鑄造是zui古老的金屬成形(xíng)方法之一，汽車(chē)零件(jiàn)中大約有15%~20%為采(cǎi)用不同(tóng)鑄造方法生産的鑄件，這些鑄件(jiàn)主要(yào)為動力系統關鍵(jiàn)部件和重要(yào)的結構部件。
目前歐美汽車工(gōng)業發達guojia的汽車鑄件生産技術先進，産品質量好，生産效率高，環境污染(rǎn)小。鑄造原輔材料已形成(chéng)系列化(huà)和标準(zhǔn)化，整個生産(chǎn)過程已經實現了(le)機械化、自動化和智能化。這些guojia普遍采用數字(zì)化技術提升鑄造工藝設計水平，鑄件廢品率約為2%~5%，并且(qiě)已經(jīng)建立跨國服務(wù)系統(tǒng)并實現網絡技術支持(chí)。與之相比，我國的汽車鑄件(jiàn)雖然産量較大，但大多數都是附加(jiā)值和技術(shù)含(hán)量較低(dī)，結構相對簡單的黑色鑄件，與國外水平差距較大(dà)。本文主要從汽車(chē)節能環保等方(fāng)面的發(fā)展需求，論述了汽車鑄件和汽車技術的發展方向。
1 汽車鑄件的發展方向
1.1 汽車鑄(zhù)件的集成化設計
随着汽車節能環保(bǎo)以及降低生産成本的要求不斷zeng加，充分利用鑄造成形的優勢，将原(yuán)有(yǒu)沖壓、焊接、鍛造和鑄造成形的數個(gè)零件，通(tōng)過合理的設計以及結構優(yōu)化，實現集成零件(jiàn)的鑄造成形，可以(yǐ)有效地降低零件的重量和(hé)減(jiǎn)少不必要的加工工藝過程(chéng)，從而實現零(líng)件(jiàn)的輕量化和高性能化。
圖1為一汽集團開發的一體化橋殼，用以代替(tì)焊接橋殼及帶半(bàn)軸套管鑄造橋殼的新産品，實現鑄(zhù)件的集成化鑄(zhù)造，充分利用鑄造成(chéng)形的優勢。目前常見的鑄造整體式橋殼(ké)的主要形式是在橋殼的兩端(duān)壓入無(wú)縫鋼管作為半軸套管，并用銷釘固定形成橋(qiáo)殼總成。為進一步提高橋殼的強度、剛(gāng)度和簡化工藝過程，一汽集團開發出了直接(jiē)在橋殼上(shàng)鑄出半軸套(tào)管(guǎn)(圖1橋殼兩側的部分)的一體化橋(qiáo)殼，其特點是減少加工難度，成(chéng)本降低(dī)較多，橋殼結構趨(qū)于簡單，且橋殼剛性較好，可制成複雜而理想的形狀(zhuàng)，壁厚能夠(gòu)變化(huà)，可得(dé)到理想的(de)應力分布，其強度及(jí)剛(gāng)度均較(jiào)大，工作可(kě)靠。由于集成了(le)半軸套管，鑄件尺寸顯著zeng加，鑄件長(zhǎng)2 258 mm，其單件重量超過200 kg。針對這一集(jí)成鑄(zhù)件的(de)特點，企業建立了zhuanyong生産線用以保證生産。
汽車鑄件(jiàn)集成(chéng)化的發展趨勢(shì)在有色合(hé)金鑄件方面的發展geng為明顯。為(wéi)了充分利用鑄造工藝能(néng)夠實現複雜結構(gòu)鑄件的生産的特點，出現了集成設計的車門内闆、座椅骨架、儀表闆骨架、前端(duān)框架和防火牆等集成設計(jì)的高壓鑄件，其尺寸顯著大于目前生産的鑄件，需要4 000~5 000 t甚至geng大噸位的(de)壓鑄機進行生産。
1.2 汽車鑄件的輕量化
在保證汽車的強(qiáng)度和anquan性能的前提(tí)下，盡可能地降低(dī)汽車的整備質量，實現輕量化，從而提高汽車的動力性(xìng)，減少燃料消(xiāo)耗，降低排氣污染(rǎn)。汽車整備(bèi)質量每減少100 kg，百公裡油耗可降低(dī)0.3~0.6 L，若汽車(chē)整車重量降低10%，燃油(yóu)效率可提高6%~8%。随着環保(bǎo)和節能的需要，汽車的輕量(liàng)化已經成為世界汽車發展的(de)潮流，汽車鑄件的輕量化也成為汽車鑄件的重要發展方向之一。
1.2.1 汽車鑄件的輕量化設計
出于鑄件整體anquan系數的需要，等厚度(dù)設計是(shì)汽車鑄件主要設(shè)計方法之一。然而等厚設計的主要(yào)弊端是無法充分發揮結構性能，并(bìng)導緻(zhì)鑄件重量的zeng加。采用CAE 分析、拓撲(pū)優化等手段，對零部件進行優化設計，使零部件各個部位的應力(lì)值接(jiē)近，即(jí)各個部位的壁厚不一緻，受力(lì)小的部位減薄料厚或不要材(cái)料，從(cóng)而減(jiǎn)輕零件的重量。考慮到鑄造成(chéng)形可以實現複雜結(jié)構鑄件的成形(xíng)，可以實現各種不規則的異型截面(miàn)。設計時，采(cǎi)用CAE或拓撲優化等手段，對零部件進行應力分析。根據力的分布，确定(dìng)零部件的形狀和具體(tǐ)局部(bù)的材料厚度。通(tōng)過對(duì)鑄件(jiàn)加筋、挖孔和變厚化，可使零(líng)部(bù)件的重量大(dà)大降低。
圖2 是東風精密鑄造有限公司對商用車支座進行優化設計(jì)前後(hòu)的鑄件外形對比，可見(jiàn)鑄件初始重(zhòng)量為6.6 kg，其設計為典型的等厚設計。該鑄件經(jīng)過加筋、挖孔和變截面等一系列輕量化設計方法後，鑄件重量(liàng)變為3.0 kg，減重效果可達50%以上。
1.2.2 輕合金汽(qì)車鑄件
使用鋁鎂(měi)等輕合金材料是(shì)目前(qián)各國汽車制(zhì)造商的(de)主要減重措施。鋁的(de)密度僅為鋼的1/3，且有優良的(de)耐蝕性和延展(zhǎn)性。鎂的(de)密度geng小，zhiyou鋁的2/3，在高壓鑄造條件流動性優異。鋁(lǚ)和鎂的比強度(強度與質量之比)都(dōu)相當高，對減輕自重，提(tí)高燃油效率(lǜ)有舉足輕重的作用。美國汽車業近(jìn)兩年競(jìng)争力提高(gāo)，與其大(dà)幅度采用鋁鎂結構鑄件和集成鑄件具有密(mì)切關系。
德國寶馬公司推出(chū)的新5 系列由于搭載(zǎi)了zui新一代鎂鋁複合直列六缸發動機缸(gāng)體，重量較上一代(dài)減少了10 kg，大幅提高了性能與油耗經(jīng)濟性。但是需要注意的是由于鋁鎂等輕合金的原(yuán)材料價格(gé)要遠遠高于鋼鐵材料，限制了(le)其在汽車工業中geng廣泛的應用。但是盡管原材料價格較高，目前鎂、鋁鑄件的單車用量卻連(lián)年上升。這一方面是通過(guò)技術進步彌補了成本zeng加，另一方面(miàn)則是市場(chǎng)競争迫使汽車(chē)廠商(shāng)降低利潤(rùn)而采用geng多的輕合金。然而，要使輕合(hé)金用量得到大(dà)幅度提高，降低鎂(měi)鋁錠的采購價格，開發(fā)先進成形技術(shù)是關鍵之一。
1.2.3 汽車(chē)鑄件材料的高性(xìng)能化
提高材料的性能，使得單(dān)位重量的零件(jiàn)能夠承受geng高的載荷，是有效降低鑄件重量的方法之一。支架(jià)類結構鑄件占汽車鑄件相當大的(de)比例，因而其鑄件的開發也成為關(guān)注的重點之一。通過熱處理等措施(shī)，使材料顯微組織改變，從而提(tí)高零件的強度、剛度或韌性，可以有效地降低零件重量。
等溫淬火球墨鑄鐵，不僅強(qiáng)度比普通鑄鋼材料有所提高，而且密度比鋼要(yào)低，其密度為7.1 g/cm3，而鑄鋼(gāng)的密度為7.8 g/cm3，是近年來廣泛推薦(jiàn)采用的材料。采用等溫淬火球墨鑄(zhù)鐵，在鑄件尺寸(cùn)相同的條(tiáo)件下，比鑄(zhù)鋼件輕10%。東風汽(qì)車公司在某型商用(yòng)車進行了采用(yòng)等溫淬火球墨鑄鐵(tiě)替代鑄鋼件的輕量化驗證工作，并(bìng)針對(duì)等溫淬火球墨(mò)鑄鐵(tiě)件高強度(dù)特點，對14個懸(xuán)架類零件進專家(jiā)論壇行重新設計。表1為采用等溫淬火球墨鑄鐵材(cái)料替代後(hòu)的輕(qīng)量化效果，總重量減輕近(jìn)40%，效(xiào)果顯著。需要說明的是表1 中的輕量化效果(guǒ)不僅僅是材料(liào)替代産生的，還(hái)包括輕量化設(shè)計的貢獻。一般來(lái)說，汽車鑄件的材料替換往往伴随着零件的輕量化(huà)設計。
在鋁(lǚ)合金和鎂合金鑄件方面也采用了高強、高韌的材料進行替代，在原有輕合金(jīn)減重的基礎上，應用高性能材料進行進一步減重,美(měi)國通用汽車公司采用高性能的(de)AE44合金取(qǔ)代原(yuán)有的鋁合金，采用高壓鑄(zhù)造的方法(fǎ)生産副車架，在鋁合金減重的基礎上進一步減重6 kg。
1.3 汽車鑄件開發數字化
汽(qì)車鑄件開發與數字(zì)技術的全面結合可以顯著地提升鑄造技術水平，縮短産品的設計和試制周期。目前數字制(zhì)造技術已經廣泛應(yīng)用于汽車鑄件的開發。在鑄件結構設(shè)計及鑄造工藝設計階段，Pro/E，CATIA，和UG 等(děng)三維(wéi)設計軟件已經獲得(dé)了廣(guǎng)泛的應用，部分先進的鑄造企(qǐ)業已經實現了無紙化設計。MAGMA，ProCAST以(yǐ)及華鑄CAE 等軟件已經被廣泛用于(yú)汽車鑄件凝(níng)固過程、顯微組織、成分偏析和材質性能等方面的模拟，還可以對鑄造過程(chéng)中的速度場、濃度場、溫度場、相場、應力場等方面的模拟，能夠确保在批量生産前使工藝(yì)方(fāng)案得到優化。
為适應汽車鑄件快速開發的需求，在CAD/CAE的設計與(yǔ)開(kāi)發的基礎上，RP(快速原(yuán)型(xíng)技術)已經被廣泛用于汽(qì)車鑄件的(de)快速試制。在獲得CAD/CAE 原始數據後(hòu)，采用逐層(céng)堆積的方法(fǎ)，通過粘(zhān)結，熔結或燒結的方(fāng)式獲得鑄件原型或(huò)形成(chéng)鑄件所需模具的原型(xíng)。前者可用熔(róng)模鑄造，石膏型(xíng)鑄造等方法試制鑄(zhù)件樣(yàng)件，後者可直接作為模具制造(zào)砂芯，通過組芯造(zào)型而澆注出鑄件。此外，還可以用粉料激光燒結法（SLS），直接完成砂芯(xīn)和砂型(xíng)的制(zhì)作，從而獲得鑄件試制所(suǒ)需要的砂型。對于結(jié)構相對簡單的外模，還可以采用數(shù)控機床，用可加工塑料進行(háng)CAM加工，從而獲得鑄(zhù)件試制所(suǒ)需的芯盒和模樣(yàng)，或是直接對砂塊進行加工，直接(jiē)獲得外模的砂型。
總體上說，數字化技術已經貫穿鑄件的設計、開發以及試制的各個環節，有效提高了鑄件的開發速度和效(xiào)率。目前主要存(cún)在的問題是設計(jì)、分析和快速制造等方面的數字化(huà)技術各(gè)自獨立，當開發過程由一個階(jiē)段向另一個階(jiē)段轉化時，還需要進行相當繁瑣的(de)數據轉換(huàn)工作。希(xī)望在将來能(néng)夠針對鑄件開發各個環節所應用的數(shù)字化技術開發出(chū)統一的數據(jù)接口平台(tái)，建立标準化的數據轉換标準，實現不(bú)同軟件之(zhī)間(jiān)數據的無縫轉換，從而geng進(jìn)一步的提高鑄件的開發(fā)速(sù)度。
2 汽車鑄造技術的發展方向
2.1 薄壁複雜結構鑄件的(de)生産技術
随着(zhe)汽車工業的發展和節能減排(pái)的需(xū)求，汽車零件日(rì)趨輕(qīng)量化，通過薄(báo)壁(bì)化設計，實現輕量化是發(fā)動機缸體的重要發展方向(xiàng)。以一(yī)汽(qì)鑄造有限公司為一汽大衆公司生産鑄鐵缸體為例，早期生産(chǎn)的06A 缸體壁厚4.5mm±1.5 mm，EA111 缸體壁厚4 mm±1 mm，目前批量生産(chǎn)的EA888Evo2 缸體壁厚3.5 mm±0.8 mm，下(xià)一代EA888Gen.3 缸體産品結構則geng為複雜，其壁厚僅為3mm±0.5 mm，是目前zui薄的灰口鑄鐵缸體(tǐ)。盡管批量生産中存在着斷(duàn)芯、漂芯以及壁厚尺寸波動較大的問題，但(dàn)是通過控制砂芯和型砂的質量，采(cǎi)用目前廣泛使用的水平卧澆工(gōng)藝(yì)還是能夠滿足EA888Evo2 缸(gāng)體的生産要求，但無法滿足EA888Gen.3 缸體的生産要求，必須采用整(zhěng)體組(zǔ)芯立澆工藝。
圖3示出了水平卧澆和組芯立澆示意圖。針對缸體3 mm薄壁特點，組芯(xīn)立澆工藝對制芯(xīn)和組芯都提出(chū)了苛刻的要求。制芯(xīn)中心可(kě)實現制芯生産的高度智能化、自動化。從(cóng)原砂、樹脂的加入，混砂、制芯、修芯、組裝、塗料和烘幹到造型(xíng)以及組下芯(xīn)全過程均可以實現高度自(zì)動化，使砂芯制芯質量、組裝質(zhì)量即尺寸精度和塗料烘幹質量等得到了穩定的(de)保(bǎo)證，從而避免了因人為因素而造成的質量和尺寸風險，适應大批量汽缸體制芯生産的(de)需要。能夠有效解決大批量生産時，廢品率不穩定(dìng)和居高不下的問題(tí)，同時由于砂芯尺寸精(jīng)度的提高，也ji大地降低了清理工作量和(hé)成本，并且完全能夠有效保證3mm壁厚尺寸要求。
2.2 鋁(lǚ)鎂合(hé)金大型結構件的制造技術
随着節能、環保以及(jí)降低部件成本的要求不斷zeng加，鋁(lǚ)鎂合金大型結構鑄(zhù)件已經成為重要的發展趨勢，其制造技(jì)術也成為目前的(de)開(kāi)發熱點。目前鋁鎂合金大型結構件的主(zhǔ)要生(shēng)産技(jì)術有高壓鑄造(zào)、擠壓鑄造和低壓鑄造。由(yóu)于高壓鑄造生産效率高，産品(pǐn)質量好已經成為目(mù)前主要的(de)生産(chǎn)工藝，其制造技術的開發主要集中在對高壓鑄造過程中容易卷氣，鑄件内部容易形成氣(qì)孔，不能進行熱處理(lǐ)問題的改進。
德國富來公(gōng)司開發了真空負壓吸鑄工藝，其工作原理如圖4 所示，整個壓鑄過程都(dōu)在高真空狀态下（低于30 mbar）進行。金屬液(yè)通過(guò)真空狀态下的模具、壓室和吸管在無氧化情況下由吸管從熔爐(lú)中吸入，脫模劑的蒸汽也由真空系統排出。上述真空負壓吸鑄工藝的主要特點是：在開始定量(liàng)澆注時，整個系統就處(chù)于高真空狀态下(xià)；在定量澆注過程中，可(kě)有效地排出型腔和金屬熔體中(zhōng)的氣體；澆注過程(chéng)中金屬熔體無氧化；澆注過程中無熱損(sǔn)失，可(kě)以采用geng低的澆注溫度(dù)進行澆注，并在實時監控下(xià)進行無擾動(dòng)層流(liú)充填。上述工(gōng)藝已經成功地應用于汽專家論壇車結構鑄件的批(pī)量生産，為(wéi)高質量的輕合(hé)金鑄件的應用提供了先進的成型方法與工藝。
瑞士的布勒公司開發了用于結構鑄件生(shēng)産的雙回路真空系統，該生産技術稱為結構(gòu)件生産技術，如圖5所示。采用結構(gòu)件生産技術可以提高抽真空的速(sù)度，從而獲得穩定的生(shēng)産條件，顯著提(tí)高壓鑄件的質(zhì)量。如圖5所示，雙回路真(zhēn)空系統中的一個回路的抽氣口設置在壓室的上端，主(zhǔ)要用于壓室内的空氣抽出。當壓(yā)射沖頭前行封住澆料口時啟(qǐ)動，在沖頭(tóu)即将封住(zhù)抽氣口的瞬(shùn)間(jiān)關閉。另一個回路設(shè)置與傳統的真空工藝相同，主要用于型腔内(nèi)的(de)空(kōng)氣抽出。目前該技術已經(jīng)成功的應(yīng)用于乘用車的鋁合金集成減震塔，車門内闆和車身縱梁等部件的制造。
2.3 鑄件精确鑄造成形技術
通常所說(shuō)的汽車鑄件(jiàn)精确鑄造成形主要是指消失(shī)模和熔模鑄(zhù)造技術。随着汽車(chē)鑄件成形技術的發展，鑄造精确成形是指一類鑄造成形(xíng)方(fāng)法。通過這一類成形(xíng)方法生産出的(de)鑄件無需經過切削或是少切削(xuē)即可直接使(shǐ)用。随(suí)着對鑄件尺寸精度要求的提高，鑄造精确成(chéng)形技術近年來得到了迅速發(fā)展，出現了(le)精确砂型鑄造，消失模鑄造、可控壓力鑄造、壓力鑄造等一系列新的鑄造成形方法(fǎ)。Cosworth 鑄造方法是由英國開發的一種(zhǒng)采用锆砂砂芯組合(hé)并(bìng)用電磁泵控制澆注的方法，已經成功用于鋁合金缸體(tǐ)的批量生産，并已經出現了許多工藝(yì)變種，如采用低壓澆注取代電(diàn)磁泵(bèng)澆注等工藝。采用該類鑄(zhù)造方法可以生産壁厚為3.5~4.0 mm的鋁(lǚ)合金缸體，是目前精确砂型鑄造的代表工藝。
消失模鑄造工藝自1965年(nián)發明至今，主要生産的(de)汽車(chē)鑄件為缸體、缸蓋、進排氣管等産品，并形(xíng)成了規模生産。我國自20 世紀90 年代引進消失模鑄造技術，目前已初具規模，并被guojia重點推廣而成為(wéi)改造傳統鑄造(zào)業應用zui為廣泛的高新技(jì)術。目前我國有水玻璃制殼，複合制殼和(hé)矽溶膠制殼三種熔模精密鑄造工藝，其(qí)中用于汽車産品生産矽溶膠制殼工藝的鑄件表面質量可以達到Ra 1.6 μm，尺寸精度可達CT4 級，zui小壁厚可以做(zuò)到0.5~1.5 mm。東風汽車精密鑄造有限公司采用(yòng)矽溶膠+水玻璃複(fú)合型制殼工藝生産複雜結(jié)構集成鑄件，顯著降低了生産(chǎn)成本。熔模精(jīng)密鑄造技術成型工藝的發展趨勢是鑄件離zui終産品的(de)距離越來越近，産品的複雜程度和質量(liàng)檔次越來越高，CAD、CAM和CAE的(de)應用成為産品開發主要(yào)技術，major化協作開始(shǐ)顯現。
在高壓鑄造(zào)工藝基礎上開發的真空鑄造、充氧壓鑄、半固态金屬流變(biàn)或觸變壓鑄等工藝方法，旨在(zài)消除鑄件缺陷，提(tí)高内部質量，并擴大壓鑄件的應用範圍(wéi)。擠壓鑄造過程中，熔體在(zài)壓力下充型和凝固，具有平穩、無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節能、操作anquan和減少鑄件孔洞(dòng)類缺陷等優點，在(zài)鋁(lǚ)合金副車架等(děng)高性能鋁合金鑄件的開發與應用(yòng)方(fāng)面獲得了廣泛的(de)應用。
汽車(chē)産量的不(bú)斷zeng長迫切要求(qiú)鑄造生産向高質量、優性能、近淨形(xíng)、多品種、低消耗、低成本的方向發展。由于一輛整車約15%~20%的零件是鑄件。這就要求鑄造行業要不斷應用(yòng)各種新(xīn)技術、新材料(liào)來提升鑄造整體水平。鑄件精(jīng)确鑄造成形技術能夠(gòu)滿(mǎn)足汽車鑄件的上述要求，其應用也将涵蓋汽車鑄(zhù)件的不同鑄(zhù)造生産過程中。
3 結語
為适(shì)應日益(yì)苛刻(kè)的環(huán)保法規的要求，汽車正在向輕量化(huà)方向發展。汽車自重每降(jiàng)低減少10%，油(yóu)耗可減少5.5%，燃料經濟性可提高(gāo)3%~5%，同時(shí)降低排放10%左右。應用鋁鎂等有色合(hé)金鑄件，開發大型複雜結構集(jí)成鑄件以及(jí)廣泛應用(yòng)鑄件精确成形技術是(shì)實現汽車鑄件輕量化的(de)主要途徑(jìng)。因而要求在廣(guǎng)泛采用數字技(jì)術的基礎(chǔ)上，通過高性能鑄造材料(liào)，自動化設備的廣(guǎng)泛應用等手段實現汽車鑄件的研發與(yǔ)生産，滿足現代汽車工業的需求。
河北峻雅精密機械有限公司，始建于2017年，是一家集産品(pǐn)設計，模具開發，鑄(zhù)造，加工，表面處理(lǐ)，檢測與檢驗及(jí)銷售服務為一體的企業。工廠占地面積5000平米，坐落于美(měi)麗的渤海之濱河北省黃骅市經濟(jì)技術開發區。公司地理(lǐ)位置youyue，交通便利。公司經過多年的(de)發展，先後引進各種行業先進的生(shēng)産設備和管理(lǐ)經驗，并培(péi)養了數十名excellentmajor的研發(fā)和技(jì)術人才。
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