智能化技術(shù)在乘用車鋁合金制動主缸鑄件中的應(yīng)用

余朝陽，陳亦輝，秦敏豐

（1.寧波科達(dá)精工科技股份有限公司，浙江 鄞州 315191；2.寧波高智創(chuàng)新科技開發(fā)有限公司，浙江 鄞州 315104）

近年來，隨著全球氣候變暖和能源問題的日益突出，各國政府均要求汽車制造企業(yè)降低產(chǎn)品能耗、減少污染、提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。而要改善汽車的上述性能，關(guān)鍵是減輕汽車本身的質(zhì)量。有數(shù)據(jù)表明，汽車自重每降低100 kg，油耗就可以減少0.7 L/km.鋁合金以其高強(qiáng)韌性、輕量化、高回收性的優(yōu)勢日益凸顯，在汽車行業(yè)大有取代傳統(tǒng)鋼鐵材料之勢[1]。另一方面，高成本、低成形性是汽車輕量化設(shè)計和應(yīng)用中的瓶頸，而智能化技術(shù)恰恰能針對產(chǎn)品的主要質(zhì)量特性進(jìn)行實時、全方面監(jiān)視和調(diào)控，以降低不良率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提升勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品安全性。

本文以寧波科達(dá)精工科技股份有限公司生產(chǎn)的乘用車用鋁合金制動主缸鑄件為例，討論產(chǎn)品加工流程、質(zhì)量缺陷控制、智能化布局等有益做法，并談?wù)勂渲械囊恍?yīng)用體會。

1 制動主缸鑄造工藝與質(zhì)量缺陷

1.1 工藝流程

制動主缸是汽車制動系統(tǒng)液壓傳動裝置中的重要保安零件。日產(chǎn)汽車制動主缸材質(zhì)多為鑄造鋁合金，生產(chǎn)工藝為擠壓鑄造或金屬型鑄造[2]。國內(nèi)汽車鋁合金鑄造的主要工藝有：砂型重力鑄造、金屬型重力鑄造（澆鑄）、低壓鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造、液態(tài)模鍛等。鋁合金制動主缸金屬型鑄造加工流程如圖1 所示，其中T6 處理是指變形鋁合金（區(qū)別于鑄造鋁合金）的一種熱處理工藝，即固熔熱處理后進(jìn)行人工時效的狀態(tài)。

1.2 制動主缸鑄件成品指標(biāo)

汽車制動主缸是液壓制動系統(tǒng)中的核心部件，為確保汽車行駛安全，制動主缸生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品出廠前必須對其性能進(jìn)行全面檢測。根據(jù)汽車產(chǎn)品對制動的要求，參考相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定鋁合金制動主缸鑄件主要有四個關(guān)鍵指標(biāo)，分別為抗拉強(qiáng)度≥300 MPa、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度≥230 MPa、斷后延長率≥3.5%、布氏硬度≥100[3].

圖1 鋁合金制動主缸鑄造工藝流程

1.3 鑄件主要質(zhì)量缺陷

在制動主缸的鑄造過程中，其毛坯鑄造缺陷占到總?cè)毕荼戎氐?5%以上[4]。乘用車鋁合金金屬型重力鑄件常見的質(zhì)量缺陷主要有氣孔、縮孔、疏松、裂紋等。

1.3.1 氣孔（blowhole）

氣孔是由鑄件內(nèi)氣體形成的孔洞類缺陷，其表面一般比較光滑，主要呈梨形、圓形或橢圓形。氣孔一般不在鑄件表面露出，大孔常孤立存在，小孔則成群出現(xiàn)。

1.3.2 縮孔（shrinkage）

鑄件在凝固過程中，由于補縮不良而產(chǎn)生的孔洞稱為縮孔?？s孔常出現(xiàn)在鑄件最后凝固的部位，形狀不規(guī)則、孔壁粗糙并帶有枝狀晶。

1.3.3 疏松（porosity）

疏松是在鑄件緩慢凝固區(qū)出現(xiàn)的很細(xì)小的孔洞，主要分布在枝晶內(nèi)和枝晶間，是彌散性氣孔、顯微縮松、組織粗大的混合缺陷，使鑄件致密性降低，易造成滲漏。

1.3.4 裂紋（crack）

裂紋是鑄件表面或內(nèi)部由于各種原因發(fā)生斷裂而形成的條紋狀裂縫，包括熱裂、冷裂、熱處理裂紋等。

2 智能化技術(shù)在制動主缸鑄造中的應(yīng)用

2.1 鑄造過程傳統(tǒng)控制流程

在小規(guī)模鑄造企業(yè)，鑄造過程控制以手工操作為主，僅能對爐溫、模溫等少數(shù)幾個工藝參數(shù)進(jìn)行檢測，質(zhì)量控制主要依靠經(jīng)驗來判斷，控制流程如圖2 所示。在澆注過程中，不能確保穩(wěn)定的澆鑄速度、開模時間，鑄件質(zhì)量、能耗、污染、勞動強(qiáng)度等問題突出[5]。

2.2 智能技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用分析

智能鑄造以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化作為主攻方向，應(yīng)用建模與數(shù)值模擬、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、快速鑄型制造、智能裝備、在線檢測等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)鑄件成形過程的工藝優(yōu)化，預(yù)測鑄件組織和性能，從而在最短的時間內(nèi)制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品[6-7]。

圖2 鑄造工藝傳統(tǒng)控制流程

2.2.1 智能化鑄造技術(shù)系統(tǒng)

從2016 年開始，寧波科達(dá)精工科技有限公司組織團(tuán)隊進(jìn)行了乘用車鋁合金制動主缸的開發(fā)，通過技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到了產(chǎn)品技術(shù)要求，打破了國外技術(shù)的壟斷。為了進(jìn)一步提升制動主缸質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，企業(yè)又開發(fā)了智能化鑄造技術(shù)，智能化鑄造系統(tǒng)如圖3 所示，智能化鑄造系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度。該技術(shù)實現(xiàn)機(jī)器人澆鑄和取件，協(xié)同多工位鑄造機(jī)全自動作業(yè)，除對爐溫、模溫、澆注周期等核心工藝條件控制外，將所有操作及參數(shù)的變化進(jìn)行實時協(xié)調(diào)控制，保證產(chǎn)品一致性，防止工藝參數(shù)偏離而導(dǎo)致廢件流到下游工序。本智能化鑄造技術(shù)具有安全的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互能力，通過機(jī)聯(lián)網(wǎng)將過程數(shù)據(jù)經(jīng)機(jī)聯(lián)網(wǎng)實時發(fā)送到MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，協(xié)助生產(chǎn)組織和質(zhì)量管理。

2.2.2 “模擬仿真”技術(shù)的應(yīng)用

由于金屬熔體在型腔的流動和凝固無法在實際生產(chǎn)中直觀看到，因此，對“爐溫、模溫、澆注周期”的澆注關(guān)鍵工序數(shù)據(jù)實時掌握和控制，將直接關(guān)系到產(chǎn)品的主要質(zhì)量特性。而應(yīng)用鑄造模擬分析技術(shù)，可以幫助技術(shù)人員直觀地分析熔體在型腔內(nèi)部的流動及凝固過程，在實際試驗前對鑄件可能產(chǎn)生缺陷及其大小、位置就有了預(yù)測，能有效地縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本[8]。

鑄造過程模擬仿真技術(shù)包括鑄件充型過程（流場）數(shù)值模擬、凝固過程（溫度場）數(shù)值模擬、微觀組織數(shù)值模擬、熱應(yīng)力數(shù)值模擬以及鑄造缺陷（如縮孔、縮松及熱裂等）預(yù)測等。目前，鑄造模擬軟件在發(fā)達(dá)國家已得到普及，在國內(nèi)模擬仿真技術(shù)在汽車鎂合金壓鑄、零件鑄造中已得到一定的應(yīng)用[9]。采用軟件對鑄造過程建立模型，對鑄造工藝數(shù)值進(jìn)行計算，通過計算結(jié)果分析鑄造工藝參數(shù)對鑄件成型的影響，從而可以優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)以及改變結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便獲取優(yōu)質(zhì)鑄件。

本智能化鑄造技術(shù)的控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500 系列可編程控制器，與KUKA 機(jī)器人及6 臺（或8 臺）鑄造機(jī)的S7-1200 系列控制器通過PROFINET 組網(wǎng)，通過人機(jī)界面實現(xiàn)對現(xiàn)場各參數(shù)設(shè)置和動作協(xié)調(diào)控制，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、記錄，如圖4 所示。通過網(wǎng)絡(luò)隔離系統(tǒng)，與MES 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)上、下行交換，實現(xiàn)精益生產(chǎn)、質(zhì)量管控、物流物料、人員工時及設(shè)備效率等管理功能?？刂葡到y(tǒng)具有警報和設(shè)定、記錄功能，可以逐步建成鑄造工藝數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上建立鑄造過程的工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系模型，用于產(chǎn)品質(zhì)量缺陷預(yù)測與分析，也可為新產(chǎn)品研發(fā)提供參考，大大降低新產(chǎn)品的研發(fā)周期。

在模具的制造過程中，如果每次模具改進(jìn)都通過大量的工藝驗證，顯然會顯著延長產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)成本。如果通過模具仿真，真實而直觀地再現(xiàn)模具工作過程，就可以保證模具結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性與合理性，及時發(fā)現(xiàn)模具的早期設(shè)計問題，從而進(jìn)行修正和改進(jìn)。

2.2.3 智能化技術(shù)應(yīng)用效果

1）智能化技術(shù)對鑄件缺陷發(fā)生率的影響

采用智能化鑄造技術(shù)，對爐溫、模溫、澆注周期等鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)控制，并建立相應(yīng)的澆注工藝數(shù)據(jù)庫，提高產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，并適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。對現(xiàn)場176 件有缺陷的主缸鑄件進(jìn)行統(tǒng)計，采用ProCAST 建立工藝參數(shù)與缺陷之間的關(guān)系模型，對澆注過程進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，造成鑄件氣孔、疏松和縮孔的原因大小分別為合金液精煉除氣、毛坯鑄件凝固順序、澆注溫度。同時，多年的研究和實踐已經(jīng)確認(rèn)，在含氫量相同的條件下，夾雜含量越高，氣孔率也高，即使在低氫濃度時，氣孔率仍很高。因此，控制鋁液含氣量、控制氧化夾渣是防止鑄件缺陷發(fā)生的關(guān)鍵。

圖3 智能化鑄造系統(tǒng)

圖4 鑄造工藝智能化控制網(wǎng)絡(luò)圖

采用智能化技術(shù)生產(chǎn)制動主缸鑄件的缺陷發(fā)生統(tǒng)計見表1.由表可知，采用智能化技術(shù)后鑄件缺陷發(fā)生率大幅降低，低于行業(yè)平均缺陷發(fā)生率。

2）智能化鑄造技術(shù)對鑄件質(zhì)量的影響

應(yīng)用智能化技術(shù)，結(jié)合特殊的加工和處理工藝，提高鎂元素的含量和增加Sb 元素及專用細(xì)化劑實現(xiàn)長效變質(zhì)和晶粒細(xì)化，加入與Fe 成固定比例的Mn，限制鐵相長大，使通常有害的鐵轉(zhuǎn)為有益，使低Σ 重位點陣晶界所占的比例由通常的＜20%提高到60%～70%以上，明顯降低了材料的可塑性，提高了金屬材料的加工切削性能，對材料的力學(xué)性能也有增強(qiáng)，硬度穩(wěn)定。

表1 自動化澆注缺陷產(chǎn)生的位置、類型和幾率

智能化技術(shù)提高了傳統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及使用性能。加工速度由原來的每個60 s 降低到30 s，生產(chǎn)效率提高一倍。經(jīng)檢測，制動總缸力學(xué)性能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中抗拉強(qiáng)度為327 MPa、規(guī)定塑性延伸率303 MPa，斷后延長率4.4%，布氏硬度≥106，使用壽命可以使用50 萬次，比市場上同類產(chǎn)品提高了20 萬次[10]。一定條件下無故障地連續(xù)使用50 萬次，達(dá)到BOSCH、COTINENTAL、TRW 等規(guī)定的使用次數(shù)要求。

同時，采用金相顯微鏡觀察，本技術(shù)加工的制動總缸對比國外同類產(chǎn)品晶粒細(xì)、致密度高、二次晶間距在30μm～45 μm 之間?；鞠龏A雜物，還具有抗拉強(qiáng)度高、加工性能好、表面硬度好等優(yōu)點，而售價相對同類產(chǎn)品低5%以上，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

3 應(yīng)用體會

3.1 應(yīng)用策略

在應(yīng)用全自動鑄造系統(tǒng)中要遵循循序漸進(jìn)的策略。首先是多工位鑄造機(jī)組網(wǎng)進(jìn)行集中控制，然后采用單澆鑄機(jī)器人和鑄造機(jī)進(jìn)行協(xié)作作業(yè)，人工取件，最后實現(xiàn)澆鑄和取件機(jī)器人協(xié)作實現(xiàn)全自動。這個應(yīng)用過程需要企業(yè)具有自主能力擴(kuò)展和優(yōu)化該系統(tǒng)的配置和功能。

3.2 三個關(guān)鍵點

采用智能化控制系統(tǒng)鑄造澆注工部必須注意三大要點：

1）模具與工裝的標(biāo)準(zhǔn)化和及時維護(hù)；

2）嚴(yán)格控制鋁液氧化夾渣；

3）嚴(yán)格控制鋁液含氣量。

鑄造過程中要跟蹤工藝參數(shù)并對鑄出零件抽檢進(jìn)行工藝驗證。對熔煉過程及出爐鋁液溫度范圍要進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止氧化燒損，并為后續(xù)工序留出溫度空間。當(dāng)出爐鋁液精煉除氣后，必須進(jìn)行成分和含氣量檢測，對澆鑄爐前鋁液的化學(xué)成分和含氣量進(jìn)行再次抽檢。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化的重要性

一個鑄造過程由很多工序組成，不同生產(chǎn)設(shè)備與物流設(shè)備間需要聯(lián)鎖配合，并需要協(xié)調(diào)運行，完成各個工序的銜接。在設(shè)備投入運行的初期，會出現(xiàn)自動線出品率和合格率達(dá)不到原來手工生產(chǎn)線的水平，以致不被生產(chǎn)等部門接受的狀況。經(jīng)過對工藝過程的特點調(diào)整改造，最終達(dá)到設(shè)計要求。所以為了實現(xiàn)機(jī)器人的全自動，為機(jī)器人周邊設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化工作尤為重要，如所有工位一機(jī)多模和一模多腔的澆口形狀、位置、定位距離需要高度標(biāo)準(zhǔn)化，取件夾持面形狀及間距標(biāo)準(zhǔn)化，運行軌跡標(biāo)準(zhǔn)化。此外，工藝操作等都需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，否則不容易發(fā)揮自動系統(tǒng)的優(yōu)勢。