擠壓鑄造在汽車、摩托車上應(yīng)用

1、擠壓鑄造在汽車、摩托車上的應(yīng)用擠壓鑄造在汽車、摩托車上的應(yīng)用中國兵器科學(xué)研究院、寧波分院齊丕驤 “擠壓鑄造”國內(nèi)外也稱“液態(tài)模鍛”是一種介于鑄造與鍛造之間的優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的工藝方法，它既能接近甚至達到同種合金鍛件的內(nèi)部組織和力學(xué)性能，又能實現(xiàn)高效率的大批是生產(chǎn)，與普通壓鑄件相比，可較大程度的提高力學(xué)及使用性能，與普通鍛件相比，又可節(jié)約能源。因此，多年來，國內(nèi)外廠商，均把此項工藝用做汽車、摩托車高檔有色金屬鑄件的方法之一，并迅速的在發(fā)展。汽車、摩托車業(yè)，在各工業(yè)發(fā)達國家均是重要的支柱產(chǎn)業(yè)，我國也不例外。2006年，我國汽車產(chǎn)量728萬輛，同比增長27.6%，2007年達以880萬輛，

2、又增漲了21%。07年6月份汽車保有量已達5355萬輛。2006年我國摩托車產(chǎn)量達到2144萬輛。1,2。在目前，世界性的“節(jié)能、環(huán)?！贝笮蝿菹拢瑢︿X、鎂合金鑄件，尤其是高檔鑄件的需求是長盛不衰的，這就為擠壓鑄造業(yè)的發(fā)展，提供了極好的市場條件。重慶及我國西部地區(qū)，目前，已是重要的汽車、摩托車及其鋁、鎂合金鑄件的產(chǎn)業(yè)基地，以其獨特的資源優(yōu)勢及地域優(yōu)勢，相信會比其它地區(qū)有更大的發(fā)展空間。本文重點討論，在國內(nèi)外汽車、摩托車零部件上，擠壓鑄造工藝的應(yīng)用概況及其發(fā)展趨勢。1、國內(nèi)外應(yīng)用概況表1 國內(nèi)外擠壓鑄造汽車、摩托車主要零部件表 部位汽車車體及行動部件汽車發(fā)動機及變速箱部件汽車空調(diào)及其它部

3、件摩托車零部件零件名稱鋁合金及鎂合金輪轂，橫梁（十字梁），轉(zhuǎn)向節(jié)，下支臂，制動卡鉗，ABS零件，轉(zhuǎn)向閥體,制動器缸體，離合器缸體,拔叉、搖臂、履帶板、鋁基復(fù)合材料制動轂鋁及鋁基復(fù)合材料活塞、發(fā)動機缸體、發(fā)動機支架、濾清器支架、變速箱體、多岐管、燃料分配器空調(diào)壓縮機上、下缸體、上下蓋板、活塞、斜盤、滑履、渦旋壓縮機缸體、渦旋盤；空壓機連桿、油泵殼體、空氣過濾器罐體、罐蓋鋁及鎂合金輪轂、上、下聯(lián)板、傳動箱殼體、減震筒,碟剎泵體、后衣架、車搖架、車架接頭、把接頭、方向軸、曲柄,發(fā)動機活塞表1列出的是已大批量生產(chǎn)的擠壓鑄造汽車、摩托車（含電動車、自行車）主要零件種類。圖1圖4是國內(nèi)外廠家及作者參與生產(chǎn)

4、的部份產(chǎn)品照片。3圖1、日本宇部用VSC機擠壓鑄造的主要產(chǎn)品照片。 圖2、日本宇部用HVSC機擠壓鑄造的主要產(chǎn)品照片。圖3、作者的合作廠生產(chǎn)的汽車空調(diào)壓縮機零件照片。圖4、作者的合作廠生產(chǎn)的摩托車零件照片。上述不少產(chǎn)品的生產(chǎn)量是非常大的。例如：日本豐田公司輪轂生產(chǎn)廠擁有14臺VSC1500VSC1800全立式擠壓鑄造機，已形成年產(chǎn)400萬只高檔汽車鋁輪的生產(chǎn)能力。此外，該廠還有120萬只復(fù)合材料活塞的生產(chǎn)能力。目前，國外最大的擠壓鑄造機合模力已達35000KN，可生產(chǎn)27in的載重汽車鋁輪轂和外部尺寸為1200×400×300mm大型汽車底盤橫梁。采用自動供鋁的全

5、自動化設(shè)備生產(chǎn)出了發(fā)動機箱體，空調(diào)壓縮缸體等復(fù)雜零件，以及如轉(zhuǎn)向節(jié)等復(fù)雜的重要受力件。采用陶瓷增強技術(shù)，已批量生產(chǎn)出陶瓷增強的鋁復(fù)合材料活塞和制動轂等零件。2、生產(chǎn)實例：本節(jié)選取幾種已大批生產(chǎn)的典型零件，介紹其工藝 模具及應(yīng)用情況4。2,1 汽車鋁輪轂用宇部VSC12003500型立式擠壓鑄造機，日本豐田公司以每年500萬只的數(shù)量高效率地生產(chǎn)了1427in汽車鋁合金輪轂（圖1）。其設(shè)備及模具的動作程序參見圖5，可見對厚大輪轂部位是實施了二次補壓措施的。 圖5  汽車鋁輪轂擠壓鑄造動作程序（a）合模澆注，（b）壓射缸擺正上升，（c）下沖頭上升伸第一次擠壓（d）上沖頭下行第二次

6、擠壓 （e）上沖頭下行沖孔并將料餅推出 擠壓鑄造工藝參數(shù)列于表2，不同鑄造方法的鋁輪毛坯的力學(xué)性能比較列于表3，可見擠壓鑄造性能最好。表2  VSC1500機擠壓鑄造汽車鋁輪工藝參數(shù)擠壓頭壓射速度/m·s-1擠壓壓力/Mpa澆注溫度/模具溫度/保壓時間/s生產(chǎn)周期/s鑄件質(zhì)量/kg成品質(zhì)量/kg0.041108102104512010.55.7表3  用不同方法鑄造的鋁輪轂規(guī)格及力學(xué)性能規(guī)格特性擠壓鑄造金屬型鑄造鋁輪轂設(shè)計碟形碟形鋁輪轂直徑×鋁輪轂寬度/mm330.2×152.4330.2×139.7質(zhì)量/kg5.25.36

7、.3熱處理狀態(tài)淬火+人工時效淬火+人工時效合金種類A356.0A356.0力學(xué)性能b/MPa3033381552510.2/Mpa237268126212/%6.015.92.42.8硬度/HRF849060922.2 鋁合金活塞解放牌汽車鋁活塞毛坯的擠壓設(shè)備為四柱式160t液壓機。模具（圖6）采用上沖頭14和套筒15加壓充型，底柱7反正結(jié)晶（動凹型式），兩側(cè)芯桿11成形銷孔的鑄型結(jié)構(gòu)。側(cè)芯桿11由氣缸1通過桿2、3實現(xiàn)抽拉和閉鎖。凹型13由彈簧9支撐而有4mm的上下活動余量，以實現(xiàn)反壓結(jié)晶。鋁液澆注采用回轉(zhuǎn)臂輸送定量勺自動澆注裝置。用氣缸帶動的斜滑槽，接取鑄件，并隨即使其滑入水池中進行鑄造淬

8、火。擠壓鑄造工藝參數(shù)見表15-1。圖6、解放牌汽車活塞擠壓鑄造模具圖1、氣缸；2、連桿；3、擺桿；4、支架；5、墊板；6、活塞毛坯；7、頂料底柱；8、澆入鑄型中的鋁液；9、彈簧；10、限位螺釘；11、側(cè)芯桿；12、導(dǎo)向圈；13、凹型；14、沖頭；15、推料套筒 表4  解放牌汽車活塞擠壓鑄造工藝參數(shù) 壓力/Mpa保壓時間/s澆注溫度/鑄型溫度/擠壓速度/m·s-1壓力機空載速度/ m·s-1涂料12520256907201601800.0050.0520.105水劑膠體石墨經(jīng)金相檢驗表明，擠壓鑄造活塞明顯地細化了枝晶，消除了氣孔和針孔與原金屬型

9、鑄造相比提高了鑄件的室溫和高溫力學(xué)性能。提高了常溫低頻循環(huán)疲勞、高溫持久強度和耐磨性等性能。提高了材料利用率，降低了毛坯成本。2.3  汽車空調(diào)壓縮機缸體汽車空調(diào)壓縮機缸體是一種形狀較復(fù)雜，技術(shù)要求高的鋁鑄件。國內(nèi)已經(jīng)使用日本東芝公司DHXV350型自動臥式擠壓鑄造機大批量生產(chǎn)。圖7是V5型缸體鑄件系統(tǒng)照片。其缸體毛坯尺寸為130mm，高45mm。鋁液是從模具下面充型，上部設(shè)置了集渣及排氣系統(tǒng)。東芝DHXV350型臥式擠壓鑄造機的動作原理參見圖8，它用電磁泵自動定量供鋁液。V5型缸體擠壓鑄造工藝參數(shù)參見表5，所用合金為日本ADC14高硅鋁合金。此擠壓鑄件冶金質(zhì)量良好，無縮孔、縮松、氣

10、孔，經(jīng)1.7MPa試壓無滲漏，鑄件金相檢查初晶硅最大尺寸小于0.05mm，且均勻分布，共晶硅呈點狀。圖7 汽車空調(diào)壓縮機V5型缸體鑄件照片1，料餅，2、內(nèi)澆道 3、缸體  4、集渣及排氣系統(tǒng)圖8 東芝DHXV350型臥式擠壓鑄造機動作原理圖1、鋁液輸送管  2、電磁泵  3、靜模  4、動模 5、擠壓頭 6、擠壓缸表5  V5型缸體擠壓鑄造工藝參數(shù)擠壓壓力/Mpa毛坯質(zhì)量/kg每次擠壓量/kg模具溫度/澆注溫度/沖頭直徑/mm內(nèi)澆口面積/mm低速擠壓/m·s-1內(nèi)澆口處流速/m·s-1充型時間/s升壓時間/s全過程時間/s電

11、磁泵工作時間/s1100.851.5200720705530.10.630.950.13701.82.4 汽車制動主缸體圖9為主缸體毛坯圖，所用材料為ZI.108合金擠壓鑄造模具結(jié)構(gòu)如圖10所示，其動作原理如下。將液態(tài)金屬澆注到壓套10內(nèi)；兩個側(cè)油缸推動滑塊6和型腔塊4合型；油壓機上橫梁帶動動型板12、型柄11、型芯1、壓柱2和鎖型塊3壓緊在滑塊和型塊上（鎖型）；接著油壓機下油缸推動頂桿9和壓頭8將液態(tài)金屬壓入型腔；經(jīng)充分保壓后，油壓機下油缸帶動頂桿和壓頭退回；上油缸帶動鎖型塊等零件卸壓回程，并完成拔芯完成。然后兩側(cè)油缸再將滑塊和型腔塊打開，推桿5將工件頂出。噴刷涂料后，即可實現(xiàn)下一個工作循環(huán)

12、。圖9  制動主缸體毛坯圖 圖10 制動主缸體擠壓鑄造模具圖1、型芯；2、壓柱；3、鎖型塊；4、型腔塊（A、B）；5、推桿；6、滑塊（A、B）；7、側(cè)油缸 8、壓頭  9、頂桿；10、壓套；11、型柄；12、動型板 擠壓鑄造的主要工藝參數(shù)如表6所示。表6  主缸體的主要擠壓鑄造工藝參數(shù) 合金熔煉溫度/模具預(yù)熱溫度/模具工作溫度/擠鑄合金溫度/充型速度/m·s-1鎖型速度/m·s-1合型速度/m·s-1鎖型力/KN合型力/KN分型力/KN成形比壓/MPa充型時間/s保壓時間/s留型時間/s690740100

13、150<3006207200.270.010.050.08200025301241.25151020主缸體毛坯經(jīng)固溶處理和人工時效后交機械加工和產(chǎn)品使用。其力學(xué)性能及密封性、耐壓性均達指標(biāo)要求。2.5  摩托車發(fā)動機鎂合金外殼圖11 所示為摩托車發(fā)動機鎂合金外殼照片。所使用的工藝為自行研發(fā)的液態(tài)鑄鍛雙控成形工藝（雙重擠壓鑄造），其工藝流程見圖12?？梢娫阪V液澆注（a）和合模（b）以后，先進行了擠壓充型（c、又稱第一次擠壓）再不失時機的進行了鍛壓（d，又稱第二次擠壓）因而此種工藝可獲得組織更致密，性能更好的鑄件6。圖11、摩托車發(fā)動機鎂合金外殼照片圖12  雙重擠壓鑄造

14、（雙控成形）工藝流程示意圖3、國內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展3.1 產(chǎn)品的大型化、組合化為生產(chǎn)大型鑄件的需要，國內(nèi)外擠壓鑄造機都在向大型化發(fā)展，目前日本宇部公司已生產(chǎn)了合模力最大為35000KN全自動立式擠壓鑄造機（VSC3500）我國也開發(fā)出合模力最大為20000KN立式擠壓鑄造機，生產(chǎn)的大型鑄件除日本27in汽車大型鋁輪轂，英國的輕型坦克負(fù)重輪外，日本還有外廊尺寸為1200×400×300MM的汽車橫梁（十字梁，Cross Menber），（圖1）此件原為多個鋁鑄件焊裝而成，而現(xiàn)在只一次整體擠壓鑄造就出來了，大大節(jié)省了工時。此外，日本還批量生產(chǎn)出較大型的發(fā)動機復(fù)雜缸體（圖1）。在我國

15、，已生產(chǎn)出來的大型擠壓鑄件有系列的特種車輛鋁輪，其毛坯重量為25-50公升，用20000KN擠壓鑄造機生產(chǎn)。3.2  產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)化，多功能化。根據(jù)汽車、摩托車發(fā)展的需要，對不同鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，力學(xué)性能，耐磨性，甚至膨脹性能均提出不同的要求。因此，擠壓鑄造技術(shù)也是不斷進行改進，以適應(yīng)各種不同的需求。汽車上的轉(zhuǎn)向節(jié)（knuckle）（參見圖1）是一種對安全性要求非常高的重要受力零件，以前都是鍛造法生產(chǎn)，但由于形狀復(fù)雜，鍛造成本很高，后來，日本用VSC630擠壓鑄造機生產(chǎn)成功，并已大批量生產(chǎn)。但此件我國有關(guān)院校、工廠試制了多年，至今仍未正常生產(chǎn)。汽車鋁輪也是一種重要安全件，國外擠壓鑄造鋁輪

16、與原低壓鑄造輪相比提高了外表和內(nèi)部質(zhì)量、材料力學(xué)性能、行車安全性，并使重量減輕20%，因而效益也是非常明顯的。目前，我國擠壓鑄造汽車鋁輪還一直沒有形成大的生產(chǎn)批量，這很大程度上與擠壓設(shè)備有關(guān)。近年發(fā)展起來的雙重擠壓鑄造新工藝，對鑄件實施兩次擠壓，即第一次壓力充型（壓射）后，又實施第二次擠壓（閉式鍛造），對改善鑄件特定部位的致密性十分有效，上述汽車鋁輪轂及摩托車發(fā)動機鎂外殼均采用了此項技術(shù)，相信會有較好的應(yīng)用前景7。擠壓鑄件大都是可以進行固溶熱處理強化的，使其力學(xué)性能優(yōu)于其它鑄件，并可以接近同種合金鍛件的性能水平。但是這達到此種效果，是必須采取相應(yīng)技術(shù)措施的，對此，國內(nèi)外和作者均進行了不少研究8

17、。3.3 生產(chǎn)的自動化和高效化擠壓鑄造機的發(fā)展，已經(jīng)達到很高的自動化水平，包括日本宇部公司的VSC和HVSC系列機，東芝公司DXHV和DXV系列機都是從模具清理噴涂置入嵌鑲件合模鑄件淬火鑄件沖邊將鑄件入框（或入傳送帶）等全都實現(xiàn)了自動化。尤其是東芝公司系列機，采用了電磁泵管道式自動供鋁液裝置，使鋁液的內(nèi)在質(zhì)量和生產(chǎn)效率進一步得到提高。為了提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，宇部公司在大型VSC機上，設(shè)計了多工位生產(chǎn)設(shè)備，即在12000KN-15000KN機上設(shè)計成兩工位模具穿梭裝置，即一個工位進行擠壓（壓射）保壓，另一工位進行模具清理和噴涂，用此設(shè)備使汽車鋁輪的生產(chǎn)周期從原來的2分鐘/只可減少到1分鐘/1只。

18、在18000KN以上的更大型設(shè)備上實現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤式的三工位生產(chǎn)，一個汽車鋁輪只需0.45秒。3.4 材料的多樣化擠壓鑄造工藝的一個重要優(yōu)勢，是可適應(yīng)多種材料的生產(chǎn)，包括鋁、鎂、銅、鋅甚至是鋼鐵材料。不論是鑄造性好的鑄造合金，還是鑄造性差的變形合金,甚至是需鑄造復(fù)合的金屬基復(fù)合材料，都可以按不同的特點，在采取相應(yīng)措施后進行生產(chǎn)的。而且鑄件是可以進行固溶處理實現(xiàn)強化的?；诠に嚨纳鲜鰞?yōu)勢，因而在汽車、摩托車鑄件的生產(chǎn)上，也實現(xiàn)了材料的多樣化，除常用的鑄造鋁合金外，主要的還有如下幾個方面：3.4.1高硅鋁合金高硅鋁合金因有優(yōu)良的耐磨性和低的熱膨脹系數(shù)，因而是活塞和空調(diào)壓縮機缸體、缸蓋、活塞、斜盤、渦旋盤

19、等的首選材料，但是此種材料的初晶硅細化問題和高的縮松、裂紋傾向問題，使材料的鑄造生產(chǎn)存在較大難度。目前，國內(nèi)外用擠壓鑄造工藝較好的解決了此問題。尤其是在厚壁，復(fù)雜鑄件上解決得較好。這些在國內(nèi)外都已形成很大的生產(chǎn)批量。圖3是作者與有關(guān)企業(yè)開發(fā)并生產(chǎn)的此類產(chǎn)品照片。3.4.2 變形鋁合金用直接擠壓鑄造法可以生產(chǎn)變形鋁合金鑄件，甚至是鑄造性很差的7075、7A04合金都可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鑄件5，而且鑄件可以進行固熔熱處理強化，目前，國內(nèi)在高檔、超輕型摩托車、自行車的焊接架體件、鋁輪轂，空壓機連桿等件上，批量使用了6061類可焊強韌鋁合金，圖4中的長條件即為6061-T6擠壓鑄造摩托車后搖架毛坯照片。此種

20、材料在強度，尤其是塑性和可焊性方面都明顯優(yōu)于A356鑄造鋁合金。但是用間接擠壓鑄造法難以生產(chǎn)變形鋁合金鑄件，主要是易產(chǎn)生裂紋。因而在一些復(fù)雜的鑄件上限制了變形合金的使用。近年發(fā)展起來的雙重擠壓鑄造和半固態(tài)擠壓鑄造，可以解決此問題，并且已有成功生產(chǎn)的實例，相信今后有一定的發(fā)展前景。3.4.3 鎂合金在汽車、摩托車上擴大鎂合金構(gòu)件的使用是當(dāng)前國內(nèi)外一大發(fā)展潮流，前景廣闊。為此在鎂合金擠壓鑄造方面都進行了大量工作，并已在鎂輪轂，鎂殼體件上實現(xiàn)了批生產(chǎn)。本文2.5節(jié)中介紹了摩托車發(fā)動機鎂合金外殼的擠壓鑄造工藝，就是一個比較成功的實例。又如：重慶大學(xué)研發(fā)的摩托車鎂輪轂，已批量供應(yīng)隆鑫摩托，都取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟效果。前段時間由于原鎂價格的大幅提升，為鎂的大量使用造成了不小的阻力，加上鎂的熔煉，加工廢料回收及抗腐蝕等的技術(shù)問題，也給鎂件的，也給鎂件的生產(chǎn)造成一定難度，但畢竟在汽車、摩托車節(jié)能、環(huán)保的總趨勢下，鎂件的使用仍是方興未艾的。3.4.4 金屬基復(fù)合