熟生产工艺有Sintercast工艺、Oxycast工艺、Novacast工艺、Backerud工艺。其中Sintercast工艺应用较广,可有效保证蠕化处理的稳定性,获得高蠕化率,但该工艺存在每包铁液都要进行检测,导致制造成本增加。

中国一汽在柴油机研发方面走在国内同行前列,目前研发的蠕墨铸铁发动机气缸盖即采用Sin⁃tercast工艺生产,材料为RuT450,蠕化率达到80%以上,正进行台架试验验证工作。伴随着蠕墨铸铁材料研发、制造及加工工艺的不断改进,今后将继续推动蠕墨铸铁缸体、缸盖在更多机型上的应用,为汽车轻量化及节能减排提供改进空间。

1.1.4 铸钢材料的研发与应用

东风汽车精密铸造公司采取微合金化并应用精密铸造技术、热处理技术提高材料性能,开发出系列高性能铸钢材料(表7)用于汽车铸件薄壁化(最低4mm)及集成化设计(图7、图8)。经材质改进及结构优化,零件强度可提升30%以上,降重10%~30%。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析573-百里3182



【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析1957-百里3182

【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析2223-百里3182

受中国一汽制造资源及铸钢材质研发方面投入不足的影响,以往自主乘用车、商用车上铸钢件应用较为有限。近些年,通过对铸钢合金成分设计、材料强韧化机理的运用和热处理工艺摸索,开发出系列高性能低合金铸钢材料,并在汽车零件上进行推广应用。

1.2 轻质铸造合金在汽车零件上的应用

汽车铝合金零件中,铸造铝合金件(重力铸造、低压铸造和其他特种铸造零件)占74%~80%。对于铸造铝合金而言,除通过合金化提高性能的同时,目前还可通过控制成型工艺及后续热处理提高材料力学性能。铸造镁合金和其它有色铸造合金受成本及成型工艺等方面的限制,实际用量较小,但随着工业水平提升、制造技术的发展及生产成本的降低,应用前景广阔。

1.2.1铸造铝合金的应用

铝合金是汽车上应用最广的有色合金,并且铝合金材料的单车使用量在逐年提升(图9)。目前汽车上应用的铸铝件正逐步替代灰铸铁、低牌号球墨铸铁件。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析1766-百里3182




发动机为汽车心脏,其轻量化效果对提高汽车的动力性、经济性和环保性具有重要意义。以往发动机缸体、缸盖多采用铸铁生产,采用铸造铝合金(图10)后可使质量大幅降低。如美国通用汽车公司的V8发动机气缸体采用铸铁时的质量为94.4kg,采用铸造铝合金后仅为24.5kg,降重74%。气缸盖作为发动机第二大部件,长期处于高温状态下工作,承受较大的热冲击和应力集中。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析5067-百里3182




采用铸造铝合金生产气缸盖除具有降重效果外,铸造铝合金还因具有良好的导热性,可使热量快速导出,提高发动机热效率,避免缸盖燃烧室产生过热现象的优点。中国一汽在发动机研发方面一直走在国内最前沿,目前正在与清华大学合作开发过共晶硅铝合金缸体。过共晶硅具有很好的耐磨性,可直接作为缸套与活塞摩擦,并将缸体一体压铸成型,达到进一步轻量化的要求。

铸造铝合金除在发动机缸体缸盖应用外,还用于替代铸铁材质的发动机配件达到降重效果,如壳体、罩盖、底座、支架等。经计算,QT450-10材质的发动机悬置支架更改为铸铝材质后,经结构优化,在材料成本不提高的情况下,可实现单件降重60%。

铸铝件还在传动系统、行驶系统、转向系统等方面具有广泛应用。如中国一汽采用铸造铝合金替代铸铁实现轻量化方面,已将部分HT250材质的变速器壳体采用铸造铝合金生产(图11),降重效果显著,并已通过台架试验验证,实现批量生产。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析824-百里3182




在某乘用车研发过程中,其前副车架、转向节(图12)零件通过选用A356材质,采用低压铸造成型替代以往钢制零件实现轻量化。在控制臂轻量化方面,通过将控制臂设计成空心梯形结构,采用铸造铝合金生产达到降重目标。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析2346-百里3182




1.2.2 铸造镁合金的应用

镁合金压铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。在汽车上试用或应用镁合金的实例(图13)还有油门刹车支架、仪表板支架、离合器壳体、制动踏板固定支架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速器壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。在降重方面,与传统钢制转向轮芯相比,镁制件降重45%;与全铝气缸盖相比,镁制件降重30%;与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比,整体的镁铸件降重40%,同时刚性也得以改善。图14所示为别克君悦(LaCrosse)6.9kg的压铸镁仪表板梁,与传统的钢板设计比,减重40%,并且有效减少了零件数量。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析3237-百里3182




虽然镁合金压铸件具备比强度高的优点,但受成本、成型工艺技术及知识储备限制,我厂镁合金压铸件的应用较为有限,仅在方向盘骨架、仪表板等零件上有所应用。今后在深入开展铸造镁合金材料、成型技术研发的基础上,逐步拓展镁合金铸件在座椅骨架、发动机链条室罩盖、气门罩盖、变速器壳体、离合器踏板、制动踏板支架、车轮、轮毂、电子设备壳体等汽车零部件上的应用。

2 铸件产品轻量化设计

2.1 薄壁化

在铸件轻量化设计思想中,薄壁化是实现铸件轻量化设计最有效、最直接的手段。铸件薄壁化设计可预先通过CAE模拟、拓扑优化,在满足零件使用性能前提下,对零件承受载荷不大或安全系数过高的部位进行壁厚减薄处理,实现降重降成本目标。经薄壁设计优化后的铸铁件壁厚一般可达到3~6mm,铸铝件壁厚可达到1mm。但受表面张力和粘滞力对合金液充型的影响,薄壁铸件若采用普通砂型重力铸造将难以成型或废品率较高,一般采取熔模铸造、真空吸铸、差压铸造等特种铸造工艺实现。

薄壁铸件的铸造工艺复杂主要体现以下几点。

a.尺寸精度问题。由于壁厚较薄,铸型材料及金属材料的收缩和铸件变形规律难以掌握,铸件容易发生变形翘曲。

b.补缩问题。薄壁铸件平均壁厚小,当局部壁厚突然增大时将难以补缩,在壁厚增大部位易形成缩孔缩松缺陷。

c.表面质量问题。薄壁铸件对表面质量要求很高,若薄壁部位存在微小缺陷,将比传统厚壁铸件更易形成应力集中,对零件受力造成不利影响。针对上述问题,除要求选取适合的铸造工艺并对零件铸造工艺进行CAE模拟优化的基础上,还要求在铸件结构设计时重点关注零件壁厚的一致性,避免零件壁厚突然增大及薄壁大平面结构。中国一汽已开发出壁厚6mm的支架(图15)。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析4676-百里3182




经材料优化(将材料由QT450-10升级为QTD1050-6)及零件结构优化,铸件质量由之前的4.1kg降为1.8kg,实现材料降重55%,降成本20%左右。目前项目组正推进壁厚2mm的支撑支架(图16)及壁厚4~6mm的ADI壳体等铸造零件的研发工作,为自主汽车铸件轻量化提供技术支撑。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析2702-百里3182




2.2 空心化

铸件除通过薄壁设计实现轻量化外,还可通过空心化设计达到降重效果。在铸件空心化设计方面,国外已有空心铸铝支架、铸铁空心曲轴及凸轮轴等应用实例。

图17所示为空心铸件、挤压件焊接制成的支架,这个支架是工业界第一个由一个大的空心铸件和若干挤压件焊接组成的支架,达到减重10kg(约35%),比当前生产的钢支架缩减了40个组件。其中空心铸铝件合并了32个冲压钢件,并减重9.5kg(约40%),降重效果明显。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析6555-百里3182




中国一汽正推进空心轴的研发及试验验证工作。经空心化设计(表8),可实现降重45%,材料成本降低28%,降重降成本效果显著。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析2130-百里3182




2.3 集成化

集成化设计是目前汽车零部件设计的一种趋势,也是汽车铸件轻量化发展的必经之路。该设计的主导思想为通过结构优化及可靠性计算,采用铸造手段将多种成型工艺的零件集成一种零件,实现降低制造成本和轻量化的目标。集成化设计可使零件质量大大减轻,但对铸造工艺提出了更高要求。

在集成化设计方面,国外车企通过对铝合金薄壁铸造工艺的研究,实现了铸造铝合金结构件的集成化设计并投入应用(表9),有效降低了车身质量,减少工艺过程,达到轻量化与集成化的目标。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析7017-百里3182




东风汽车公司采用熔模铸造方法对商用车底盘、悬架类零件(图18)进行集成化设计,已取得较好的降重及经济效果。据资料介绍,根据零件数量及集合难易程度的不同,经集成化设计,在成本不增加的前提下,零件安全系数可提升20%左右,降重20%~30%(表10)。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析9423-百里3182



【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析6629-百里3182




中国一汽也在铸造零件的集成化方面进行深入研究,如某发动机上曾将铝合金气缸盖罩盖与凸轮轴罩盖集成一个零件;某发动机143D支架将油泵体与支架集成一个零件(图19),经过试验验证满足使用要求。除此之外,还对悬架系统中的系列零件进行集成化设计,已实现装车量产。目前正深入推进铸铝车架、车门、电池箱,铸铁桥壳等零部件的集成化设计与开发工作。

集成化设计不仅对铸造工艺要求较严,也对设计水平及材料性能提出了更高要求,需要不断创新,拓展集成化设计水平及应用效果。

3 铸造技术进步

铸造材料的不断升级及轻量化设计对铸件薄壁、空心、集成化的要求越来越高,也进一步推动了铸造工艺的不断改进及新型铸造工艺在汽车零部件上的应用。从铸件轻量化发展趋势分析,熔模铸造和(真空)高压铸造成型工艺具有显著优势。

3.1 熔模铸造技术

汽车铸件经拓扑优化后局部壁厚可降至1~6mm,采用普通砂型铸造一方面难以成型,另一方面零件外观质量也难以控制。采用熔模铸造成型不仅具有尺寸精度高、表面质量好的优点,还可制备外形复杂的铸件,是今后铸造技术重点发展方向之一。目前,中国一汽将原方案普通砂型铸造的壁厚4mm的进气管采用熔膜铸造工艺生产,壁厚仅为1mm(图20),质量由1.4kg降低为0.4kg,成本降低15元。研发及应用的壁厚2mm的挡泥板支架(图21),尺寸精度达到了CT4级,表面粗糙度达到了Ra0.4,替代了采用20#钢的挡泥板支管与QT450-10支架的焊接结构,实现降重81%,降成本46%。在JL01轻型车钢板弹簧支架开发过程中,选用高强韧铸铁QTD1050-6替代原QT450-10材质,经轻量化计算及拓扑优化,零件主体壁厚仅为4mm。对球墨铸铁材质而言,该零件若采用传统砂型铸造易出现冷隔、浇不足等铸造缺陷,并且产品外观质量难以保证,如果选用熔模铸造生产则能满足零件壁厚及外观质量要求。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析0-百里3182




在熔模铸造铝合金车门内板(图22)及车架的应用方面,紧跟国外轻量化研究进展,对整体铸造铝合金车门及车架的可行性进行分析。在整体铸造铝合金车门研发过程中,受车门尺寸较大,结构复杂,且车门上框部分壁薄中空及车门对尺寸精度要求高等不利因素的影响,铸造工艺难度大。需对车门结构进行整体优化及工艺分析,降低铸件壁厚不均匀性及铸造缺陷的发生率,提高成品率,降低制造成本。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析1039-百里3182




3.2 (真空)高压铸造技术

高压铸造是将液态或半液态金属,在高压作用下,高速填充压铸模型腔,并在压力下快速凝固而获得铸件的一种方法。高压和高速是高压铸造与其它铸造工艺的根本区别,也是重要特征。高压铸造具有生产效率高、产品质量好、尺寸稳定性好,尺寸精度高的优点。并可通过结构优化减少零件数量,一个高压铸件可以整合数十个冲压零部件,主要用于减振器支座(图23)、门边框架等零件制造。奔驰新SL大量应用铝合金高圧铸造技术,使零部件数量大大减少,其中A柱由两个铸件构成,替代原来的13个零件;前减振器支座整合了7个零件。

但高压铸造存在易产生气孔,不能热处理的不足,因此高压铸件的力学性能较金属型重力铸造件和低压铸造件低。而真空压铸工艺利用特殊设备将压铸型空腔内的空气抽出,在真空条件下压铸成形。因此,能够有效降低铸件内部气孔,并可进行热处理强化,确保铸件力学性能。同时,在真空条件下,可减少型腔内的反作用力,实现在很小的比压下用小机器来压铸较大或者较薄的铸件。

据介绍,奥迪A8(图24)车身铸铝件占27%,并且该车的前纵梁后段、后纵梁前段、前减振器支座、后减振器支座等主要结构件也都采用真空压铸薄壁铸铝件,并通过集成化设计将车身零件由先前50个缩减至29个,实现车身框架完全闭合。该种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%,还比同类车型的钢制车身车重减轻50%,降重效果明显。


【技术帖】汽车铸件轻量化的技术路线分析4688-百里3182

4 结束语

铸件材料替代、产品结构优化及铸造技术进步既是汽车铸件轻量化的3条主要技术路线又是一个协同创新的有机整体。在高性能及轻质铸造合金合理应用的基础上,对汽车铸造产品结构实行优化设计,再辅以铸造技术的进步作为实现轻量化设计思想的关键技术支撑。同时把汽车铸件的轻量化设计统筹到汽车整体优化设计中,制造出成本效益更好、质量更轻、质量更佳的轻量化汽车铸件。
来源:汽车轻量化技术专辑
作者:李伟,张鑫,成龙

发表于 2020-1-7 04:07:42 | 显示全部楼层
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在强度能够满足的情况下,我们肯定是非常乐于使用轻量化材料或设计的,只要成本能够控制住;

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发表于 2020-1-7 04:07:53 | 显示全部楼层
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轻量化技术的应用将会给汽车带来更好的发展契机

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发表于 2020-1-7 04:08:06 | 显示全部楼层
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