擠壓鑄造在汽車、摩托車上的應用

中國兵器科學研究院、寧波分院齊丕驤「擠壓鑄造」國內外也稱「液態模鍛」是一種介於鑄造與鍛造之間的優質、高效、節能的工藝方法，它既能接近甚至達到同種合金鍛件的內部組織和力學性能，又能實現高效率的大批是生產，與普通壓鑄件相比，可較大程度的提高力學及使用性能，與普通鍛件相比，又可節約能源。因此，多年來，國內外廠商，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，並迅速的在發展。汽車、摩托車業，在各工業發達國家均是重要的支柱產業，我國也不例外。2006年，我國汽車產量728萬輛，同比增長27.6%，2007年達以880萬輛，又增漲了21%。07年6月份汽車保有量已達5355萬輛。2006年我國摩托車產量達到2144萬輛。[1,2]。在目前，世界性的「節能、環保」大形勢下，對鋁、鎂合金鑄件，尤其是高檔鑄件的需求是長盛不衰的，這就為擠壓鑄造業的發展，提供了極好的市場條件。重慶及我國西部地區，目前，已是重要的汽車、摩托車及其鋁、鎂合金鑄件的產業基地，以其獨特的資源優勢及地域優勢，相信會比其它地區有更大的發展空間。本文重點討論，在國內外汽車、摩托車零部件上，擠壓鑄造工藝的應用概況及其發展趨勢。1、國內外應用概況表1 國內外擠壓鑄造汽車、摩托車主要零部件表部位汽車車體及行動部件汽車發動機及變速箱部件汽車空調及其它部件摩托車零部件零件名稱鋁合金及鎂合金輪轂，橫樑（十字梁），轉向節，下支臂，制動卡鉗，ABS零件，轉向閥體,制動器缸體，離合器缸體,拔叉、搖臂、履帶板、鋁基複合材料制動轂鋁及鋁基複合材料活塞、發動機缸體、發動機支架、濾清器支架、變速箱體、多岐管、燃料分配器空調壓縮機上、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、下聯板、傳動箱殼體、減震筒,碟剎泵體、後衣架、車搖架、車架接頭、把接頭、方向軸、曲柄,發動機活塞表1列出的是已大批量生產的擠壓鑄造汽車、摩托車（含電動車、自行車）主要零件種類。圖1～圖4是國內外廠家及作者參與生產的部份產品照片。[3]圖1、日本宇部用VSC機擠壓鑄造的主要產品照片。

圖2、日本宇部用HVSC機擠壓鑄造的主要產品照片。

圖3、作者的合作廠生產的汽車空調壓縮機零件照片。

圖4、作者的合作廠生產的摩托車零件照片。

上述不少產品的生產量是非常大的。例如：日本豐田公司輪轂生產廠擁有14台VSC1500—VSC1800全立式擠壓鑄造機，已形成年產400萬隻高檔汽車鋁輪的生產能力。此外，該廠還有120萬隻複合材料活塞的生產能力。目前，國外最大的擠壓鑄造機合模力已達35000KN，可生產27in的載重汽車鋁輪轂和外部尺寸為1200×400×300mm大型汽車底盤橫樑。採用自動供鋁的全自動化設備生產出了發動機箱體，空調壓縮缸體等複雜零件，以及如轉向節等複雜的重要受力件。採用陶瓷增強技術，已批量生產出陶瓷增強的鋁複合材料活塞和制動轂等零件。2、生產實例：本節選取幾種已大批生產的典型零件，介紹其工藝 模具及應用情況[4]。2,1 汽車鋁輪轂用宇部VSC1200～3500型立式擠壓鑄造機，日本豐田公司以每年500萬隻的數量高效率地生產了14—27in汽車鋁合金輪轂（圖1）。其設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）上沖頭下行第二次擠壓 （e）上沖頭下行沖孔並將料餅推出擠壓鑄造工藝參數列於表2，不同鑄造方法的鋁輪毛坯的力學性能比較列於表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生產周期/s鑄件質量/kg成品質量/kg0.041108102104512010.55.7表3 用不同方法鑄造的鋁輪轂規格及力學性能規格特性擠壓鑄造金屬型鑄造鋁輪轂設計碟形碟形鋁輪轂直徑×鋁輪轂寬度/mm330.2×152.4330.2×139.7質量/kg5.25.3～6.3熱處理狀態淬火+人工時效淬火+人工時效合金種類A356.0A356.0力學性能σb/MPa303～338155～251σ0.2/Mpa237～268126～212δ/%6.0～15.92.4～2.8硬度/HRF84～9060～922.2 鋁合金活塞解放牌汽車鋁活塞毛坯的擠壓設備為四柱式160t液壓機。模具（圖6）採用上沖頭14和套筒15加壓充型，底柱7反正結晶（動凹型式），兩側芯桿11成形銷孔的鑄型結構。側芯桿11由氣缸1通過杆2、3實現抽拉和閉鎖。凹型13由彈簧9支撐而有4mm的上下活動餘量，以實現反壓結晶。鋁液澆注採用迴轉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，並隨即使其滑入水池中進行鑄造淬火。擠壓鑄造工藝參數見表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、側芯桿；12、導向圈；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塗料12520～25690～720160～1800.0050.052～0.105水劑膠體石墨經金相檢驗表明，擠壓鑄造活塞明顯地細化了α枝晶，消除了氣孔和針孔與原金屬型鑄造相比提高了鑄件的室溫和高溫力學性能。提高了常溫低頻循環疲勞、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 汽車空調壓縮機缸體汽車空調壓縮機缸體是一種形狀較複雜，技術要求高的鋁鑄件。國內已經使用日本東芝公司DHXV350型自動卧式擠壓鑄造機大批量生產。圖7是V5型缸體鑄件系統照片。其缸體毛坯尺寸為Φ130mm，高45mm。鋁液是從模具下面充型，上部設置了集渣及排氣系統。東芝DHXV350型卧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。此擠壓鑄件冶金質量良好，無縮孔、縮松、氣孔，經1.7MPa試壓無滲漏，鑄件金相檢查初晶硅最大尺寸小於0.05mm，且均勻分布，共晶硅呈點狀。

圖7 汽車空調壓縮機V5型缸體鑄件照片1，料餅，2、內澆道 3、缸體 4、集渣及排氣系統

圖8 東芝DHXV350型卧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擠壓壓力/Mpa毛坯質量/kg每次擠壓量/kg模具溫度/℃澆注溫度/℃沖頭直徑/mm內澆口面積/mm低速擠壓/m·s-1內澆口處流速/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構如圖10所示，其動作原理如下。將液態金屬澆注到壓套10內；兩個側油缸推動滑塊6和型腔塊4合型；油壓機上橫樑帶動動型板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將液態金屬壓入型腔；經充分保壓後，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，並完成拔芯完成。然後兩側油缸再將滑塊和型腔塊打開，推桿5將工件頂出。噴刷塗料後，即可實現下一個工作循環。

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如表6所示。表6 主缸體的主要擠壓鑄造工藝參數合金熔煉溫度/℃模具預熱溫度/℃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/s690～740100～150<300620～7200.270.010.05～0.08200025301241.25～1510～20主缸體毛坯經固溶處理和人工時效後交機械加工和產品使用。其力學性能及密封性、耐壓性均達指標要求。2.5 摩托車發動機鎂合金外殼圖11 所示為摩托車發動機鎂合金外殼照片。所使用的工藝為自行研發的液態鑄鍛雙控成形工藝（雙重擠壓鑄造），其工藝流程見圖12。可見在鎂液澆注（a）和合模（b）以後，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緻密，性能更好的鑄件[6]。

圖11、摩托車發動機鎂合金外殼照片

圖12 雙重擠壓鑄造（雙控成形）工藝流程示意圖3、國內外技術的發展3.1 產品的大型化、組合化為生產大型鑄件的需要，國內外擠壓鑄造機都在向大型化發展，目前日本宇部公司已生產了合模力最大為35000KN全自動立式擠壓鑄造機（VSC3500）我國也開發出合模力最大為20000KN立式擠壓鑄造機，生產的大型鑄件除日本27in汽車大型鋁輪轂，英國的輕型坦克負重輪外，日本還有外廊尺寸為1200×400×300MM的汽車橫樑（十字梁，Cross Menber），（圖1）此件原為多個鋁鑄件焊裝而成，而現在只一次整體擠壓鑄造就出來了，大大節省了工時。此外，日本還批量生產出較大型的發動機複雜缸體（圖1）。在我國，已生產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。3.2 產品的優質化，多功能化。根據汽車、摩托車發展的需要，對不同鑄件的內部質量，力學性能，耐磨性，甚至膨脹性能均提出不同的要求。因此，擠壓鑄造技術也是不斷進行改進，以適應各種不同的需求。汽車上的轉向節（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，但由於形狀複雜，鍛造成本很高，後來，日本用VSC630擠壓鑄造機生產成功，並已大批量生產。但此件我國有關院校、工廠試製了多年，至今仍未正常生產。汽車鋁輪也是一種重要安全件，國外擠壓鑄造鋁輪與原低壓鑄造輪相比提高了外表和內部質量、材料力學性能、行車安全性，並使重量減輕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批量，這很大程度上與擠壓設備有關。近年發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）後，又實施第二次擠壓（閉式鍛造），對改善鑄件特定部位的緻密性十分有效，上述汽車鋁輪轂及摩托車發動機鎂外殼均採用了此項技術，相信會有較好的應用前景[7]。擠壓鑄件大都是可以進行固溶熱處理強化的，使其力學性能優於其它鑄件，並可以接近同種合金鍛件的性能水平。但是這達到此種效果，是必須採取相應技術措施的，對此，國內外和作者均進行了不少研究[8]。3.3 生產的自動化和高效化擠壓鑄造機的發展，已經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→噴塗→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）等全都實現了自動化。尤其是東芝公司系列機，採用了電磁泵管道式自動供鋁液裝置，使鋁液的內在質量和生產效率進一步得到提高。為了提高設備的生產效率，宇部公司在大型VSC機上，設計了多工位生產設備，即在12000KN-15000KN機上設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塗，用此設備使汽車鋁輪的生產周期從原來的2分鐘/只可減少到1分鐘/1隻。在18000KN以上的更大型設備上實現了轉盤式的三工位生產，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勢，是可適應多種材料的生產，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,甚至是需鑄造複合的金屬基複合材料，都可以按不同的特點，在採取相應措施後進行生產的。而且鑄件是可以進行固溶處理實現強化的。基於工藝的上述優勢，因而在汽車、摩托車鑄件的生產上，也實現了材料的多樣化，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良的耐磨性和低的熱膨脹係數，因而是活塞和空調壓縮機缸體、缸蓋、活塞、斜盤、渦旋盤等的首選材料，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，使材料的鑄造生產存在較大難度。目前，國內外用擠壓鑄造工藝較好的解決了此問題。尤其是在厚壁，複雜鑄件上解決得較好。這些在國內外都已形成很大的生產批量。圖3是作者與有關企業開發並生產的此類產品照片。3.4.2 變形鋁合金用直接擠壓鑄造法可以生產變形鋁合金鑄件，甚至是鑄造性很差的7075、7A04合金都可以生產出優質鑄件[5]，而且鑄件可以進行固熔熱處理強化，目前，國內在高檔、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擠壓鑄造摩托車後搖架毛坯照片。此種材料在強度，尤其是塑性和可焊性方面都明顯優於A356鑄造鋁合金。但是用間接擠壓鑄造法難以生產變形鋁合金鑄件，主要是易產生裂紋。因而在一些複雜的鑄件上限制了變形合金的使用。近年發展起來的雙重擠壓鑄造和半固態擠壓鑄造，可以解決此問題，並且已有成功生產的實例，相信今後有一定的發展前景。3.4.3 鎂合金在汽車、摩托車上擴大鎂合金構件的使用是當前國內外一大發展潮流，前景廣闊。為此在鎂合金擠壓鑄造方面都進行了大量工作，並已在鎂輪轂，鎂殼體件上實現了批生產。本文2.5節中介紹了摩托車發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：重慶大學研發的摩托車鎂輪轂，已批量供應隆鑫摩托，都取得了很好的技術經濟效果。前段時間由於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問題，也給鎂件的，也給鎂件的生產造成一定難度，但畢竟在汽車、摩托車節能、環保的總趨勢下，鎂件的使用仍是方興未艾的。3.4.4 金屬基複合材料高性能汽車發動機，尤其是高增壓柴油機活塞，當前一個重要發展方向是使用陶瓷纖維增強鋁基複合材料，而這正是擠壓鑄造的工藝優勢，日本「IZUMI」和「Art」公司早年就已大批量生產了這種高技術活塞，月產達10萬隻以上，並已在豐田公司23種車型得到了使用。其它如美國的康明斯、克列威特（Clevite）和德納（DANA）公司，俄羅斯及歐盟國家的一些公司也都生產使用了這種擠壓鑄造活塞，我國從上世紀80年代中即開始此種活塞研製，並已在「解放」、「東風」汽油機及特種大馬力柴油機上大批量使用。作者長年進行擠壓鑄造鋁基複合材料研究，並與國外合作，研製成功汽車制動轂，特種活塞和履帶板等。主要參考資料[1]宋才飛，中國壓鑄業的戰略轉變與歷史任務[J]2007中外壓鑄技術交流會論文集，蘇州壓鑄技術協會，5-9。⑵韓姝芹，汽車業對有色鑄件的需求及市場前景分析[J]鑄造世界報，2007.11 13-14[3]齊丕驤，擠壓鑄造技術的最新發展[J]特種鑄造及有色合金2007.27（9）688-694[4]羅守靖，陳炳光，齊丕驤，液態模鍛與擠壓鑄造技術北京，化學工業出版社，2007[5]齊丕驤，擠壓鑄造，北京，國防工業出版，1984[6]李遠發 蘇平線 液態壓鑄鍛造雙控成形技術研究[J]特種鑄造及有色合金，2006.26(9) 568-570[7]齊丕驤，齊霖，雙重擠壓鑄造，特種鑄造及有色合金2007（壓鑄專刊）：243-247[8]童文俊，齊霖，齊丕驤，擠壓鑄件的熱處理起泡缺陷研究。鑄造，55（10）1036—1039。
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