原標(biāo)題:差壓鑄造在鋁合金后下擺臂的應(yīng)用

摘 要:控制臂是汽車底盤安全件，而后下擺臂為控制臂的一種。目前，鋁合金后下擺臂主要為鍛造、低壓鑄造、擠壓鑄造，但由于鍛造、擠壓鑄造成本較高，主機(jī)廠選擇的較少，低壓鑄造力學(xué)性能偏低。為了滿足車輛輕量化需求，利用差壓鑄造工藝對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、CAE分析、鑄造模擬分析，最終獲得差壓鑄造下的后下擺臂產(chǎn)品，產(chǎn)品屈服強(qiáng)度240 MPa以上，抗拉強(qiáng)度310 MPa以上，伸長率平均10%，獲得滿足客戶要求的產(chǎn)品，并降低了制造成本。

前 言：麥弗遜獨(dú)立懸掛通常由減震器、彈簧、下擺臂三部分構(gòu)成，下擺臂與兩橫臂相連，當(dāng)車在凹凸不平的路面行駛時(shí)，保持車輛的穩(wěn)定，后下擺臂的材料為A356.2，結(jié)構(gòu)為兩側(cè)雙叉臂，中間設(shè)計(jì)彈簧承載面。后下擺臂承受轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞的作用力以及車身彈簧的壓力，需要具有足夠的強(qiáng)度與剛度。產(chǎn)品為汽車底盤的安全件，出現(xiàn)失效時(shí)會引起車輛轉(zhuǎn)向失控，造成乘客的傷亡。

傳統(tǒng)的方式為鍛造成形工藝、低壓鑄造工藝或者擠壓鑄造工藝，但鍛造設(shè)備、擠壓設(shè)備投資大，工藝難度大，而同樣的結(jié)構(gòu)低壓鑄造雖然成本低，但同條件下力學(xué)性能較差壓鑄造低。

同樣使用T6熱處理工藝，本企業(yè)使用低壓鑄造設(shè)備獲得的力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度不足270 MPa，屈服強(qiáng)度不足210 MPa，伸長率平均10%；而差壓鑄造設(shè)備可以將力學(xué)性能提高到：抗拉強(qiáng)度高于310 MPa，屈服強(qiáng)度高于240 MPa，伸長率10%，強(qiáng)度數(shù)值可以與擠壓鑄造力學(xué)性能媲美。

1、技術(shù)指標(biāo)要求

1.1 力學(xué)性能要求及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

后下擺臂的結(jié)構(gòu)見圖1。產(chǎn)品材料為A356.2，力學(xué)性能要求為：抗拉強(qiáng)度≥290 MPa，屈服強(qiáng)度≥220 MPa，伸長率大于8%，硬度大于HB85，熱處理按照CQI-9 T6標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖1 后下擺臂的3D模型

產(chǎn)品尺寸為：500 mm×300 mm×45 mm（高），產(chǎn)品彈簧面的平面度要求為1 mm，產(chǎn)品重量3.5 kg。

1.2 內(nèi)部組織及缺陷要求

后下擺臂的內(nèi)部缺陷需要100%的X光檢測，按照ASTM E155進(jìn)行檢測，關(guān)鍵區(qū)域的內(nèi)部缺陷不能高于1級，非關(guān)鍵區(qū)域的內(nèi)部缺陷標(biāo)準(zhǔn)不能超過2級，兩枝晶間距小于50 μm，金相檢測參照ASTM 1030執(zhí)行。

2、差壓鑄造工藝

2.1 設(shè)備介紹

本企業(yè)采用保加利亞產(chǎn)差壓鑄造機(jī)（CPC），該設(shè)備共有96路可以獨(dú)立控制的冷卻水，設(shè)備工作壓力上腔可以達(dá)到0.15 MPa，下腔可以達(dá)到0.3 MPa，設(shè)備型號為CPC-1600，可安裝最大模板直徑為1 243 mm，最大模架高度為800 mm，鋁液溫度控制精度為±5 ℃，壓力控制精度為100 Pa。

2.2 差壓工藝步驟

差壓鑄造法是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的鑄造新方法。這種方法源于低壓鑄造，它兼有低壓鑄造和壓力釜鑄造的特點(diǎn)。

本企業(yè)使用的差壓鑄造機(jī)的工藝步驟如圖2。上下腔同時(shí)增壓（圖2a）→上腔壓力保持的同時(shí)，下腔按照充型曲線進(jìn)行增壓充型（圖2b）→壓力下結(jié)晶（圖2c）→上腔泄壓下腔增壓補(bǔ)縮（圖2c）→冷卻（圖2d）→產(chǎn)品頂出（圖2d）。

圖2 拉伸試樣及拉伸夾具示意圖

差壓鑄造與低壓鑄造比主要的工藝差異為：①壓力下結(jié)晶：低壓鑄造在大氣壓下進(jìn)行結(jié)晶，差壓鑄造結(jié)晶時(shí)的壓力由設(shè)備控制，本企業(yè)的結(jié)晶壓力為0.15 MPa，高的結(jié)晶壓力可以使產(chǎn)品的力學(xué)性能有一定提升；②增壓補(bǔ)縮：差壓鑄造壓力下結(jié)晶階段結(jié)束后，上腔壓力恢復(fù)成大氣壓，坩堝與上腔的壓力差從0.06 MPa提升到0.21 MPa，補(bǔ)縮壓差比設(shè)備低壓模式的0.06 MPa高2倍以上，產(chǎn)品補(bǔ)縮能力進(jìn)一步加強(qiáng)。

3、產(chǎn)品全壽命周期流程

根據(jù)客戶提供的產(chǎn)品各安裝面的空間裝配要求以及載荷要求開始：產(chǎn)品設(shè)計(jì)→CAE分析→產(chǎn)品毛坯設(shè)計(jì)→模流分析→模具設(shè)計(jì)→產(chǎn)品試制→X光檢測→熱處理→力學(xué)性能檢測。

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中充分地考慮了差壓鑄造設(shè)備的特點(diǎn)及工藝能力，將產(chǎn)品的彈簧接觸面設(shè)計(jì)為加工余量為2 mm的毛坯面。根據(jù)后下擺臂的產(chǎn)品特點(diǎn)，將左右件設(shè)計(jì)成同一種結(jié)構(gòu)，并在產(chǎn)品上設(shè)計(jì)左右手凸臺標(biāo)識，不同機(jī)加工程序保留不同凸臺標(biāo)識。

3.2 產(chǎn)品 CAE 分析

根據(jù)客戶要求對產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度分析如圖3、疲勞分析如圖4。從分析結(jié)果上看，零件整體受力均勻，極限強(qiáng)度小于材料強(qiáng)度，從兩根縱向分布的筋向周圍平面過渡自然，沒有應(yīng)力集中的情況，強(qiáng)度分析和疲勞分析的結(jié)果均合格，作為底盤安全件，滿足客戶規(guī)定的壽命要求。經(jīng)過CAE分析產(chǎn)品滿足客戶要求。

圖3 強(qiáng)度分析

圖4 疲勞分析

3.3 產(chǎn)品毛坯設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品長度達(dá)500 mm，最薄壁厚僅6 mm，同時(shí)鑄件存在大量的平面結(jié)構(gòu)，充型時(shí)可能會出現(xiàn)鋁液匯流，產(chǎn)生氣孔，所以對產(chǎn)品做出傾斜澆注設(shè)計(jì)。根據(jù)傾斜角度進(jìn)行分型面設(shè)計(jì)以及起模斜度設(shè)計(jì)，以此保證鋁液充型平穩(wěn)無匯流產(chǎn)生氣孔風(fēng)險(xiǎn)，充型模擬見圖5。將產(chǎn)品可能產(chǎn)生憋氣的位置增加排氣網(wǎng)格，網(wǎng)格遵循鋁液充型方向，網(wǎng)格寬度為1 mm、深度1 mm，等腰直角三角形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)紋設(shè)計(jì)見圖6。

圖5 充型模擬

圖6 網(wǎng)紋設(shè)計(jì)

3.4 產(chǎn)品模流分析

由于產(chǎn)品為薄壁件，差壓鑄造由于上腔壓力大，凝固速度較低壓鑄造快，產(chǎn)品的補(bǔ)縮時(shí)間不足，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮近澆道區(qū)域的充足補(bǔ)縮，還需要考慮遠(yuǎn)澆道區(qū)域的補(bǔ)縮需求量，盡量將遠(yuǎn)澆道的補(bǔ)縮需求量降低。針對于客戶對產(chǎn)品關(guān)鍵區(qū)域的內(nèi)部缺陷不大于1級、非關(guān)鍵區(qū)域不大于2級的要求，根據(jù)模流分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)微調(diào)整，將鑄造凝固模擬的補(bǔ)縮狹長位置從關(guān)鍵區(qū)域移動到非關(guān)鍵區(qū)域，保證CAE分析中的關(guān)鍵區(qū)域不會產(chǎn)生超過1級缺陷。

從模擬中可以看出產(chǎn)品基本按照順序凝固，但由于產(chǎn)品壁厚較薄，階段凝固部分均會產(chǎn)生狹長的液相區(qū)殘留，如圖7中標(biāo)識“補(bǔ)縮”區(qū)域，需要在實(shí)際生產(chǎn)中來確認(rèn)是否會產(chǎn)生缺陷。

圖7 產(chǎn)品凝固過程模擬

產(chǎn)品的冷卻水設(shè)計(jì)如圖8，CPC設(shè)備單臺機(jī)擁有96路可以獨(dú)立控制的冷卻水，針對產(chǎn)品接近同時(shí)凝固的設(shè)計(jì)理念，對產(chǎn)品多數(shù)壁厚差異不大的位置均設(shè)計(jì)冷卻水。水溫設(shè)置為30 ℃，水流量為5 L/min。

圖8 產(chǎn)品冷卻水布局

3.5 產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)

由于差壓鑄造機(jī)合模后模具處于外罩中，合模后模具緊貼合，上腔通過外罩壓縮“O”型圈保持密封，但模具會受到外罩的尺寸差異以及模具溫度與外罩溫度差異的影響，差壓機(jī)在進(jìn)行大型產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)對模具的合模間隙要求較低壓鑄造更高。依照這種情況，模具設(shè)計(jì)過程中針對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模具增加防漏鋁結(jié)構(gòu)（圖9），在充型過程中可以保證不會產(chǎn)生持續(xù)的漏鋁，防止設(shè)備無法生產(chǎn)的情況發(fā)生。

圖9 模具防漏鋁設(shè)計(jì)

3.6 產(chǎn)品試制結(jié)果

經(jīng)過完善的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品試制過程較為順利，如圖10，產(chǎn)品整體無明顯澆不足、冷隔，產(chǎn)品上無明顯的流痕，產(chǎn)品的節(jié)拍時(shí)間約在240 s左右，按照差壓鑄造機(jī)的尺寸共可以生產(chǎn)一模4件，平均每件節(jié)拍為60 s，基本可以達(dá)到目前擠壓鑄造可以達(dá)到的節(jié)拍水平。

圖10 產(chǎn)品實(shí)物

產(chǎn)品尺寸采用3D掃描設(shè)備進(jìn)行掃描檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品兩側(cè)支臂有一定形變，如圖11，形變的原因主要來源于冷卻過程中產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生的組織應(yīng)力，從檢測結(jié)果上來看變形量小于1 mm，鑄造設(shè)計(jì)加工余量為2 mm，對加工影響較小，產(chǎn)品輪廓度要求為3 mm，滿足客戶要求。

圖11 3D掃描結(jié)果

產(chǎn)品熱處理之前硬度較低，會出現(xiàn)一定的變形，所以產(chǎn)品生產(chǎn)及周轉(zhuǎn)過程中需要使用特殊容器。產(chǎn)品內(nèi)部缺陷使用X光百分之百檢測，從實(shí)際產(chǎn)品的X檢測結(jié)果可知，缺陷等級小于1級，滿足客戶要求，如圖12。

圖12 X光圖片

產(chǎn)品本體化學(xué)成分如表1，為保證較高的力學(xué)性能，本企業(yè)采用A356.2的成分要求，并將鐵含量控制0.1%以下。產(chǎn)品力學(xué)性能數(shù)據(jù)經(jīng)過本體取樣測量見表2。

表1 產(chǎn)品本體化學(xué)成分 wB/%

表2 產(chǎn)品力學(xué)性能

力學(xué)性能可以達(dá)到：抗拉強(qiáng)度>310 MPa，屈服強(qiáng)度>240 MPa，伸長率大于8%，硬度達(dá)到HB100。與本公司較為成熟的轉(zhuǎn)向節(jié)保持相近的力學(xué)性能，滿足客戶要求。

4、結(jié)束語

后下擺臂采用差壓鑄造工藝具有很好的工藝可行性，可以在綜合成本與低壓鑄造接近的情況下將產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度提升到310 MPa，屈服強(qiáng)度提升到240 MPa，成本上也較擠壓與鍛造有一定優(yōu)勢，更加適合目前后下擺臂產(chǎn)品主要應(yīng)用的小批量高價(jià)格的乘用車使用。差壓鑄造特有的壓力下結(jié)晶以及更大的補(bǔ)縮壓差可以提高產(chǎn)品的凝固速度，達(dá)到更快的節(jié)拍。自行設(shè)計(jì)的控制臂可以根據(jù)差壓鑄造的特點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)化與減重，得到更輕量化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，未來差壓鑄造在鋁合金各類控制臂上的應(yīng)用會越來越廣泛。

作者
雙建偉
威海伯特利薩克迪汽車安全系統(tǒng)有限公司
本文來自：《鑄造》雜志