鋁合金鑄造副車架開發(fā)

陳磊程穩(wěn)正孫玨王仕偉陳志剛侯杰

（1.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.蘇州三基鑄造裝備股份有限公司）

鋁合金鑄造副車架開發(fā)

陳磊1程穩(wěn)正1孫玨2王仕偉1陳志剛1侯杰1

（1.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.蘇州三基鑄造裝備股份有限公司）

以鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材是乘用車底盤結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)的有效方式之一，尤其在高端乘用車上應(yīng)用更為廣泛。介紹了鋁合金副車架的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。開發(fā)實(shí)踐表明，采用鋁合金材料及擠壓鑄造工藝，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的工藝開發(fā)，可達(dá)到底盤系統(tǒng)對于結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度及耐久性的嚴(yán)格要求，提高整車的輕量化水平。

對于副車架、控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等底盤重要結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)來說，鋁合金材料的選用是大勢所趨。介紹了鑄鋁工藝副車架的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，對工藝及材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面進(jìn)行了闡述，最終開發(fā)出了滿足副車架基礎(chǔ)功能及輕量化要求的產(chǎn)品。

1 鑄造工藝及材料確定

1.1 鑄造工藝

對標(biāo)國內(nèi)、外現(xiàn)有車型鑄鋁工藝副車架鑄造工藝，主要有重力鑄造（含傾轉(zhuǎn)型重力鑄造）、高壓鑄造（含高真空壓力鑄造）及擠壓鑄造等。

重力鑄造工藝晶體組織不夠致密，且容易產(chǎn)生熱節(jié)缺陷，但可通過后期熱處理提升力學(xué)性能指標(biāo)。

高壓鑄造工藝液態(tài)金屬在壓力下凝固結(jié)晶，晶體組織致密，鑄造毛坯力學(xué)性能好。但目前國內(nèi)高真空壓鑄工藝發(fā)展尚未成熟，基本均為普通壓鑄，而對于副車架等較復(fù)雜結(jié)構(gòu)件來說，容易產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象，導(dǎo)致延伸率較低，且無法進(jìn)行熱處理，力學(xué)性能得不到進(jìn)一步提升。

擠壓鑄造工藝液態(tài)金屬在壓力下凝固結(jié)晶，晶體組織致密，鑄造毛坯力學(xué)性能好，且可以進(jìn)行后期熱處理，進(jìn)一步提升力學(xué)性能指標(biāo)。

綜合考慮以上鑄造工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，確認(rèn)采用擠壓鑄造工藝方式實(shí)現(xiàn)副車架的開發(fā)。

1.2 材料分析

按合金元素分類，鑄造鋁合金材料主要分為以下4類：

鋁硅系合金，流動(dòng)性好、鑄造性能好及氣密性好，適用于生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，通過添加鎂、銅等合金元素可提高力學(xué)性能；

鋁銅系合金，力學(xué)性能高、可焊性好及機(jī)械加工性能好，但抗腐蝕性差，容易產(chǎn)生熱裂紋，且鑄造性能差，適用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、承載較大部件；

鋁鎂系合金，力學(xué)性能高，機(jī)械加工性能好，但鑄造性能較差；

鋁鋅系合金，通過添加硅、鎂元素可實(shí)現(xiàn)較好的鑄造性能和力學(xué)性能，但抗腐蝕性較差，且脆性高。

綜合考慮各種鑄造鋁合金材料的特點(diǎn)，選擇鋁硅系合金材料。通過對標(biāo)國內(nèi)、外現(xiàn)有車型鑄造鋁合金工藝副車架材料，最終選擇AlSi7Mg系合金（A356.0-T6）。

2 副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為副車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。要達(dá)到副車架結(jié)構(gòu)最大輕量化的目標(biāo)，需要進(jìn)行多輪拓?fù)鋬?yōu)化、CAD設(shè)計(jì)、CAE分析。但對國內(nèi)自主汽車產(chǎn)業(yè)來講，產(chǎn)品和工藝開發(fā)均尚屬首次，為保持更高的強(qiáng)度和耐久性安全系數(shù)，并未進(jìn)行后期的輕量化開發(fā)。

2.1 布置空間

乘用車副車架周邊有車身、懸架、轉(zhuǎn)向、動(dòng)力總成及其附件等系統(tǒng)，因此必須要在其它系統(tǒng)空間布置確定后，才能確定副車架的布置空間，這是副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提條件。另外，由于懸架、轉(zhuǎn)向、懸置等系統(tǒng)需要裝配到副車架上，確定空間的同時(shí)還需要確定副車架安裝點(diǎn)。布置空間及安裝點(diǎn)確認(rèn)后，得到副車架的布置空間包絡(luò)，本產(chǎn)品為框架式結(jié)構(gòu)，布置空間包絡(luò)如圖2所示。

2.2 截面形狀

確定副車架的布置空間包絡(luò)后，需要確定組成框架式副車架上每根梁的截面形狀，因?yàn)楹罄m(xù)的拓?fù)鋬?yōu)化需要對截面形狀進(jìn)行控制，以便得到更符合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化模型。

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，“T”型、“L”型、“U”型、“工”字型、“口”字型、“十”字型等大多數(shù)常見鑄件截面結(jié)構(gòu)，都可以滿足強(qiáng)度及剛度要求。

彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式為：

根據(jù)彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式（1）[1]，在使用材料相等的情況下，截面慣性矩越大，同樣彎矩下的應(yīng)力越小。而副車架對彎曲方向的高剛度要求決定了必須選擇截面慣性距較大的截面形狀，“U”型、“工”字型、“口”字型為首選，截面慣性矩的大小關(guān)系為“口”字型＞“U”型＞“工”字型。

“口”字型為空腔結(jié)構(gòu)，需要通過增加砂芯實(shí)現(xiàn)，鑄造工藝難度大，且成本高，而“U”型和“工”字型截面鑄造工藝實(shí)現(xiàn)容易。

綜上所述，最終決定選擇“U”型截面作為優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。

2.3 主要鑄造工藝參數(shù)要求

影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要鑄造工藝參數(shù)包括：主壁厚度10 mm，局部安裝點(diǎn)最大壁厚50 mm；側(cè)壁厚度平均10 mm；加強(qiáng)筋壁厚5～10 mm；拔模斜度0.5°～2°；鑄造圓角R2～R3。

2.4 拓?fù)鋬?yōu)化

[2]，采用的優(yōu)化方法如下。

加載條件：整車極限行駛工況（與后期靜強(qiáng)度分析工況相同）；

優(yōu)化目標(biāo)：工況加權(quán)應(yīng)變能最??；

約束條件：模型質(zhì)量（體積比）；

優(yōu)化控制：截面形狀、主要鑄造工藝參數(shù)要求、左右對稱等。

副車架優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

2.5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果和主要工藝參數(shù)要求，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAD詳細(xì)設(shè)計(jì)，得到最終產(chǎn)品CAD模型如圖4所示。

2.6 靜強(qiáng)度分析

副車架主要施力零件裝配在副車架的控制臂、穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向機(jī)及動(dòng)力總成懸置上。通過ADAMS軟件將各工況的輪心受力分解到副車架各安裝點(diǎn)，得到各安裝點(diǎn)的載荷，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度分析。

整車極限行駛工況：

a.垂直沖擊工況，考核實(shí)車承受垂向載荷的能力；

b.緊急轉(zhuǎn)彎工況，考核實(shí)車同時(shí)承受垂向和側(cè)向載荷的能力；

c.最大加速工況，考核實(shí)車同時(shí)承受縱向和側(cè)向載荷的能力；

d.最大制動(dòng)工況，考核實(shí)車同時(shí)承受縱向和側(cè)向載荷的能力；

e.路緣沖擊工況，誤用工況，考核實(shí)車同時(shí)承受垂向和側(cè)向載荷的能力。

通過多次CAD修改與強(qiáng)度校核，副車架順利通過靜強(qiáng)度分析，各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于所選材料力學(xué)性能指標(biāo)，圖5為靜強(qiáng)度分析的應(yīng)力分布圖。

2.7 耐久性分析

在項(xiàng)目開發(fā)初期，通過搭建mule-car形式采集用戶使用工況的路譜。測試路況涵蓋中國各地典型路況特征，包含高速、城郊結(jié)合、一般公路、山區(qū)、城市、不平整路等。結(jié)合整車試驗(yàn)場強(qiáng)化壞路測試載荷譜，通過載荷譜關(guān)聯(lián)，獲得了與用戶使用環(huán)境相當(dāng)?shù)腃AE耐久分析及臺(tái)架耐久試驗(yàn)載荷譜。由于副車架受力點(diǎn)較多，本文采用系統(tǒng)模型直接在輪心施加臺(tái)架試驗(yàn)各通道單位載荷的方法[3]，各通道單位載荷見表1，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多軸疲勞分析預(yù)測結(jié)構(gòu)壽命，目標(biāo)為500個(gè)循環(huán)。

表1 載荷譜通道單位載荷

疲勞損傷計(jì)算采用Palmgren-Miner線性累積損傷計(jì)算方法：

式中，∑D表示累積損傷和；ni表示應(yīng)力為σi時(shí)的循環(huán)次數(shù)；Ni表示應(yīng)力為σi時(shí)的疲勞壽命。

對于隨機(jī)載荷，試驗(yàn)件破壞的臨界損傷值在1附近[4]。本文介紹的副車架經(jīng)過500個(gè)循環(huán)載荷譜CAE仿真后得到的損傷值分布如圖6所示，最大損傷值為0.052，遠(yuǎn)低于臨界損傷值。

2.8 模態(tài)分析

整車開發(fā)前期，必須定義各系統(tǒng)模態(tài)頻率段。本產(chǎn)品的各階模態(tài)頻率值見表2，振型見圖7、圖8，可知模態(tài)頻率及振型基本滿足設(shè)計(jì)要求，為了預(yù)防后期出現(xiàn)NVH問題，采取了預(yù)留安裝點(diǎn)、增加剛度、加強(qiáng)支架的規(guī)避措施。

表2 各階模態(tài)頻率數(shù)值 Hz

2.9 鑄造工藝分析

經(jīng)過多輪優(yōu)化，本產(chǎn)品的充型和凝固過程CAE仿真如圖9～圖12所示，結(jié)果顯示，充型、凝固順序以及充型、凝固溫度場分布符合鑄造工藝原理，滿足鑄造工藝要求，可以有效控制鑄造缺陷的發(fā)生。對于CAE仿真難以避免的熱節(jié)，可以通過后期的補(bǔ)壓、強(qiáng)冷等工藝方式解決。

3 副車架鑄造工藝開發(fā)

3.1 專用合金開發(fā)和熔煉工藝

副車架材質(zhì)為A356.0，屬于亞共晶鋁硅鎂系合金，具有較好的鑄造性能，主要化學(xué)成分如表3所列。

表3 A356.0主要化學(xué)成分

各成分的主要作用及影響如下：

a.Si元素有助于鑄件力學(xué)性能和流動(dòng)性的提高；

b.Fe元素是Al-Si合金中的有害元素，會(huì)使合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率都降低，延伸率降低尤其明顯，Al-Si合金的Fe以AlgFe2Si的形式出現(xiàn)，因此Fe含量必須嚴(yán)格控制在極低水平；

c.Cu會(huì)使A356.0合金延伸率和耐腐蝕性降低；

d.Mg元素能形成Mg2Si相是熱處理強(qiáng)化相的組元，但過高的Mg含量也會(huì)導(dǎo)致鋁液氧化產(chǎn)生氧化夾雜物；

e.Zn也會(huì)降低耐蝕性。

綜上，為滿足較高的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)，需要針對化學(xué)元素對亞共晶合金的影響，確定更優(yōu)范圍，嚴(yán)格限制有害雜質(zhì)元素Fe、Cu、Zn的含量。經(jīng)優(yōu)化后的副車架擠壓鑄造專用合金成分如表4所列。

表4 優(yōu)化后化學(xué)成分

由于副車架需進(jìn)行T6熱處理，且有較高的鑄件本體機(jī)械性能要求，因此在熔化的鋁液處理上進(jìn)行如下鋁水細(xì)化和變質(zhì)處理十分必要：

a.所有與鋁水接觸的工具，如湯勺、撈渣等工具，都在烘干后刷涂保護(hù)涂料，然后在200～250℃烤干備用；

b.鋁錠在充分預(yù)熱后加入爐中，熔化溫度740～750℃，溶化后先光譜檢測式樣成分；

c.在730～750℃，用高純氮?dú)饩珶?5 min；

d.加入0.15%的AlTiB細(xì)化劑作晶粒細(xì)化處理，加入AlSr中間合金作變質(zhì)處理，變質(zhì)和細(xì)化溫度在720～730℃；

e.加入0.2%的除渣劑，除凈、撈凈液面渣屑后完成鋁液處理。

3.2 擠壓鑄造工藝開發(fā)

考慮到該鑄件熱節(jié)點(diǎn)多而分散的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3路分歧澆道的澆注系統(tǒng)，在每路橫澆道上針對壁交叉產(chǎn)生的熱節(jié)點(diǎn)開設(shè)了內(nèi)澆口進(jìn)行補(bǔ)縮，并使內(nèi)澆口與鑄件遠(yuǎn)端距離盡量??；對前期CAE仿真出現(xiàn)的較大熱節(jié)區(qū)采用了局部二次加壓機(jī)構(gòu)，在充型結(jié)束延遲數(shù)秒時(shí)間后對這些區(qū)域補(bǔ)縮壓實(shí)。

按照順序凝固原則，設(shè)計(jì)了封閉式的澆注系統(tǒng)：

式中，Ag為內(nèi)澆口面積總和，Ag=66 cm2；At為直澆道面積，At=266 cm2；內(nèi)澆口比例Rg=4.010，符合間接擠壓鑄造工藝設(shè)計(jì)要求。

副車架鑄件投影面積為1 910 cm2，澆注系統(tǒng)及排溢系統(tǒng)投影面積之和為573 cm2，總投影面積為2 483 cm2。選擇鎖模力為2 500 t的立式擠壓鑄造機(jī)，沖頭直徑為170 mm，料缸最大容鋁量為29.5 kg，工藝澆入鋁合金總量為24.8 kg，容量符合要求。

設(shè)備所提供壓射力為2 200 kN，在直徑170 mm壓室條件下所產(chǎn)生的壓射比壓為97 MPa，壓射比壓符合要求。

副車架的擠壓鑄造工藝參數(shù)如速度、溫度、料柄厚度、二次加壓延遲時(shí)間等，對鑄件表面缺陷（如冷隔、留痕）、內(nèi)在缺陷（如氣孔、縮孔、氧化夾雜）以及后續(xù)的熱處理強(qiáng)化過程（如鼓泡）等都有重大影響。這些工藝參數(shù)需通過試模、試驗(yàn)來進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。經(jīng)調(diào)整優(yōu)化后的副車架擠壓鑄造成型工藝參數(shù)如表5所列。

表5 擠壓鑄造工藝參數(shù)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過多輪試模及工藝參數(shù)調(diào)整，本產(chǎn)品基本通過化學(xué)成分、機(jī)械性能、熒光滲透探傷、X射線探傷、針孔度等副車架單件基本性能試驗(yàn)。圖13、圖14為副車架關(guān)鍵位置X射線探傷圖。

利用MTS329整車道路模擬系統(tǒng)進(jìn)行懸架系統(tǒng)8通道隨機(jī)載荷譜激勵(lì)疲勞試驗(yàn)，單位通道載荷、載荷譜、目標(biāo)循環(huán)均與前期CAE仿真條件一致；經(jīng)歷載荷譜500個(gè)循環(huán)試驗(yàn)后，本產(chǎn)品無任何表面裂紋等缺陷，順利通過耐久性臺(tái)架試驗(yàn)。

5 結(jié)束語

在開發(fā)鑄鋁工藝副車架的同時(shí)，還以相同方式進(jìn)行了傳統(tǒng)鋼板沖焊工藝副車架的設(shè)計(jì)開發(fā)，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的副車架測試質(zhì)量在25 kg左右。而通過臺(tái)架試驗(yàn)測試的本產(chǎn)品質(zhì)量為17.5 kg。因此可知，對于副車架而言，由鋼板沖焊工藝更改鑄鋁工藝后，輕量化可提升30%左右。

參考文獻(xiàn)

1 聶毓琴，孟廣偉.材料力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

2 張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，李楚琳.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

3 程穩(wěn)正，曹征棟，于長清，霍福祥.轎車后副車架多軸疲勞分析.汽車技術(shù)，2013，（6）.

4 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.北京：國防工業(yè)出版社，2003.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年12月1日。

Development of Aluminum Alloy Casting Sub-frame

Chen Lei1,Cheng Wenzheng1,Sun Jue2,Wang Shiwei1,Chen Zhigang1,Hou Jie1
（1.China FAW Co.,Ltd R&D Center;2.Suzhou Sanji Foundry Equipment Co.,Ltd）

The substitution of traditional steel with aluminum alloy is an effective approach of lightweight design of passenger car chassis structural parts,especially in high-end passenger car.This article introduces the development process of aluminum alloy sub-frame.The development practice shows that,with the application of aluminum alloy and extrusion casting technology,with the aid of rational design of structure and systemic development of technology,the strict requirements on strength and durability of chassis structural component can be satisfied,and the lightweight level of vehicle is improved.

Sub-frame,Aluminum alloy,Extrusion casting,Development

副車架 鋁合金 擠壓鑄造 開發(fā)

U463.32

A

1000-3703（2015）02-0058-05