汽車鑄件及其製造技術的發展趨勢
鑄造是最古老的金屬成型方法之一。 大約 15% 到 20% 的汽車零部件是通過不同的鑄造方法生產的鑄件。 這些鑄件主要是電力系統的關鍵部件和重要的結構部件。 目前，歐美汽車工業發達國家的汽車鑄件生產技術先進，產品質量好，生產效率高，環境污染小。 鑄造原輔材料系列化、標準化，整個生產過程實現機械化、自動化、智能化。 這些國家普遍採用數字化技術來提高鑄造工藝設計水平。 鑄件廢品率約2%～5%，建立了跨國服務體系，實行網絡技術支持。 相比之下，雖然我國汽車鑄件產量較大，但大多為黑色鑄件，附加值和技術含量較低，結構較為簡單，與國外水平相差甚遠。 本文主要從汽車節能環保的發展需要出發，探討汽車鑄件和汽車技術的發展方向。
汽車鑄件一體化設計
隨著汽車節能環保要求的不斷提高，生產成本的降低，我們將充分利用鑄造的優勢，通過對沖壓、焊接、鍛造和鑄造。 成型可有效減輕零件重量，減少不必要的加工工序，從而實現零件的輕量化和高性能化。
普通鑄造整體式橋殼的主要形式是將無縫鋼管壓入橋殼兩端作為半軸套，並用銷釘固定，形成橋殼總成。 為進一步提高橋殼的強度和剛度，簡化工藝流程，一汽集團開發了一種將橋殼（圖1中橋殼兩側的零件）直接澆鑄在橋殼上的一體化橋殼。軸殼。 加工難度大，成本降低較多，橋殼結構趨於簡單，橋殼剛度較好，可製成複雜理想的形狀，可改變壁厚，獲得理想的應力分佈，其強度和剛性大，工作可靠。 由於軸套一體化，鑄件尺寸明顯增大。 鑄件長度為2 258 mm，單件重量超過200 kg。 針對這種一體化鑄造的特點，公司建立了專用生產線，確保生產。
汽車鑄件一體化的發展趨勢在有色合金鑄件的發展中更為明顯。 為充分利用可實現複雜結構鑄件生產的鑄造工藝特點，對車門內板、座椅骨架、儀表板骨架、前端骨架、防火牆等高壓鑄件進行一體化設計。出現了。 尺寸明顯大於目前生產的尺寸。 對於鑄件，生產需要4 000～5 000噸甚至更大噸位的壓鑄機。
汽車鑄件的輕量化
在保證汽車強度和安全的前提下，盡量降低汽車整備質量，實現輕量化，從而提高汽車的動力，降低油耗，減少尾氣污染。 整車每減少100公斤整備質量，百公里油耗可降低100～0.3升。如果整車重量降低0.6%，燃油效率可提高10%～6%。 隨著環保、節能的需要，汽車輕量化成為世界汽車發展的趨勢，汽車鑄件的輕量化也成為汽車鑄件的重要發展方向之一。
汽車鑄件的輕量化設計
由於對鑄件整體安全係數的需要，等厚設計是汽車鑄件的主要設計方法之一。 但等厚設計的主要缺點是不能充分發揮結構性能，增加鑄件重量。 利用CAE分析、拓撲優化等方法對零件進行優化設計，使零件各部位應力值接近，即各零件壁厚不一致，小零件力變薄或不必要以減少零件。 的重量。 考慮到鑄造成型可以實現複雜結構鑄件的成型，可以實現各種不規則形狀的截面。 設計時，使用CAE或拓撲優化對組件進行應力分析。 根據受力分佈，確定零件的形狀和具體零件的材料厚度。 通過加強、挖孔、加厚鑄件，可以大大減輕零件的重量。
輕合金汽車鑄件
使用鋁、鎂等輕合金材料是目前各國汽車製造商採取的主要減重措施。 鋁的密度僅為鋼的1/3，具有優良的耐腐蝕性和延展性。 鎂的密度較低，僅為鋁的2/3，在高壓鑄造條件下具有優良的流動性。 鋁和鎂的比強度（強度質量比）相當高，對減輕自重和提高燃油效率起著決定性作用。 美國汽車工業近兩年競爭力的提升與其大規模採用鋁鎂結構鑄件和整體鑄件密切相關。
德國寶馬公司推出的新5系搭載了最新一代鎂鋁複合直列六缸發動機缸體，重量比上一代減輕了10公斤，在性能和燃油方面有了很大的提升。經濟。 但需要注意的是，鋁、鎂等輕合金的原材料價格遠高於鋼材，限制了其在汽車行業的廣泛應用。 然而，儘管原材料價格相對較高，但目前自行車用鎂鋁鑄件的消耗量卻在逐年增加。 一方面，技術進步彌補了成本的增加。 另一方面，市場競爭迫使汽車製造商減少利潤並採用更多輕合金。 但是，要大幅度增加輕合金用量，降低鎂、鋁錠的採購價格，先進成形技術的發展是關鍵之一。
高性能汽車鑄造材料
提高材料的性能，使零件的單位重量能承受更高的載荷，是有效減輕鑄件重量的方法之一。 支架式結構鑄件在汽車鑄件中佔很大比重，因此其鑄件的發展成為人們關注的焦點之一。 通過熱處理等措施，改變材料的顯微組織，從而提高零件的強度、剛度或韌性，可有效減輕零件的重量。
奧氏體球墨鑄鐵不僅強度高於普通鑄鋼材料，而且密度低於鋼。 其密度為7.1 g/cm3，而鑄鋼的密度為7.8 g/cm3，是近年來廣泛推薦的材料。 . 採用奧氏體球墨鑄鐵，在同等鑄件尺寸下比鑄鋼件輕10%。 東風汽車公司對某款商用車採用奧氏體球墨鑄鐵代替鑄鋼件進行了輕量化驗證工作。 針對球墨鑄鐵件的高強度特性，專家論壇對14個懸挂件進行了重新設計。 一般來說，汽車鑄件的材料更換往往伴隨著零部件的輕量化設計。
在鋁合金和鎂合金鑄件中，改用高強度高韌性材料。 在原有輕合金減重的基礎上，採用高性能材料進一步減重。 美國通用汽車改用高性能AE44合金原鋁合金采用高壓鑄造生產副車架，進一步減輕鋁合金重量6公斤。
汽車鑄件開發數字化
汽車鑄件開發與數字化技術的全面結合，可以顯著提高鑄件技術水平，縮短產品設計和試制週期。 目前，數字化製造技術已廣泛應用於汽車鑄件的開發。 在鑄件結構設計和鑄造工藝設計階段，Pro/E、CATIA、UG等3D設計軟件得到廣泛應用，一些先進的鑄造企業已經實現了無紙化設計。 MAGMA、ProCAST、華鑄CAE等軟件已被廣泛用於模擬汽車鑄件的凝固過程、顯微組織、成分偏析和材料特性。 它還可以分析鑄造過程中的速度場、濃度場、溫度場和相。 場、應力場等模擬，可確保在量產前優化工藝方案。
為適應汽車鑄件快速發展的需要，基於CAD/CAE的設計開發，RP（快速成型技術）已廣泛應用於汽車鑄件的快速試制。 獲得原始CAD/CAE數據後，採用逐層的方法，通過粘接、燒結或燒結的方式獲得鑄件原型或成型鑄件所需的模具原型。 前者可採用熔模鑄造、石膏鑄造等方法試制鑄件，後者可直接作為模具製造砂芯，通過型芯裝配造型澆注鑄件。 此外，還可採用粉末激光燒結法（SLS）直接完成砂芯和砂型的製作，從而獲得試制鑄件所需的砂型。 對於結構比較簡單的外模，也可以用CNC機床用可加工塑料加工CAM，得到試制鑄件所需的芯盒和花樣，或直接加工砂塊，得到外模的砂型直接地。
總的來說，數字化技術已經滲透到鑄件設計、開發和試制的各個環節，有效提高了鑄件開發的速度和效率。 目前的主要問題是設計、分析和快速製造的數字技術相互獨立。 當開發過程從一個階段轉換到另一個階段時，還需要進行相當繁瑣的數據轉換工作。 希望未來能夠針對應用於鑄件開發各個環節的數字化技術開發統一的數據接口平台，建立標準化的數據轉換標準，實現不同軟件之間的無縫數據轉換，進一步提高鑄件的發展速度。
薄壁複雜結構鑄件生產技術
隨著汽車工業的發展和節能減排的需求，汽車零部件越來越輕。 通過薄壁設計，減輕重量是發動機缸體的重要發展方向。 以一汽-大眾生產鑄鐵缸體的一汽鑄造有限公司為例。 早期生產的06A缸體壁厚為4.5mm±1.5mm，EA111缸體壁厚為4mm±1mm。 目前量產的EA888Evo2氣缸體壁厚為4mm±1mm。 3.5mm±0.8mm，下一代EA888Gen.3缸體產品結構更為複雜，其壁厚僅為3mm±0.5mm，是目前最薄的灰鑄鐵缸體。 雖然量產時存在斷芯、浮芯、壁厚波動大等問題，但通過控制砂芯和型砂的質量，廣泛採用的水平澆注工藝仍能滿足EA888Evo2缸的生產要求。 但不能滿足EA888Gen.3缸體的生產要求，必須採用整體鐵芯總成立式鑄造工藝。
大型鋁鎂合金結構件製造技術
隨著節能環保、降低零部件成本的要求越來越高，鋁鎂合金大型結構鑄件已成為重要的發展趨勢，其製造技術也成為當前的發展重點。 目前，大型鋁鎂合金結構件的主要生產技術包括高壓鑄造、擠壓鑄造和低壓鑄造。 由於高壓鑄造生產效率高，產品質量好，成為目前主要的生產工藝。 其製造技術的發展主要集中在高壓鑄造過程中容易夾帶氣體，鑄件內部形成氣孔，不能改善熱處理問題。
德國富來公司開發的真空負壓吸鑄工藝，整個壓鑄過程在高真空（小於30毫巴）下進行。 熔融金屬在真空狀態下通過模具、壓力室和吸料管，在不氧化的情況下被吸料管從爐內吸出，脫模劑的蒸氣也由真空系統排出。 上述真空負壓吸鑄工藝的主要特點是：定量澆注開始時，整個系統處於高真空狀態； 在定量澆注過程中，能有效排出型腔內的氣體和熔融金屬； 澆注過程中金屬熔體無氧化； 澆注過程無熱損失，可採用較低的澆注溫度進行澆注，實時監控下無擾動層流充注。 上述工藝已成功應用於汽車專家論壇汽車結構鑄件的量產，為優質輕合金鑄件的應用提供了先進的成型方法和工藝。
瑞士布勒公司開發了一種用於生產結構鑄件的雙迴路真空系統。 這種生產技術稱為結構生產技術。 採用結構化生產技術可以提高抽真空速度，從而獲得穩定的生產條件，顯著提高壓鑄件的質量。 如圖5所示，雙迴路真空系統中一迴路的抽氣口設置在壓力室的上端，主要用於對壓力室內的空氣進行抽氣。 它在註射柱塞向前移動以密封澆注口時開始，並在柱塞即將密封吸入口時關閉。 其他電路設置與傳統真空工藝相同，主要用於從型腔中抽出空氣。 目前，該技術已成功應用於乘用車鋁合金一體式減震塔、車門內板、車身縱樑的製造。
鑄件精密鑄造成形技術
通常所說的汽車鑄件的精密鑄造主要是指消失模鑄造和熔模鑄造技術。 隨著汽車鑄件成形技術的發展，鑄件精密成形是指一種鑄件成形方法。 用這種成型方法生產的鑄件可以不切或少切直接使用。 隨著對鑄件尺寸精度要求的不斷提高，近年來精密鑄造技術發展迅速，出現了精密砂型鑄造、消失模鑄造、控壓鑄造、壓力鑄造等一系列新型鑄造方法。 Cosworth澆注法是英國開發的一種利用鋯砂芯組件和電磁泵控制澆注的方法。 它已成功應用於鋁合金缸體的批量生產，並出現了許多工藝變體，如採用低壓澆注代替電磁泵澆注等工藝。 這種鑄造方法可以生產壁厚為3.5～4.0mm的鋁合金缸體，是目前精密砂型鑄造的代表工藝。
消失模鑄造工藝於1965年發明，生產的汽車鑄件主要有氣缸體、氣缸蓋、進排氣管等產品，並已形成規模化生產。 自1990世紀20年代引進消失模鑄造技術以來，我國已初具規模，並被國家推廣為改造傳統鑄造行業應用最廣泛的高新技術。 目前我國熔模精密鑄造工藝有三種：矽酸鈉殼、複合殼和矽溶膠殼。 其中，用於汽車產品矽溶膠外殼生產的鑄件表面質量可達Ra 1.6 μm，尺寸精度可達CT4。 等級，最小壁厚可以為0.5~1.5mm。 東風汽車精密鑄造有限公司採用矽溶膠+水玻璃複合制殼工藝生產複雜結構的一體鑄件，顯著降低了生產成本。 熔模鑄造技術成型工藝的發展趨勢是鑄件越來越接近最終產品，產品的複雜性和質量越來越高。 CAD、CAM、CAE的應用成為產品開發的主要技術，專業合作開始顯現。
在高壓鑄造工藝基礎上發展起來的真空鑄造、充氧壓鑄、半固態金屬流變或觸變壓鑄等工藝方法，旨在消除鑄造缺陷，提高內在質量，擴大壓鑄件的應用範圍. 在擠壓鑄造過程中，熔體在壓力下充填凝固，具有光滑、無金屬飛濺、金屬液氧化損失少、節能、操作安全、減少鑄孔等缺陷的優點。 用於鋁合金副車架等，高性能鋁合金鑄件的開發應用得到廣泛應用。
汽車產量的不斷增長，迫切要求鑄件生產向質量優良、性能優良、近淨成形、多品種、低消耗、低成本的方向發展。 因為整車大約有15%到20%的零件是鑄件。 這就要求鑄造行業不斷應用各種新技術、新材料，提高鑄造整體水平。 鑄件精密鑄造成形技術可以滿足汽車鑄件的上述要求，其應用也將覆蓋汽車鑄件的不同鑄造生產工藝。
結論
為了適應日益嚴格的環保法規要求，汽車正朝著更輕量化的方向發展。 車重每減少10%，油耗可降低5.5%，燃油經濟性可提高3%至5%，排放可減少10%左右。 鋁鎂等有色合金鑄件的應用、大型複雜結構一體化鑄件的開發、鑄造精密成形技術的廣泛應用，是實現汽車鑄件輕量化的主要途徑。 因此，需要在廣泛應用數字技術的基礎上，通過高性能的鑄造材料和自動化設備的廣泛應用，實現汽車鑄件的研發和生產，以滿足現代汽車工業的需求。
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