李落星1,2张立强1,2高文理1,2钟志华1,2
1. 湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实验室长沙 410082；
2. 湖南大学材料科学与工程学院长沙 410082
摘要：近年来，中国的汽车工业得到飞速发展，并已进入世界汽车产量和消费大国的行列。这使得汽车工业的发
展面临能耗、排放和环保问题，而这些问题皆从不同角度涉及到车身新材料轻量化。本文介绍了铝合金在汽车上
应用的现状以及铝合金铸件在车身、底盘等结构中的应用前景。通过用ProCAST模拟软件对铝合金薄壁件的多 种浇铸工艺方案进行模拟，通过模拟结果的对比，出合理的浇铸工艺，并制备出完整的薄壁铸件。
关键词：铝合金低压铸造薄壁件数值模拟充型过程
中图分类号：TG249.6 文献标识码：A 文章编号：
0 前言
“十五”期间，作为我国国民经济支柱产业之一的汽车工业得到了飞速发展，目前我国汽车年产量已超
过700万辆，到2010年将超过1000万辆。伴随着汽车产量和消费量的增加，能耗、环境和安全问题也日
益突出，汽车油耗除了取决于发动机的性能外，还和汽车的整车质量密切相关，最近世界铝业协会提出汽
车每减重10%，油耗可降低8%。而铝合金具有密度低，比强度、比刚度高等一系列优点，是作为汽车轻
量化最理想的材料[1]~[3]。铝合金在汽车上的应用目前主要以铸件的形式集中在轮毂、发动机缸体、缸盖以
及变速箱和离合器等。铝合金在车身、底盘等大型结构件上的应用则相对较少，汽车结构件用铝合金材料
的成形工艺不成熟，生产成本较高，目前只有在少数国外运动和豪华车型上得到应用。因此世界各国都在 探索和开发铝合金新的高效短流程加工工艺，在满足车辆设计对材料的特殊要求的同时降低制造成本，以
推广其在汽车上的更大规模应用。
1 铝合金在车身、底盘等结构上的应用
白车身(Body-in-White)通过大量使用轻金属可以大幅度减重，最近研究成功的全铝车身可以减重30～50%
以上。目前铝合金车身生产工艺大致为两种：一是采用空间框架结构的方法，即用铝合金铸件将挤压型材连接 构成骨架，然后蒙以铝板形成车身；二是采用与钢质车身类似的冲压和焊接制造单片车身板件。这两种生产工
微波真空烧结炉艺各有优点：空间框架结构的生产不需要冲压成形工序，因此模具投资较少；而冲压加焊接工艺生产效率较高，
可以降低单片冲压件的制造成本。世界各主要汽车制造厂在近几年中都有铝制车身的概念车或批量生产的车型
问世。
奥迪公司在1995年首先批量生产的Audi A8型轿车是空间框架结构最具代表性的成功之作[4](如图1所示)。
车身框架
(a) 车身 (b)
图1 Audi A8 全铝车身
铝合金板、挤压型材及铝真空压铸件是Audi A8铝车身的三种基本元素。由于采用轻金属铝，使车身质量减轻50%。铝空间框架的设计使车身的静态扭转刚度提高60%。在整车总重385公斤的铝质零件中，板材占了125公斤，挤压件占了70公斤，铸件占了150公斤，另外40公斤为其他形式的铝材。车身外覆盖件是由铝合金板冲压加工制造，铝板的厚度比钢板要增加0.2-0.25倍，某些覆盖件的加强板也采用了挤压铝型材。覆盖件与骨架的联接是通过冲压铆钉铆接完成的，铆接的强度比点焊高30%，在所有的联接中铆接占68%，其它的联接方法有焊接、钩钳等。在车门防撞结构中，采用了具有网状断面的挤压型材做防撞梁，并且把车门与支柱、门槛等骨架设计成有重叠部分的结构，能很好地满足防撞要求。
目前全铝车身基本都是采用铝合金金板、挤压型材通过冲压和弯曲成型后，采用焊接和铆接等方式组装而成。这种生产方法的生产工序多、生产效率低、制造成本高。2004北京国际车展上展出的荷兰世爵系列跑车的超强车架全部采用铝合金一次压铸而成[5](如图2所示)。目前虽然很难到世爵跑车铝质车架详细的技术参数，但该车的出现为铝质车身整体压铸成形提供了可行依据。和采用铸造工艺生产
汽车零件一样，车身整体压铸成形可以实现大规模生产，同时提高生产效率，降低生产成本。
Lotus 轿车公司新型车体结构的设计理念主要关注汽车铝合金底盘平台，使其能够适用于各种类型车体、重量和尺寸，从而降低了开发成本，并缩短了新车型的开发周期。这种新型车体结构称为通用平台(V ersatile V ehicle Architecture)具有车辆底盘和车体关键部件的通用性和互换性，一般来说可以达到生产5 万套汽车底盘平台[6]。该通用平台几乎全部采用铝合金制成，其中底盘为铝合金整体铸造(如图3所示)，通过整体铸造可以减少部件的联接点数量和重量，提高生产效率，同时提高底盘的整体刚度。
图2 荷兰世爵系列跑车的超强铝合金整体铸造车架图3 Lotus轿车公司铝质底盘，蓝部分为冲压部件，
红部分为铸造部件，灰部分为铸压部件
2 大型铝合金结构件整体铸造技术
近几十年来，采用低压铸造和差压铸造等特种铸造技术可以生产一些高质量的精密复杂薄壁铸件，又无需后续的机加工成形，因此低压铸造和差压铸造技术成为重要的先进近净成形技术。这些铸件具有优良的机械性能和物理性能，非常适合于生产汽车零部件。
中草药压片机低压铸造是便液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺过程是：在密封的坩埚(或密封罐)中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流回坩埚，再由气缸开型并推出铸件。
低压铸造独特的优点表现在以下几个方面：a．液体金属充型比较平稳；b．铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成形更为有利；c．铸件组织致密，机械性能高；d．提高了金属液的工艺收得率，一般情况下不需要冒口，使金属液的收得率大大提高，收得率一般可达90％。此外，劳动条件好；设备简单，易实现机械化和自动化，也是低压铸造的突出优点。据文献报道，美国采用低压铸造法生产军用大型铝合金铸件已很普遍，例如 800mm×5000mm、壁厚6～8mm 的铝合金舱体就是用低压铸造法生产的。哈尔滨第一机械制造厂用低压铸造法生产变速箱和传动箱箱体大型铝合金铸件，铸件最大尺寸1024mm×346mm×465mm，最大毛重85kg，同重力铸造比，铸件质量好，金属利
用率高[7]。沈阳铸造研究所铝合金技术产业部作为我国最大的铝合金铸件生产基地，生产的军用高精度优质复杂薄壁铸件，如主要壁厚为4mm，外形尺寸2000mm ×1100mm。铸件净重238kg的筒状件；主要壁厚为3mm，外形尺寸为640mm×480mm ×420mm，铸件净重24.5kg的箱体铸件。
差压铸造又称反压铸造、压差铸造。它是在低压铸造的基础上，铸型外罩个密封罩，同时向坩埚和罩内通入压缩空气，但坩埚内的压力略高，使坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。它是低压铸造与压力下结晶两种铸造方法的结合。因差压铸造金属液是在一定压力下充型，故带来一系列有利于获得优质铸件的因素。1)可获得最佳的充型速度；2)可获得最优质的充型金属液，可避免外来夹杂物进入型内。3)可获得致密的铸件；4)可获得无针孔、少针孔的铸件；5)铸件尺寸精度与表面质量改善，不会引起铸型的变形或使铸件表面机械粘砂；6)可提高铸件力学性能，与低压铸造相比，差压铸造的铸件材料的抗拉强度可提高10－50％，伸长率可提高25－50％。
目前国内采用差压铸造法生产的最大铸造为直径540mm、高度890mm、壁厚8～10mm，重达100公斤以上的大型复杂薄壁整体舱。可铸造的合金有铝合金、锌合金、镁合金、铜合金，还有铸钢。生产的铸件有电机壳、阀门、叶轮、气缸、轮毂、坦克导轮、船体等。在压力铸造机上生产受投影面积或壁厚限制的铸件均可用差压铸造法生产。
目前铝合金大型结构件整体铸造几乎只限于军用和航空产品，批量较小，所以一般采用砂型铸造，生产效率低、工人劳动强度大。要将铝合金大型结构件整体铸造技术应用于汽车行业，实现大规模批量生产必须用金属型取代砂型，并研究和解决由此产生的各种问题。
3 大型、薄壁铝合金结构件金属型低压铸造
金属型铸造工件降温速度快，铸件壁厚一般不能小于5 mm。同时，金属型铸造透气性差、无退让性等特点，铸件容易产生冷隔、裂纹和气孔等铸造缺陷[9]~[17]。作为汽车关键零部件的乘用车前盖板、车门和底盘等大型框架类结构件在汽车车身中主要起连接和承载作用。这类零件的尺寸精度要求高，大小可达1600×4000mm，壁厚变化大1～10mm，薄壁小于4mm局部薄至1mm，结构上往往由几个大的平面和曲面组成。因此，采用金属型低压铸造制备汽车大型铝合金结构件目前仍有较大困难。本文采用ProCAST模拟软件对铝合金薄壁件的多种浇铸工艺方案模拟，并分析了充型速度、加压速度、浇注温度与铸型温度对铝合金薄壁件充型过程的影响，依据模拟分析结果设计的浇铸工艺制备出了完整的薄壁铸件。
3.1几何模型的建立
车流量本文使用CAD软件UG对铝合金薄壁铸件进行实体造型(见图4)，铸件外型呈L型，尺寸为长300mm，宽100mm，壁厚 1.5mm。然后经Parasolid格式的转换导入
ProCAST进行网格剖分、计算参数设置等处理。根据数值计算
原理和计算机性能要求，为了得到精确的模拟结果和减少计算
量，有限元模型采用非均匀四面体网格对几何模型进行网格剖
分，即浇道和铸件采用较小的网格尺寸进行剖分，保证薄壁处有
2或3个单元，而铸型则采用较大的网格尺寸进行剖分，如图5，
图6所示，计算所采用的有限元网格规模为：单元总数为209517，
节点总数为41413。
图5 铸型的网格剖分图6 铸件与浇道的网格剖分
图4 铸件的三维几何模型
3.2 参数设置
压铸材料选用的是铝合金A356，其热物性参数如表1，表中合金密度、潜热与热导率都是随温度变化的，比热数值指0~100℃范围内，金属和金属间的热交换系数设为1000w/m 2.k 。
表1 合金及泡沫材料的热物性参数
材料
密度/kg ·m –3 比热/kJ ·(kg ·k)–1 潜热/kJ ·kg –1 热导率/w ·(m ·k)–1固相温度/k 液相温度/k 铸件(A356) (2.4~2.7)х103 0.964 29.3~1294 92.8~184 829 889
3.3 模拟方案
根据压铸铝合金铸件浇铸工艺的设计原则，考虑铝合金薄壁件的金属型压铸具有降温速度快、透气性差、无退让性等充型特点，为了得到充型完整的铸件，在同一浇注系统基础上设计了6种浇铸方案如表2，改变浇铸工艺参数，分别模拟了加压过程、浇注温度与铸型温度对铝合金薄壁件充型过程的影响。其中加压曲线如图7，加压曲线中a 点到b 点表示升液过程的压力变化，b 点到c 点表示充型过程的压力变化，c 点到d 点是增压过程的压力变化，d 点以后是保压过程。加压曲线2与加压曲线1相比，各阶段斜率大，表示在加压过程中的升液压力、充型压力与增压变化快，压力大。然而升液速度设置不能太快，以使合金液在升液时保持稳定的层流状态，避免卷气和氧化夹渣；如果升液速度太慢，铝合金薄壁件降温速度快，致使合金液充型困难。
表2 浇铸方案
浇铸方案 1 2 3 4 5 6 浇注温度 730℃ 730℃ 730℃ 770℃ 770℃ 770℃ 铸型温度 300℃ 300℃ 600℃ 300℃ 300℃ 450℃ 加压过程 加压曲线1 加压曲线2 加压曲线1 加压曲线1 加压曲线2 加压曲线2
压力/a t m 时间/s
图7 浇注压力随时间变化的关系
3.4 模拟结果与分析
模拟结果显示，在6种浇铸方案中，只有方案3与方案6可以得到充型完整的铝合金薄壁铸件，浇铸方案3设计了较高的铸型温度，接近铝合金液相线温度，是为了防止铝合金液因为金属模降温快而在充型完成前凝固。浇铸方案6浇注温度较高，浇注压力大，加压快，克服了金属型降温快，无退让性的缺点，在合金液凝固前以较快的速度充型。因此浇铸方案3与浇铸方案6同时得到了充型完整的铸件，图8与图9分别是浇铸方案3与浇铸方案6的不同时刻的充型形态，由图8和图9可以看出，在浇铸方案3的浇铸工艺下，铸型温度高，合金液在充型的整个过程中基本上没有温度场的变化，并且充型完成后，
铸件的温度还在590℃左右，因此在充型结束后就要延长保压时间来进行铸件的补缩，势必会浪费时间和增加成本。而浇铸方案6，铸型温度低，合金液在充型过程中，温度不断下降，到充型结束后，温度已降到570℃，基本接近固相线温度，这样，可以减小保压时间，提高生产效率。同时，浇铸方案3的模具预热温度高，在模具加热与冷却过程中容易造成模具温度不均匀，很难达到模具的热平衡，从而导致模具使用寿命短。因此最终选择浇铸方案6作为实验的浇铸方案。
(a) 1.28s (b) 1.44s (c) 1.66s (d) 1.94s
自由落体运动实验
(a) 2.22s (b) 3.1s (c) 5.12s (d) 5.91s
图8 浇铸方案3浇注开始后不同时刻的充型形态
简单的延时电路
(a) 0.95s (b) 1.04s (c) 1.15s (d) 1.64s
保健油图9 浇铸方案6浇注开始后不同时刻的充型形态
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