摘要：前轮罩作为车身的主体架构零件,对整车结构性能起着重要作用,在我司的某车型上正向开发运用了高压铸铝工艺,材料采用ALSI10MNMG,在满足造型接口需求的基础上,锁定前轮罩的结构设计方案,通过对高压铸件的工艺调试进行分析研究,样车制造时出现轮罩边缘开裂问题。为解决该问题,通过优化模具温度,铝液温度,提高压射速度,优化排气和增加过水片等工艺参数及结构,铸件力学性能从抗拉和屈服强度以及延伸率不满足要求的情况下,改善到抗拉强度198MPa,屈服强度136MPa,延伸率11.7%,延伸改善了282%,满足设计使用要求,得到浇道大小和排气大小是影响高压铸件力学性能参数的主要因子,通过优化这两个因子的数值可以改善压铸件的力学性能。

关键词:高压铸铝;前轮罩;工艺参数;开裂;延伸率

引 言

车身轻量化是衡量车身性能优劣的重要指标之一。近年来,一体式大型铸铝技术的广泛应用已成为实现车身轻量化的重要途径。传统车型的前轮罩通常由十几个零部件拼焊而成,而采用高压铸造工艺制造的前轮罩不仅能够显著减轻重量,还能优化生产工序,降低物流成本,并提高整车装配尺寸的精度。此外,这种工艺还能大幅提升车身局部的刚度性能。在某车型的前轮罩中,采用了市场上主流的ALSI10MNMG铝合金材料,并根据设计需求,采用T7热处理工艺。该工艺要求材料的力学性能达到以下标准:抗拉强度大于180MPa,屈服强度大于120MPa,延伸率大于10%(延伸率测试参考标准为ISO6892-1)。本文针对高压铸铝前轮罩的工艺进行了优化,并对其力学性能进行了深入研究,以确保满足设计所要求的性能指标。

1、高压铸铝轮罩结构设计及工艺方案

图1展示了铸铝前轮罩的结构。由于造型和布置的要求,轮罩上表面设计了大型异形孔,以避开悬架的包络区域。同时,为了满足性能需求,在前轮罩末端边缘与周边钣金的搭接处,采用了蝴蝶边处理以保证连接强度,并预留了钢板之间的焊接空间。该轮罩采用一体化铸造工艺,材料为ALSI10MNMG,零件重量约为6.23kg,厚度在2.5mm至10mm之间。由于连接工艺的需求,轮罩周边与车身其他钢制钣金的匹配面设计厚度为2.5mm。为了满足连接部位的力学性能要求,采用了T7热处理工艺,确保材料的抗拉强度大于180MPa,屈服强度大于120MPa,延伸率大于10%。

通过压铸模具的CAE分析,对初始工艺参数进行了设置,包括浇注温度、模具温度、压射速度、填充时间、内浇口速度、内浇口面积、定模温度、动模温度、水温、油温、异形孔中间的初始过水片厚度以及真空罐进气量等。软件模拟分析结果显示,这些工艺参数是可行的,零件排气合理,无卷气风险,且不存在锁孔缩松缺陷的风险。图2是该轮罩在工艺参数设定下的CAE成型分析结果示意图,其中2a图是高压铸铝前轮罩充型结束气压发布,2b图是高压铸铝前轮罩充型结束缩孔分布。

2、铸铝轮罩试制开裂及原因分析

基于上述工艺参数,前轮罩在完成压铸成型及T7热处理后交付入厂。在样车车间进行总成拼焊时,铸铝轮罩与钢制零件通过自冲铆接(Self-Pierc-ingRivet,SPR)连接时出现了铸铝件边缘开裂的问题。图3(a)展示了轮罩总成SPR主要连接区域,图3(b)主要是铝轮罩的开裂位置,开裂主要集中在铸铝件末端,开裂率高达58%。为了分析开裂问题,首先从工艺角度进行分析。SPR属于机械连接方式,通过铆模对连接板材上的铆钉施加压合力,使铆钉尾部变形并形成锁止长度,从而保证连接强度。影响连接质量的因素众多,包括送钉设备、上下铆模、铆接速度、钉子型号、铆接位置以及铸铝件的材料特性(如延伸率、孔隙率、表面特性等)。在项目前期开发设计阶段,通过取样料片进行了连接试验,确认了送钉设备、上下铆模、铆接速度、钉子型号和钉子直径等工艺参数信息。试验结果表明,5mm直径的钉子能够满足连接力学性能要求,这些参数直接应用于产品件的连接。因此,SPR连接工艺参数不当并非导致开裂的原因。

在铸铝零件的末端,取样了两个位置区域一和区域四,按铸件标准ASTMB557M中的试件尺寸要求取样,对零件取样做拉伸试片后,得到铝件的力学性能参数为:抗拉强度157MPa、屈服强度139MPa、延伸率2.4%,不满足设计初始力学性能要求;从试件样片的断后图片看,发现断口内有夹层,该铸件存在质量缺陷,不满足设计的零件质量要求。

3、铸铝轮罩力学性能提升研究

为了全面了解铸件的力学性能状态,提升该零件的力学性能,在零件上定义了5个位置,后续将对这5个铸件末端位置进行检测,以确认零件质量是否满足要求,5个位置具体如图4(a)和图4(b),其中图4(a)是轮罩上位置,图4(a)是轮罩上的切割后的样条。

以该零件的主要工艺参数作为因子进行研究,得到在不同因子的状态下力学性能影响大小,从而解决该质量问题。在模具主体结构不变的基础上,通过对铝液温度、模具问题、水温、渣包大小、油温、压射速度、模具结构等不同参数因子进行调整,分析对铸铝轮罩力学性能的灵敏度大小,在CAE得到的初版工艺参数基础上,进行了五轮工艺参数迭代优化,迭代的主要参数信息见表1,其中因子中渣包的变化大小及过水片的位置见图5,其中图5(a)为前轮罩原设计渣包大小,图5(b)为前轮罩设计变更后渣包大小,图5(c)为前轮罩设计变更后增加的过水片位置,从图可以看出设计变更后渣包变大且过水片增厚互相贯通可流动,方便浇注时的气体排出,改善铝液流动性。

经过五轮高压铸造工艺参数的迭代优化,取样得到的力学性能试验结果如图6所示。第四轮和第五轮的压铸工艺参数下的力学性能均满足要求,其中五个取样位置的延伸率均大于10%,且抗拉强度和屈服强度均达到了设计的材料力学性能要求。

通过对比分析,发现过水片厚度和渣包大小是影响轮罩延伸率力学性能的主要因素,即浇道大小和排气系统的合理性是影响高压铸件力学性能的关键。

基于这一研究结果,在产品设计上进行了映射。在下一代车型中,轮罩的结构设计经过优化,优化后的结果见图7。具体优化措施包括:缩小轮罩主体件中间的打孔,改为小异形孔;同时对铸件末端的切边进行优化,取消蝴蝶边设计。目前,经过CAE软件分析,优化后的轮罩力学性能满足要求,将搭载于下一代车型进行验证。

4、总 结

为了提高整车的轻量化系数,在某车型商采用了高压铸铝前轮罩。然而,在样件制造过程中出现了零件末端开裂的问题。通过零件取样分析发现,铸件的力学性能未能达到设计要求的延伸率。由于整车的布置和造型要求,前轮罩上表面设计了超大异形孔以实现空间避让,但这影响了铝液的填充和排气,导致铝件末端出现断口夹层。尽管调整了模具温度、铝液温度和压射速度,但这些措施并未显著改善铝件的力学性能。相反,排气渣包的大小和过水片的厚度才是影响铝件力学性能的关键因素,调整这两个参数对提升力学性能最为有效。

为了解决开裂问题,在基础工艺的基础上,对铸铝轮罩进行了优化:加大排气,将铸件末端改为大渣包,并将过水片的厚度局部优化至7mm。经过这些改进,轮罩的抗拉强度达到198MPa,屈服强度达到136MPa,延伸率达到11.7%,延伸率提升了282%。优化后的轮罩在总成拼焊过程中未出现开裂问题,满足了设计质量要求。