韓橋，蘭冬云（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

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液態(tài)模鍛壓鑄工藝在鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)上的應(yīng)用

韓橋，蘭冬云
（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

摘要：闡述了液態(tài)模鍛壓鑄工藝的特點和產(chǎn)品優(yōu)勢，以及液態(tài)模鍛壓鑄工藝在鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)上的應(yīng)用。同時簡單介紹了液態(tài)模鍛壓鑄工藝的生產(chǎn)流程和設(shè)備選取。指出了在鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)上采用液態(tài)模鍛壓鑄工藝是一種行之有效的先進技術(shù)。

關(guān)鍵詞：液態(tài)模鍛壓鑄;鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件;產(chǎn)品優(yōu)勢

稿件編號:1512-1168

0 前言

液態(tài)模鍛壓鑄技術(shù)作為先進的壓鑄成型技術(shù)，在國外已經(jīng)得到20多年的成熟應(yīng)用。其原理是對進入液態(tài)模鍛鑄型型腔內(nèi)的液態(tài)或半固態(tài)的金屬或合金施加較高的機械壓力，使其成形和凝固，從而獲得鑄件的一種工藝方法。由于高壓凝固和塑性變形同時存在，金屬在壓力下結(jié)晶凝固并強制消除因凝固收縮形成的縮孔縮松，因此可以獲得組織致密、無氣孔縮松等造缺陷的液態(tài)模鍛鑄件[1]。

充型和凝固是液態(tài)模鍛工藝中兩個重要的環(huán)節(jié)，低壓充型和快速高壓補縮凝固是液態(tài)模鍛鑄件組織致密的保證。

充型：全自動液態(tài)模鍛機充型采用液壓驅(qū)動，低壓充型，下端進料，上端排氣，充型速度無級可調(diào)，排氣通暢，充型過程無卷氣，鑄件內(nèi)部幾乎無氣孔缺陷。

凝固：液態(tài)模鍛需要借助較大的機械壓力（100 MPa左右）完成鑄件凝固過程中的補縮，液態(tài)金屬在此高壓下凝固時，組織細(xì)小、致密，同時無氣孔，縮松等缺陷，所得鑄件的綜合性能較高，可接近鍛件。

1 液態(tài)模鍛壓鑄工藝特點

液態(tài)模鍛是鑄鍛相結(jié)合的一種新興工藝，它既具有鑄造工藝簡單、生產(chǎn)成本低、可制件形狀復(fù)雜的優(yōu)點，又具有模鍛產(chǎn)品晶粒細(xì)密、組織均勻、力學(xué)性能好、成型精度高的特點。

①在成形過程中，尚未凝固的金屬液自始至終在等靜壓的作用下結(jié)晶凝固、流動成形；已凝固的金屬層在壓力下發(fā)生塑性變形，具有熱變形組織，晶粒細(xì)小，組織均勻，同時壓力使制件外側(cè)緊貼模具內(nèi)壁，使工件形狀尺寸準(zhǔn)確。

②由于先結(jié)晶凝固層產(chǎn)生塑性變形，要消耗一部分能量，因此金屬液經(jīng)受的等靜壓不是定值，而是隨著凝固層的增厚而下降。

③固液區(qū)在壓力作用下，發(fā)生強制性的補縮，從而能消除制件內(nèi)部縮孔疏松等缺陷，提高了制件力學(xué)性能。

④與普通熱模鍛相比，金屬液的流動性遠大于固體金屬，充填模具型腔的性能較好，能夠用一副模具一次成形形狀比較復(fù)雜的制件。

⑤密度、力學(xué)性能基本等同模鍛件。

⑥由于無需冒口補縮，因而金屬利用率高，生產(chǎn)過程節(jié)能環(huán)保。

⑦可鑄造變形合金，因此可做表面陽極氧化。

⑧液態(tài)模鍛鑄件與壓鑄鑄件不一樣，可以進行固溶及時效熱處理，以大幅度提高鋁合金的力學(xué)性能。

液態(tài)模鍛工藝與常用鑄造工藝的指標(biāo)比較見下表1。

表1 液態(tài)模鍛工藝與常用鑄造工藝指標(biāo)比較表

2 在鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用

隨著汽車行業(yè)輕量化趨勢明顯，對鋁合金部件拉動巨大，未來幾年是汽車結(jié)構(gòu)件輕量化發(fā)展的黃金時期，液態(tài)模鍛壓鑄工藝是目前最經(jīng)濟適合生產(chǎn)汽車結(jié)構(gòu)件的成型方式。

液態(tài)模鍛壓鑄工藝已經(jīng)在日本豐田、本田、馬自達等汽車企業(yè)和歐洲的德國、意大利等國得到廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)的產(chǎn)品涵蓋包括轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂、車輪、副車架、連接桿等大量汽車結(jié)構(gòu)件上和坦克履帶輪等軍工產(chǎn)品，技術(shù)和工藝風(fēng)險較少。

目前，國內(nèi)外汽車廠家采用液態(tài)模鍛壓鑄工藝所生產(chǎn)的鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件主要零部件有鋁合金活塞、鋁合金輪轂、鋁合金衡量（十字粱）、轉(zhuǎn)向節(jié)、氣囊支撐臂、汽車控制臂、制動卡鉗、鋁合金發(fā)動機支架、鋁合金變速箱以及鋁合金空壓機連桿等。

國內(nèi)汽車廠家里如東風(fēng)汽車公司、吉利汽車公司、比亞迪汽車公司、廣汽集團、長城汽車等大型汽車廠家都在采用液態(tài)模鍛壓鑄工藝所生產(chǎn)的鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件，并且使用的數(shù)量和比例在逐步增加。

圖1和圖2為采用液態(tài)模鍛壓鑄工藝所生產(chǎn)的典型鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件。

圖1 汽車控制臂

圖2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)

3 典型產(chǎn)品優(yōu)勢分析

3.1 鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)勢分析

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車極其重要的安全結(jié)構(gòu)件，在轉(zhuǎn)向、緊急制動、側(cè)滑、越過不平路面時承受多種疲勞載荷作用和意外事件的沖擊。傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主要由球墨鑄鐵鑄造而成。為了汽車輕量化和提高簧下性能，國外自十年前左右開始研發(fā)高性能鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，目前歐美、日本等許多汽車已規(guī)模化使用鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，由現(xiàn)有的鑄鐵件、鍛造件向鋁合金精確鑄造新產(chǎn)品的升級換代，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品的輕量化、高性能化和低成本化。目前國內(nèi)已有企業(yè)掌握其制造技術(shù)，成功開發(fā)了汽車轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品，并進行量產(chǎn)化。

液態(tài)模鍛代表產(chǎn)品轉(zhuǎn)向節(jié)的各類工藝及成本對比如表2。

表2 液態(tài)模鍛代表產(chǎn)品轉(zhuǎn)向節(jié)的各類工藝及成本對比表

從表中數(shù)據(jù)，可以看出液態(tài)模鍛工藝生產(chǎn)的鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)具有以下優(yōu)勢。

①產(chǎn)品質(zhì)量可以得到保證。液態(tài)模鍛工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)組織致密、氣密性好，性能接近鍛件，優(yōu)于重力鑄造和差壓鑄造。

②產(chǎn)品重量輕，有利于汽車輕量化，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。從表中可以看出，液態(tài)模鍛工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)分別比重力鑄造工藝和差壓鑄造工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)要輕1 kg和1.1 kg。

③單件產(chǎn)品采購價降低。對于客戶來講，最終采購成本是要攤到每輛整車的每個零件上的。對于同樣數(shù)量需求的轉(zhuǎn)向節(jié)，例如1萬件，不同鑄造工藝的采購成本為：液態(tài)模鍛=2.3×75×104=172.5(萬元)；重力鑄造=3.3×60×104=198(萬元)；差壓鑄造=3.4×60×104=204(萬元)。對比可以看出，雖然液態(tài)模鍛轉(zhuǎn)向節(jié)的銷售單價（按元/kg計）高于其他兩種工藝，但是對于客戶而言，由于產(chǎn)品重量降低，同等數(shù)量的轉(zhuǎn)向節(jié)綜合采購成本反而顯著降低。因此，在綜合價格優(yōu)勢方面液態(tài)模鍛是占優(yōu)的。

④產(chǎn)品尺寸精度高，減少機加工余量，從而降低內(nèi)部機加工成本和加工廢料量。

⑤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更合理，給予汽車底盤各零部件預(yù)留出更多的安裝空間。產(chǎn)品自重的降低和尺寸精度的提高，在滿足關(guān)鍵尺寸和必要結(jié)構(gòu)的前提下，帶來的必然是產(chǎn)品體積的減小，也可以形容成“瘦身”?！笆萆怼钡暮锰幘褪潜M量少的占用擁擠的底盤安裝空間，使別的底盤零部件有更大的靈活性和自由度。

采用液態(tài)模鍛壓鑄工藝生產(chǎn)的鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)各項性能如圖3。

3.2 鋁合金氣囊支撐臂優(yōu)勢分析

圖3 鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)各項性能

氣囊支撐臂是比較特殊的汽車結(jié)構(gòu)件。目前，只有在新能源電動汽車上才會使用氣囊支撐臂，在傳統(tǒng)燃油汽車中不使用這個結(jié)構(gòu)件。由于目前汽車用動力電池發(fā)展未取得突破進展，為獲得續(xù)航能力強的電動汽車就必須堅定的走輕量化道路，鋁合金件的應(yīng)用極大的降低了電動汽車的整車自重。

氣囊支撐臂作為重要的電動汽車結(jié)構(gòu)件，采用鋁合金材料是勢在必行的。目前，采用液態(tài)模鍛壓鑄工藝已經(jīng)成功批量生產(chǎn)氣囊支撐臂，而且也是目前唯一一種成功生產(chǎn)此類產(chǎn)品的鑄造工藝。

4 液態(tài)模鍛壓鑄工藝生產(chǎn)流程和設(shè)備選用

4.1 生產(chǎn)流程

一般情況下，液態(tài)模鍛車間分為鋁液熔化、液態(tài)模鍛和鑄件清理三個工段。

①鋁液熔化工段

鋁合金熔化爐的最佳選擇是采用燃天然氣的集中快速熔化保溫爐，因為該爐具有以下優(yōu)點：采用潔凈燃料，污染物少，對車間環(huán)境影響?。蝗刍俣瓤?，氧化率低，材料損失少，金屬燒損率<1.5%；爐內(nèi)設(shè)置有鋁液液位檢測裝置，防止溢流發(fā)生；鋁液溫度控制精度可達±5 ℃，鋁液的質(zhì)量高；該爐采用優(yōu)質(zhì)耐火材料，使用壽命可達3~5年。

在鋁液熔化工部設(shè)置精煉除氣設(shè)備，并采用無毒（無公害）精煉、除氣熔劑來對鋁合金液進行精煉、除氣處理。同時設(shè)置澆包預(yù)熱裝置進行澆包的預(yù)熱。采用帶鋁液保溫包叉車，負(fù)責(zé)向每臺液態(tài)模鍛機的保溫爐內(nèi)分配合格的鋁合金液，供澆注用。

②液態(tài)模鍛工段

液態(tài)模鍛工段所用鋁液從鋁液熔化工段通過叉車運送至每個液態(tài)模鍛機的保溫爐內(nèi)。液態(tài)模鍛機全部配備自動噴涂料機，自動取件機械手、銑冒口機、飛邊毛刺打磨機、鑄件輸送機。全自動液態(tài)模鍛機采用計算機管理系統(tǒng)，實現(xiàn)整個鑄造過程的檢測、存儲、計算和記錄。

③鑄件清理工段

鑄件經(jīng)過鋸冒口，打磨飛邊毛刺后，人工碼放在料框里。然后通過輸送系統(tǒng)送至熱處理工位部分（需要人工打磨的則運送至人工打磨工位）。

鑄件的熱處理采用T-6連續(xù)式熱處理爐，鑄件筐通過輥道進入熱處理爐，進行固溶、時效、淬火等工序。

熱處理后的鑄件，輸送至拋丸工位，拋丸清理采用懸鏈?zhǔn)綊佂枨謇頇C，以提高生產(chǎn)效率。

拋丸后的鑄件需經(jīng)過熒光滲透、X射線探傷等檢測手段，檢測合格的鑄件裝筐運送至機加工車間進行機加工。

液態(tài)模鍛車間生產(chǎn)工藝流程見圖4。

圖4 液態(tài)模鍛車間生產(chǎn)流程

4.2 設(shè)備選用

液態(tài)模鍛機是液態(tài)模鍛壓鑄工藝生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，一般配置其他輔助設(shè)備形成一套液態(tài)模鍛機單元。在液態(tài)模鍛機單元中可以完成鋁液保溫、鋁液澆注、模鍛成型、自動取件、銑冒口、清理飛邊毛刺等功能，從液態(tài)模鍛機單元出來的鑄件可以進行下一道工序。

典型的液態(tài)模鍛機單元布置如圖5。

圖5 典型液態(tài)模鍛機單元布置圖

5 結(jié)語

（1）液態(tài)模鍛壓鑄工藝作為一種先進的鑄造工藝已經(jīng)在鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件上得到成功且廣泛的應(yīng)用。

（2）相比于重力鑄造、差壓鑄造等傳統(tǒng)鑄造工藝，液態(tài)模鍛壓鑄工藝生產(chǎn)的鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件具有內(nèi)部質(zhì)量好、產(chǎn)量重量輕、產(chǎn)品單價采購件低、尺寸精度高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理等優(yōu)點。因此液態(tài)模鍛壓鑄工藝必將得到迅猛發(fā)展。

參考文獻

[1] 趙恒義，周天西．液態(tài)模鍛工藝及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．熱加工工藝，2000(02)：45-46．

[2] 葉四友,范宏訓(xùn),王潛.內(nèi)冷鐵在4Cr5MoSiV鋼液態(tài)模鍛中的應(yīng)用[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2010(2).

Application of liquid die forging for aluminum alloy automobile structures

HAN Qiao, LAN DongYun
(China Automobile Industry Engineering Corporation, Tianjin 300113, China)

Abstract:The paper introduces the features and product advantages of liquid die forging, and illustrates the application of liquid die forging for aluminum alloy automobile structures.The production processes and equipment selection of liquid die forging were represented.In the end, liquid die forging applied to aluminum alloy automobile structures indicated an effective advanced technique.

Keywords:liquid die forging;aluminum alloy automobile structures; product advantage; application examples

中圖分類號：TG249.2+5；

文獻標(biāo)識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0080-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.024

收稿日期:2015-12-24

作者簡介：韓橋（1982—），男，工程師，主要從事鑄造設(shè)備研究及各類鑄造車間設(shè)計.