鑄造是最古老的金屬成形方法之一,汽車零件中大約有15%~20%為采用不同鑄造方法生產的鑄件,這些鑄件主要為動力系統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。鑄造原輔材料已形成系列化和標準化,整個生產過程已經實現了機械化、自動化和智能化。這些國家普遍采用數字化技術提升鑄造工藝設計水平,鑄件廢品率約為2%~5%,并且已經建立跨國服務系統并實現網絡技術支持。與之相比,我國的汽車鑄件雖然產量較大,但大多數都是附加值和技術含量較低,結構相對簡單的黑色鑄件,與國外水平差距較大。本文主要從汽車節能環保等方面的發展需求,論述了汽車鑄件和汽車技術的發展方向。
1 汽車鑄件的發展方向
1.1 汽車鑄件的集成化設計
隨著汽車節能環保以及降低生產成本的要求不斷增加,充分利用鑄造成形的優勢,將原有沖壓、焊接、鍛造和鑄造成形的數個零件,通過合理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高性能化。
目前常見的鑄造整體式橋殼的主要形式是在橋殼的兩端壓入無縫鋼管作為半軸套管,并用銷釘固定形成橋殼總成。為進一步提高橋殼的強度、剛度和簡化工藝過程,由于集成了半軸套管,鑄件尺寸顯著增加,鑄件長2 258 mm,其單件重量超過200 kg。針對這一集成鑄件的特點,企業建立了專用生產線用以保證生產。
汽車鑄件集成化的發展趨勢在有色合金鑄件方面的發展更為明顯。為了充分利用鑄造工藝能夠實現復雜結構鑄件的生產的特點,出現了集成設計的車門內板、座椅骨架、儀表板骨架、前端框架和防火墻等集成設計的高壓鑄件,其尺寸顯著大于目前生產的鑄件,需要4 000~5 000 t甚至更大噸位的壓鑄機進行生產。
1.2 汽車鑄件的輕量化
在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質量,實現輕量化,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。汽車整備質量每減少100 kg,百公里油耗可降低0.3~0.6 L,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%。隨著環保和節能的需要,汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流,汽車鑄件的輕量化也成為汽車鑄件的重要發展方向之一。
1.2.1 汽車鑄件的輕量化設計
出于鑄件整體安全系數的需要,等厚度設計是汽車鑄件主要設計方法之一。然而等厚設計的主要弊端是無法充分發揮結構性能,并導致鑄件重量的增加。采用CAE 分析、拓撲優化等手段,對零部件進行優化設計,使零部件各個部位的應力值接近,即各個部位的壁厚不一致,受力小的部位減薄料厚或不要材料,從而減輕零件的重量??紤]到鑄造成形可以實現復雜結構鑄件的成形,可以實現各種不規則的異型截面。設計時,采用CAE或拓撲優化等手段,對零部件進行應力分析。根據力的分布,確定零部件的形狀和具體局部的材料厚度。通過對鑄件加筋、挖孔和變厚化,可使零部件的重量大大降低。