文：泛亚汽车技术中心有限公司 潜圣汶、郑德兵

摘要：阐述了实现车身轻量化的关键技术途径，以汽车前轮罩为例，从其结构设计、成形分析及生产工艺等方面论述了高压真空铸铝件可实现的结构特点及关键技术，基于前期成形的结构设计优化及模流分析，二级真空及局部挤压技术是提高铸铝轮罩合格率的关键。

关键词：高压铸铝；成形分析；局部挤压；前轮罩；压铸

 引 言

汽车行业的高速发展给能源消耗和环境安全带来了巨大挑战，随着国内外对环境问题日益重视，汽车车身轻量化已成为近年来国内外汽车发展的主流，铝车身制造技术是汽车轻量化的关键技术之一。具有结构灵活、强度高、吸能效果好等优点的铸铝件在车身框架上得到了大量应用，主要用在车身结构的连接节点和应力集中位置，与其他构件连接形成抗变形高强度的框架。铸铝件根据结构需要加工成复杂的形状以保证车身框架具有最佳的刚度。由于壁厚要求（一般在2-5mm），车身铸铝件主要为高压薄壁铸铝。

高压铸铝车身结构件通常具有尺寸大且精度要求高、壁厚薄、结构复杂等特征，目前主要应用于前轮罩、铰链柱、前纵梁后段、后纵梁前端等。现研究高压铸铝前轮罩，探讨高压铸铝车身结构件的结构设计、成形分析及生产工艺等。

1、 高压铸铝前轮罩的结构设计

高压铸铝车身结构件的开发设计需考虑：①整车的碰撞和耐久性能；②安装和布置要求；③零件的力学性能；④零件的成形和连接工艺。车身前轮罩在整车中的主要作用是满足前悬架的刚度需求，为整车操控性提供保障；次要作用是保证满足耐久试验的情况下零件及连接点均不开裂；在整车碰撞的过程中对纵梁重要传力路径干扰少，不影响纵梁的整体变形，并辅助纵梁吸收碰撞能量。经过拓扑优化设计，在空间上找到最佳结构传力路径，得到高压铸铝前轮罩最佳空间结构。此外为满足刚度要求，在避震塔安装顶部区域需要更多材料和更复杂的特征，可以通过增加加强筋及材料的厚度实现，前轮罩结构如图1所示。

由于国内高压铸铝结构件开发经验不足，高压铸铝轮罩在初始设计阶段进行成形性能分析，零件的外形结构直接影响其铸造可行性，合理的零件结构设计可减少成形缺陷的发生率。零件铸造成形阶段会产生浇注不足、缩孔疏松等影响铸铝轮罩力学性能的缺陷，这些孔洞缺陷在长期使用情况下会成为裂纹扩展源，并导致轮罩的脆性断裂，严重影响零件的使用性能。因此为保证铸铝件的成形性能 及在车身上使用的可靠性，其结构设计要点如下。

（1）考虑零件的分型线和开模方向。零件在开模方向具有脱模斜度，一般要求外拔模角为1°，内拔模角为2°-3°，避免内部凹陷结构，如图2所示。

（2）考虑零件的脱模设计。零件需增加凸台平面，垂直于动模推杆方向，有利于成形零件脱模。

（3）考虑零件加强筋的设计。尽可能增加加强筋的分布范围及使加强筋和材料的流入方向一致，不会导致材料过早冷却出现浇注不足的情况。

（4）考虑零件的料厚。要求零件料厚分布均匀，避免料厚变化过于急剧，同时要避免材料冷却速度差较大，局部出现缩孔等缺陷。

（5）考虑零件孔的设计。一些定位孔、精度要求高的孔，只能先做锥坑再加工成形。

2、高压铸铝前轮罩的模拟分析

压铸成形的数值模拟是确定铸铝件最终成形工艺的基础，国内外对压铸过程的宏观模拟主要有：模具热循环的温度场、料缸推进过程中液态铝合金的流动和与压室的热交换、充型过程中的流场和温度场耦合模拟、凝固过程的温度场模拟等。目前压铸成形的 CAE 分析软件主要有 Procast、Magma-soft 以及 Flow-3D等，被大量应用于高压铸铝数值模拟研究中，且被证实对优化工艺、预测缺陷位置等具有重要意义。由于高速、高压、壁薄等特点，高压铸铝轮罩采用Flow-3D进行模流分析，分析参数如表1所示。

2.1 速度场模拟

充型过程的流场模拟中，将液态铝合金看成不可压缩流体，其流动过程服从质量守恒和动量守恒定律，数学形式为连续性方程、N-S方程以及能量方程。流场的模拟可以准确地判断卷气、夹渣等缺陷的位置，同时也可以对浇注系统的设计提供参考。在高压铸铝轮罩浇注系统设计时，提出了中心浇口和侧浇口2种方案，如图3所示，分别对其进行 CAE模流分析。经模拟对比2种方案的充填、卷气、夹渣等情况，充填过程中内浇口速度在40-60m/s，铸件内均未出现大量卷气，充填结束时温度均高于液相线温度606℃，充型速度、充型时间及铸件温度等都合设计要求。但采用中心浇口的方式有明显的优缺点，由于其进料口设在待成形前轮罩的关键部位，避震塔安装顶部力学性能更好，但是中心浇口孔径尺寸大，且内浇口与轮罩因连接强度低而易脱离，需在模具中增加切断料柄机构。该零件采用了侧浇口方案，为了提高生产效率并减少模具制造费用，最终浇注系统设计为1模2腔，如图3（c）所示。铸铝轮罩充型过程的速度场模拟如图4所示，整个充型过程平稳且不存在表面汇流紊乱现象，整个型腔按顺序充型且浇口处速度保持在 60m/s以下。最终充型时间为0.96s充型过程卷入的气体可以从溢流槽中排出，如图5所示，溢流槽设计满足要求。

2.2 温度场模拟

凝固过程的温度场模拟可以预测缩孔疏松形成、微观组织形成及热裂、变形等，同时对冷却水道的布置提供设计参考。为提高计算效率，可对高压铸铝前轮罩凝固过程的初始及边界条件进行假设，即热物性参数、界面换热系数、环境温度等为常数，处理潜热时认为固相分数与温度呈线性关系等。此外铸铝轮罩在充型结束时的温度分布即为凝固过程中铸件与铸型的初始温度。通过计算换热方程，其凝固过程中的固相分数如图6所示。从图6可以看出，轮罩薄壁部位先凝固，厚壁部位后凝固，最后凝固收缩区域位于浇注系统。当凝固时间为4s时，轮罩温度全部低于固相线；在22s时，整个铸件完成凝固，最终铸铝轮罩中无宏观缩孔。

3、 高压铸铝前轮罩生产工艺

高压铸铝前轮罩生产工艺流程如图 7 所示，实际生产中需严格控制每个工序。在铝锭熔化时，需实时检测并控制铝液的成分和温度；在浇注过程中，利用计算机辅助设计和检测技术，控制前轮罩的孔洞缺陷；研究热处理机制，提高铸铝件的力学性能；通过预整形和精整形，确保成形零件的尺寸精度。

3.1 真空高压压铸技术

铸铝件产生的孔洞缺陷主要有2种：收缩性缩孔和析出性气孔。收缩性缩孔是液态铝合金在最后凝固区域产生的体积收缩，由于无法得到补缩，产生不规则形状的孔洞缺陷。一般情况下浇注温度越高，收缩越大；压力越大，铸铝件晶粒越细，铝液充型性能越好。因此车身前轮罩在成形过程中通过提高压力和适当降低浇注温度能减少上述缺陷。析出性气孔是由于压铸过程中气体无法及时排出，在铸件内部及表面产生孔洞缺陷。气体的来源主要是铝液精炼时溶解的大量气体（主要为氢气）、铝液充型速度过快而卷入的空气等。高真空压铸技术在压铸过程中抽出型腔内气体，以减少或消除铸铝轮罩内的气孔。

高压铸铝轮罩采用了二级真空系统，如图8所示，图中P是压力，Vc是真空度，V1、V2是左右2个真空罐，保证从注射到凝固结束时模具型腔内的高真空度（达 5kPa 以下），双级真空即在料筒端和模具端分别抽真空。当注射冲头前进封住浇料口时，料筒端真空系统启动，并在冲头封住料筒端抽气口时关闭。与此同时模具端真空系统开始工作，将型腔内的空气抽出，该技术称为结构件生产技术，应用在车身结构件中。通过高压真空，对铸铝轮罩按 ASTM E505进行X光无损检测，可达到要求：重点区域≤1 级，一般区域≤2级。

3.2 局局部挤压技术

为了保证铸造过程中的高真空度，一般待成形铸件中所有的孔需要取消预铸，然后采用后工序成形（切边工序或 CNC 加工）。对于厚壁处的孔可以通过局部挤压技术进行半固态成形，有利于减少甚至消除局部孔洞缺陷，局部挤压作用如图9（a）所示。局部挤压技术与高压压铸相结合的工艺在国外已有大量研究和报道，主要集中在不同挤压工艺如挤压力、延迟时间等对压铸件内部孔洞缺陷的影响，国内相关研究工作相对落后。研究表明对 AlSi10Mg 铸件局部挤压最佳温度为550-570℃，此时铝合金处于半固态；对于 AlSi9Cu3 高压铸件，挤压延迟时间取 1.0 s，挤压时对应的铝合金温度在560-570℃，固相分数处于19%-37%，挤压持续5s 可得表面光滑、内部组织良好的铸件。

由于成形零件及模具结构的限制、挤压销的使用环境严苛等，局部挤压技术在国内外应用较少。高压铸铝前轮罩采用了局部挤压技术，图9（b）所示孔周围壁厚达16.5mm，正常凝固时该区域将会因无法补缩而出现缩孔疏松。采用局部挤压能有效解决该缺陷，对实际生产具有重要意义，最终生产零件的检测结果如图10所示，X 光检测无孔洞类缺陷。

4、结束语

铝合金具有密度小、比强度高等优点，广泛应用于汽车车身的制造，铸造是车身铝合金零件的主要成形方式之一。传统的铸造工艺由于其局限性，在车身铝合金零件成形的合格率上难以再有较大的提升，通过对车身前轮罩的结构设计、成形工艺及仿真分析，得到辅以局部挤压成形的高压真空薄壁铝合金的铸造技术，提高铝合金零件的成形性能，减少铝合金零件的成形缺陷。