鑄造是zui古老的金屬成(chéng)形方法之一，汽(qì)車零件中(zhōng)大約有15%~20%為采用不同鑄造方法生産的鑄件，這(zhè)些鑄件主要為動力系統關鍵(jiàn)部件(jiàn)和重(zhòng)要的結構部件。
目前歐美汽車工業發達guojia的汽車鑄件生産技術先進，産品質量好，生産效率(lǜ)高，環境污染小。鑄造原輔材料已形成系列(liè)化和标準化，整個生産過程已經實現了機械化、自動化(huà)和智能化。這些guojia普遍采(cǎi)用數(shù)字化技術提升鑄造工藝(yì)設計水平，鑄件廢品率約為2%~5%，并且已(yǐ)經建立跨國服務(wù)系統并實現網絡技術(shù)支持。與之相(xiàng)比，我國的汽車鑄件雖然産量較大，但大多數都是附加值和技術含量較低，結構相對簡(jiǎn)單的黑色鑄件(jiàn)，與(yǔ)國外水平差距較(jiào)大。本文主要從汽車節能環保等方面的發展需求，論述了汽車鑄件和(hé)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(huán)保以及降低生産(chǎn)成本的要求不斷zeng加，充分利用鑄造(zào)成形(xíng)的優(yōu)勢，将(jiāng)原有沖壓、焊接(jiē)、鍛造(zào)和鑄造成形的(de)數個零件，通過合理(lǐ)的設計以及結構優化，實現集成零件的鑄造成形，可以有效地降低零件的重量和減少不必要的加工工藝過程，從而實現零件的輕量化和(hé)高性能化。
圖1為一汽集團(tuán)開發的一體化橋殼，用以代(dài)替焊接橋殼及帶半軸(zhóu)套管鑄造橋殼的新産品，實現鑄件的集成化鑄造，充分利用鑄造(zào)成形的優勢。目前常見的鑄造(zào)整體式橋殼的主要形式是在橋殼(ké)的兩端壓入(rù)無(wú)縫鋼管作為半軸套(tào)管，并用銷釘固定形成橋殼總成。為進一步提高橋殼的強度、剛(gāng)度和簡化工藝過程，一汽(qì)集團開發出了直接在(zài)橋殼上鑄出半軸套管(圖1橋殼兩側的部分)的(de)一體化橋殼，其特點是減少加工難度，成本降低較多，橋殼結(jié)構趨于簡單，且橋殼剛性(xìng)較好，可制成複雜(zá)而理想的形狀，壁厚能夠變(biàn)化，可(kě)得到理想的應(yīng)力分布，其強度及(jí)剛度均(jun1)較大，工作可靠。由于集成了半軸套管，鑄件尺寸顯著zeng加，鑄件(jiàn)長2 258 mm，其單件重量超過200 kg。針對這(zhè)一集成鑄件的特點，企業建立了zhuanyong生産線用(yòng)以保證生産。
汽車鑄(zhù)件集成化的發(fā)展趨勢在有色合金鑄件方面的發展geng為明顯。為了充分利用鑄造(zào)工藝(yì)能夠實現複雜結(jié)構鑄件的生産的(de)特點，出現了集(jí)成(chéng)設計的車門内闆、座椅骨架、儀表闆骨架、前端框架(jià)和防火牆等(děng)集成設計的高壓鑄件，其尺寸顯著大于(yú)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(chǎn)。
1.2 汽車鑄件的輕量化
在保證汽車的強度和anquan性能的前提下，盡可能(néng)地降(jiàng)低汽車的整備質量，實現輕量化，從(cóng)而提高汽車的動力(lì)性，減(jiǎn)少燃料消耗，降(jiàng)低排氣污染。汽車整(zhěng)備質量每減少(shǎo)100 kg，百公(gōng)裡油耗可降低0.3~0.6 L，若汽(qì)車整車重量降低10%，燃(rán)油效(xiào)率可提高6%~8%。随着(zhe)環保和節(jiē)能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展(zhǎn)的潮流，汽(qì)車鑄(zhù)件的(de)輕量(liàng)化也成為汽車鑄件(jiàn)的重要發展方(fāng)向之一。
1.2.1 汽車鑄件的輕量化設計
出于鑄(zhù)件整體anquan系數的需要，等厚度設計是汽車鑄件主要(yào)設計方法(fǎ)之一。然而等厚設計的主要弊端是無法充分發揮結構性能，并導緻鑄件重量的zeng加。采用CAE 分析、拓撲優化等手段，對(duì)零部件進(jìn)行優化(huà)設計，使零部件各(gè)個部位的應力值(zhí)接近，即各個部位的壁(bì)厚不一緻，受(shòu)力小的部位減薄料(liào)厚或不要材料，從(cóng)而減輕零件的(de)重量。考(kǎo)慮到鑄造(zào)成形可以實現複雜結構鑄件的成形，可以實現各(gè)種不規則的(de)異型截面。設計時(shí)，采用CAE或(huò)拓撲優(yōu)化等手段，對零(líng)部件進行應力分析。根據力的分布，确定零部件的形狀和具(jù)體局部的材料厚度。通過對鑄件加筋、挖孔和變厚化，可使零部件的重量大(dà)大降低。
圖(tú)2 是東風精密鑄造有限公司(sī)對商用車支座(zuò)進行優化設計前後的鑄件外形(xíng)對比，可見鑄件初始(shǐ)重量為6.6 kg，其設計為(wéi)典型的等厚設計。該鑄件經過加筋、挖孔和變截面等一系列輕量化設計(jì)方法後，鑄件重量變為3.0 kg，減重效(xiào)果(guǒ)可達50%以上。
1.2.2 輕合金汽車鑄件(jiàn)
使用鋁(lǚ)鎂等輕合金材料是目前各國汽車制造商的主要減重措施。鋁的密(mì)度僅為鋼的1/3，且有優良的耐蝕性和(hé)延展性。鎂(měi)的密度geng小，zhiyou鋁的2/3，在高壓鑄造條件流動性優異。鋁和鎂的比強度(強度與質量之比(bǐ))都相當高，對減輕自重，提高燃油效(xiào)率有舉足輕重的作用。美國汽車業近兩年競争力提高，與其大幅度采用鋁鎂結構鑄件和集(jí)成(chéng)鑄件具有密切關系。
德國寶馬(mǎ)公司推出的新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體，重量較上一(yī)代減(jiǎn)少了10 kg，大幅提高了性能與油耗經濟性。但(dàn)是需要注意的是由于鋁鎂等輕合金的原材料價格要遠遠(yuǎn)高(gāo)于鋼鐵材料，限制了其在汽車工業中geng廣泛的應用。但是盡管原材料價格較高，目前鎂、鋁鑄件(jiàn)的單車用量卻(què)連年上升。這一方面是通過技(jì)術進步彌補了成本zeng加，另一(yī)方面則是市場競争迫使(shǐ)汽車廠商降低利(lì)潤而采用geng多的輕合金。然而，要使輕合金(jīn)用量得到大(dà)幅度提高，降低鎂(měi)鋁錠的采(cǎi)購價格(gé)，開發先進成形技(jì)術是關鍵之一。
1.2.3 汽車鑄件材料的高(gāo)性能化
提高材料的性能，使得單位(wèi)重量的零件能(néng)夠承受geng高的載荷，是有效降低鑄件重量的方(fāng)法之一。支架類結構鑄件(jiàn)占(zhàn)汽車鑄件相當大(dà)的比例(lì)，因(yīn)而其鑄件的開(kāi)發也成為(wéi)關注的重點之一。通過熱處理等措施，使材料顯微組織改變，從而提高(gāo)零件的強度、剛度或韌性(xìng)，可以有效地降低零件重量。
等溫淬火球墨鑄(zhù)鐵，不僅強度比(bǐ)普通鑄鋼(gāng)材料(liào)有所(suǒ)提高，而且密度比鋼要低，其密度為(wéi)7.1 g/cm3，而鑄(zhù)鋼的密度為7.8 g/cm3，是近年(nián)來廣泛推(tuī)薦采用的材料(liào)。采用等溫淬火(huǒ)球墨(mò)鑄鐵，在鑄件(jiàn)尺寸(cùn)相同的條件下，比(bǐ)鑄鋼件輕10%。東風汽車公司在某型商用車進行了采用(yòng)等(děng)溫(wēn)淬(cuì)火球墨鑄(zhù)鐵替代鑄(zhù)鋼件的輕量化驗證工作(zuò)，并針對等溫淬火球(qiú)墨鑄(zhù)鐵件高強度特點，對14個懸架類零件進專家論壇行重新設計。表1為采用(yòng)等溫(wēn)淬火球墨鑄鐵材料替代後的輕量化效果，總重量減輕近(jìn)40%，效果顯(xiǎn)著。需要說明的是表1 中的輕量化效果不僅僅是(shì)材料替代産生的，還包括輕量化設計的貢獻。一般來說，汽車鑄(zhù)件的材料替換往往伴随着零件的輕量化設計。
在鋁合金和鎂合金鑄件方(fāng)面也采用(yòng)了高強、高韌的材料進行替代，在原有輕合金減重的基礎上，應用(yòng)高性能材料進行進一步減重(zhòng),美國通用汽車公司采用高性能的(de)AE44合金(jīn)取代原有的鋁合金，采用高(gāo)壓鑄造的方法生産副(fù)車架，在鋁合金(jīn)減重的基(jī)礎上進一步減重6 kg。
1.3 汽車鑄件開(kāi)發數字化
汽車鑄件開發與數(shù)字技(jì)術的全面結合可以顯著地提升鑄(zhù)造技術水平，縮(suō)短(duǎn)産品的設(shè)計和試(shì)制周期。目前數字制造技術已經廣(guǎng)泛應用于汽車鑄件的開發。在鑄件結構設計及鑄造工藝設計階段，Pro/E，CATIA，和(hé)UG 等三維設計軟件已經獲得了廣泛的應用，部分先進的鑄造企業已經實現(xiàn)了無紙化設計。MAGMA，ProCAST以及華鑄CAE 等(děng)軟(ruǎn)件已經被廣泛用于汽車鑄件凝固(gù)過程、顯微組織、成分偏析和材質性能等方面的模(mó)拟，還可以對鑄造過程中的速度場、濃度場、溫度場、相場、應力場等方面(miàn)的模拟，能夠确保在(zài)批量生産前使工藝(yì)方案得到優化。
為适(shì)應汽車鑄(zhù)件快速開發的需求(qiú)，在CAD/CAE的設計與開發的基礎上，RP(快速原型技術)已經被廣泛用于汽車鑄件的快速試制。在獲得CAD/CAE 原始數據後，采(cǎi)用逐層堆(duī)積的方法，通過粘結，熔結或(huò)燒結的方式獲得(dé)鑄件原型(xíng)或形成鑄件所需模(mó)具的原型。前者可(kě)用(yòng)熔模鑄造，石膏型鑄造等方法(fǎ)試制鑄件樣(yàng)件，後者可直接作為(wéi)模具制造砂芯，通過組芯造型而(ér)澆注出鑄(zhù)件。此外，還可以用粉料激光燒結法（SLS），直接完成砂芯和砂型的(de)制作，從而獲得鑄件試制所(suǒ)需要的砂型。對于結構相對簡單的外模，還可以(yǐ)采用數控機床，用可加工塑料進行CAM加工(gōng)，從而獲得鑄件試制所需的芯盒和(hé)模樣，或是直接對砂塊進(jìn)行加工，直接獲得外(wài)模的砂型。
總體上說，數字(zì)化技術已經貫穿(chuān)鑄件(jiàn)的設計、開發(fā)以及試制的各個環節，有效提高(gāo)了鑄件的開發速度和效率。目前主要存在的問題是設計、分析和快(kuài)速制造等方面的數字化技術各自獨立，當開(kāi)發過程由一個階段向另一個(gè)階段轉化時，還需要進行(háng)相當繁瑣的數據轉換工作(zuò)。希望在将來能夠(gòu)針對鑄件開發各個環節所應用的數字化技術開發出統一的數(shù)據接(jiē)口平台，建立标準化的數(shù)據轉換标(biāo)準，實現不同軟件之(zhī)間數據的無縫(féng)轉換，從而geng進一(yī)步的提高鑄件的開發速度。
2 汽車鑄造技(jì)術的發展方向
2.1 薄壁複雜結構鑄件的生産技術
随着汽車工業的發展和節能減排的需求，汽車零件日趨輕量化，通過薄(báo)壁化設計，實現輕量化是(shì)發動機缸(gāng)體的重要發展方向。以一汽鑄造有(yǒu)限公司為一汽大衆公司生産鑄鐵缸體為例，早期生産的06A 缸體壁厚4.5mm±1.5 mm，EA111 缸(gāng)體壁厚4 mm±1 mm，目前批量生(shēng)産的EA888Evo2 缸體(tǐ)壁厚3.5 mm±0.8 mm，下一代EA888Gen.3 缸體産品結構則geng為複雜，其(qí)壁厚僅為3mm±0.5 mm，是目前zui薄的灰口鑄(zhù)鐵缸(gāng)體。盡管批量生産中存在着(zhe)斷芯、漂芯以及壁(bì)厚尺寸波動較大的問題，但是通過控制砂芯和型砂的質量(liàng)，采用(yòng)目前廣泛使用的水平卧(wò)澆工藝還是能夠滿足EA888Evo2 缸體的(de)生産要求(qiú)，但無法滿足EA888Gen.3 缸體的生産要求，必須采用整體組芯立澆工藝(yì)。
圖3示出了(le)水平卧澆和組芯立(lì)澆示意圖。針對(duì)缸體3 mm薄壁特點，組芯(xīn)立澆工(gōng)藝對制(zhì)芯和組芯都提(tí)出了苛刻的要求。制芯(xīn)中心可實現制芯生産的高度智能化、自動化。從原(yuán)砂(shā)、樹脂的加入，混砂、制芯、修芯、組裝、塗(tú)料和烘幹到造型以及組下芯全過程均可以實現高度自動化，使砂芯制芯質量、組裝質量即尺寸精度和塗料(liào)烘幹(gàn)質量等得到了穩定的(de)保證，從而避免了(le)因人為因素而造成的質量和尺寸風險，适應大批(pī)量汽缸體制芯生産(chǎn)的需要。能夠有效解決大(dà)批量生産(chǎn)時，廢(fèi)品率不(bú)穩定(dìng)和居高不下的問(wèn)題，同時由于砂芯尺寸精度的提高(gāo)，也ji大地降低了清理工作量(liàng)和成本，并且完全(quán)能夠有效保證3mm壁厚尺寸(cùn)要求。
2.2 鋁鎂(měi)合金大型結構件的制造技術(shù)
随着節能、環保以(yǐ)及降低部件(jiàn)成本的(de)要求不(bú)斷zeng加，鋁鎂合金大型結構(gòu)鑄(zhù)件已經成為重要的發展趨勢，其制造技術也成(chéng)為目前(qián)的(de)開發熱點。目前鋁鎂(měi)合金大(dà)型結構件的主(zhǔ)要(yào)生産技術有高壓鑄造、擠壓鑄造和(hé)低壓鑄造。由于高壓鑄(zhù)造生産(chǎn)效率高，産品質量好已經成為目前主要的生(shēng)産工藝，其制造技術的開發主要集中在對高(gāo)壓(yā)鑄造過程中容易卷氣，鑄件内部容易(yì)形成氣孔，不能進行(háng)熱處理問題的改進。
德國富來(lái)公司開發了真空負壓(yā)吸鑄工藝，其工作原理如圖4 所(suǒ)示，整個壓鑄過程都在高真空狀态下（低于30 mbar）進行。金屬液通過真空狀态下(xià)的模具、壓室和(hé)吸管在無氧化情況下由吸管從熔爐中(zhōng)吸入，脫模劑的蒸汽也由真空系統排出。上述真空(kōng)負壓吸鑄工藝的主要特點是：在開始定(dìng)量澆(jiāo)注時，整個系統就處于高(gāo)真空狀态(tài)下(xià)；在定量澆注(zhù)過程(chéng)中，可有效(xiào)地排出型腔和金屬熔體中的氣體；澆注過程(chéng)中金屬熔體無氧(yǎng)化；澆注過程中無熱(rè)損失，可(kě)以采用geng低的澆注溫度進行澆注，并在實時(shí)監控下進行無擾動層流充填。上述工藝已經成功地(dì)應用(yòng)于汽專家論壇車結構鑄件的(de)批(pī)量生産，為高質量的輕合金鑄件的應用提供了先進的成型方法與工藝。
瑞士的(de)布勒公司開發了用于結構鑄件生産的雙回路真空系(xì)統(tǒng)，該生産技(jì)術稱為結(jié)構件(jiàn)生産技術，如圖5所示。采用結構(gòu)件生産技術可(kě)以提(tí)高抽(chōu)真空的速度，從而獲得穩定的(de)生産條件，顯著提高壓鑄件的(de)質量。如圖5所示，雙回路真空系統中的一個回路的抽氣口設(shè)置在壓室(shì)的上端，主要用于壓室内的空氣抽出。當(dāng)壓射沖頭前行封住澆料口時(shí)啟(qǐ)動，在沖頭即将封住抽氣口的瞬間關閉。另一個(gè)回路設置與傳統的(de)真空工(gōng)藝相同，主(zhǔ)要用于型腔内的空氣抽出。目前該(gāi)技術已(yǐ)經成功的應用于乘用車的鋁合金(jīn)集成減震塔，車門内闆和車身縱梁等部件的制造。
2.3 鑄(zhù)件精确鑄造成形技術(shù)
通常所說的汽車鑄件精确鑄造(zào)成形主要是指消(xiāo)失模(mó)和熔模鑄造技術。随着汽車鑄件成形技術的發展，鑄造精确成(chéng)形是指一類鑄造成形方法。通過(guò)這一(yī)類成形方法生産(chǎn)出的鑄(zhù)件無需經過切削或是少切削即可直(zhí)接使用(yòng)。随(suí)着對鑄件尺寸精度(dù)要求的(de)提高，鑄造精确成形(xíng)技術近年來得到了迅速(sù)發展，出現了精确砂型鑄造，消失模鑄造(zào)、可控壓力鑄造、壓力鑄造等一系列新的鑄造成形方法。Cosworth 鑄造方法是由英國開(kāi)發(fā)的一種(zhǒng)采用锆砂砂芯組合并(bìng)用電磁泵控制澆注的方(fāng)法，已(yǐ)經成功用于鋁合金缸(gāng)體的批量生産，并已經出現了許多工(gōng)藝(yì)變種，如采用低壓澆注取代電磁(cí)泵澆注等(děng)工藝。采用該類(lèi)鑄造方法可以生産壁厚為(wéi)3.5~4.0 mm的(de)鋁合金缸體，是目前精确砂型鑄造的代表工藝。
消失模鑄造工藝(yì)自1965年發明至今，主要生産的汽車鑄件為缸(gāng)體、缸(gāng)蓋、進排氣管等産品，并形成了規模生(shēng)産。我(wǒ)國自20 世紀90 年代(dài)引(yǐn)進消失(shī)模鑄造技術，目前已初(chū)具規(guī)模(mó)，并被guojia重點推廣而成為改造(zào)傳統鑄造業應用zui為(wéi)廣泛的高新(xīn)技術。目前我國有水玻(bō)璃制殼(ké)，複(fú)合制殼和矽溶膠(jiāo)制殼三種熔模精密鑄造工藝，其中用于汽車(chē)産品生産矽溶膠制殼工(gōng)藝的鑄件表面質量可以達到Ra 1.6 μm，尺寸精度(dù)可達CT4 級，zui小壁厚可以做到0.5~1.5 mm。東風汽車精密(mì)鑄造有(yǒu)限公司采用矽溶膠+水玻璃複合型制殼工藝生産複雜結構集成鑄件，顯著降低了生(shēng)産成本。熔模精密鑄造技術(shù)成型工藝的發展趨(qū)勢是鑄件離zui終産品(pǐn)的距離越來越(yuè)近，産品的複雜程度和質量檔次越來越高，CAD、CAM和(hé)CAE的(de)應(yīng)用成為産品開發主要技術，major化協作開始顯現。
在高壓鑄造工藝基礎上開發的真空鑄造、充氧(yǎng)壓(yā)鑄、半固态金屬流變或觸變壓鑄等工藝方法，旨在消除鑄件缺陷(xiàn)，提高内部質量，并擴大壓鑄件的應用範圍。擠壓鑄造過程中，熔體在壓力下充型和凝固，具有平(píng)穩、無金屬(shǔ)噴濺、金屬液氧化損失少、節能、操作(zuò)anquan和減少鑄件孔洞類缺陷等優點，在(zài)鋁合金副車架等高性能鋁合金鑄件的(de)開發與應(yīng)用(yòng)方面獲得了廣泛(fàn)的應用。
汽車産量的不斷(duàn)zeng長迫切要求(qiú)鑄造生産向高質量、優性能、近淨形、多品種、低消耗、低成(chéng)本的方向發展。由于一輛整車約15%~20%的零件是鑄件(jiàn)。這就要求鑄造行(háng)業要不斷應用各種新技術、新材料來提升鑄造整體(tǐ)水平。鑄件精确鑄造成形技術能(néng)夠滿足汽車鑄件的上述要求，其應用也将(jiāng)涵蓋汽車(chē)鑄(zhù)件的不同(tóng)鑄造(zào)生(shēng)産過程中。
3 結語
為适應日(rì)益苛刻的(de)環保法規的要求，汽車正在向輕量(liàng)化方向發展。汽車自重每(měi)降低減少10%，油耗可減少5.5%，燃料(liào)經濟性(xìng)可提(tí)高3%~5%，同時降低排放10%左右。應用鋁鎂等有色合金(jīn)鑄件，開發大型複雜結構(gòu)集成鑄件以及廣泛應(yīng)用鑄件精确成形(xíng)技術是實現汽車鑄件輕量化的主要途(tú)徑。因而要(yào)求在廣泛采用數字技術的基礎上，通過高性(xìng)能鑄造材(cái)料，自動化設(shè)備的廣泛應用等手段實現汽車鑄件的研發(fā)與生産，滿足(zú)現代汽車工業的(de)需求。
河北峻雅精密機(jī)械有限公司，始建(jiàn)于2017年，是一家集産品設計，模具開(kāi)發，鑄造，加工，表面處(chù)理，檢測(cè)與檢驗(yàn)及銷售服務為一體的企業。工廠占地面積5000平(píng)米，坐落于(yú)美麗的渤海之(zhī)濱河(hé)北省黃骅市經濟技術開發區。公司地理位置youyue，交通便利。公司經過多年(nián)的發展，先後(hòu)引進各種行業先進(jìn)的生産設備和管(guǎn)理經驗，并培養了數十名excellentmajor的研發和(hé)技術人才。
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