（精密仪器及机械专业论文）轻量化客车车身铝合金真空压铸杆件开发研究.pdf

摘要 安全、环保、节能是汽车发展的永恒主题，特别是在当今汽车拥有量急剧上升、环 境受到严重威胁、能源日益紧缺的时刻，汽车轻量化尤为重要。以铝代钢的轻量化客车 作为客车主要发展方向，受到人们越来越多的关注。但是，客车轻量化在国内仍停留于 试验阶段，主要因为仍未找到有效的措施解决因车身杆件品种多、品质难控制、连接部 位缺陷多而造成车身强度达不到要求等问题。本课题合作企业之一，多年前开发的一款 全铝车身就因杆件断裂而中断了研究。 本文针对上述问题，开展了客车轻量化关键技术一一铝合金真空杆件开发研究。首 先着重研究了现有客车车身的结构特点，根据车身应力分析结果与材料特性，将原钢质 车身底架的行李舱杆件铝化为具有同一截面形状的铝合金型材；并为钢铝杆件连接设计 了具有特殊接头的铝合金连接杆件；通过对比各种连接方式特点，采用铆钉连接方式实 现钢铝接头之间的连接并校核；经过c a e 分析，铝合金型材与连接杆件的强度满足要求， 解决了杆件品种多及杆件之间连接难的问题。 其次，本文在连接杆件的模具开发中设计了可供多种杆件共用的模架；采用真空压 铸技术，并利用c a e 模流技术协助模具浇注系统与真空通道的设计，以满足连接杆件高 强度、高品质的生产要求。 最后，实际生产铝合金连接杆件并进行尺寸与力学性能检测。检测结果表明，经热 处理的真空压铸杆件的品质达到设计时所提出的各项要求，表明了铝合金真空压铸杆件 开发方案是可行的。本文还提出了铝合金压铸杆件设计与生产规范，用于指导其他车身 杆件的设计与生产。 关键词：客车轻量化；铝合金；真空压铸 a b s t r a c t s a f e t y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n ga r et h ee t e r n a lt o p i c so fa u t o d e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yi nt h e t i m ew h i l et h eg r o s so fa u t o m o b i l eh a v er i s e ns h a r p l y ， as e r i o u st h r e a tt ot h ee n v i r o n m e n ta n de n e r g ys h o r t a g e s i ti si m p o r t a n tt od e c r e a s e t h ew e i g h to fa u t o m o t i v e a sam a i nd i r e c t i o no fa u t od e v e l o p m e n t ，t h el i g h t w e i g h t c o a c hw h i c hu s ea l u m i n u mi n s t e a do fs t e e ib o d yh a v eb e e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n h o w e v e r , t h el i g h t w e i g h tc o a c hi sr e m a i na tt h es t a g eo fe x p e r i m e n t a t i o ni n t e r i o r l y , t h a ti sb e c a u s et h e yh a v e n tf o u n da ne f f e c t i v em e a s u r et or e s o l v et h ep r o b l e mt h a t t h eb o d yi so u to fs t r e n g t hd u et oad i v e r s i t yo fb o d yc o m p o n e n t sa n dt h eq u a l i t yo f r e f r a c t o r y , a l s ob e c a u s eo fm a n yi i m i t a t i o ni nt h ep o s i t i o no fc o n n e c t i n g o r eo ft h e s u b j e c to fc o o p e r a t i v ee n t e r p r i s e sw h oh a v ei n t e r r u p t e ds t u d yo na l l a l u m i n u mb o d y f r a c t u r ed u et ob a rf r a c t u r eaf e wy e a r sa g o i na l l u s i o nt ot h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m sa n dt h en e e d so fe n t e r p r i s e s ，t h i s p a p e rc a r r yo u tt h ek e yt e c h n o l o g i e so fl i g h t w e i g h tc o a c h ，t h a ti st h ee x p l o i t a t i o no f a l u m i n u ma l l o yv a c u u mp a r t ，a n df i r s tf o c u so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x i s t i n gb u s b o d ys t r u c t u r e 。t h e nt r a n s f o r mt h es t e e ip a r t so ft h eo r i g i n a lb o d yi nt h el u g g a g e c o m p a r t m e n to fb o d yc l a s s i st oa l u m i n u mc o m p o n e n tw h i c hh a v eau n i f o r ms e c t i o n a n dd e s i g na na l u m i n u ma l l o yc o n n e c t i n gp a r tw h i c hh a sas p e c i a ic o n n e c t o rf o rt h e i o i nb e t w e e na l u m i n u ma l l o yp r o f i l ea n ds t e e ip a r t i no r d e rt or e a l i z et h ec o n n e c t i o n b e t w e e ns t e e ia n da l u m i n u mi o i n t s ，t h i sp a p e ra d o p tt h er i v e tc o n n e c t i o nb y c o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fav a r i e t yo fc o n n e c t i o na n dc h e c k i n g a f t e rc a e a n a l y s i s ，w ef o u n dt h a tt h ei n t e n s i t yo fa l u m i n u ma l l o yp r o f i l ea n dc o n n e c t i n gp a r t m e e tt ot h er e q u i r e m e n t ，a n dt h e s eh a v er e s o l v e dt h ep r o b l e mo fm u l t i s p e c i e sb a r a n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e np a r t s s e c o n d l y , i nt h ee x p l o i t a t i o no fc o n n e c t i n gp a r tm o u l d ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sa m o l d b a s ew h i c hc a nu s ef o rd i f f e r e n tp a r t s f o rt h es a k eo fh i g h s t r e n g t ha n dh i g h p r o d u c t i o nq u a l i t yo ft h ec o n n e c t i n gp a r t ，w eu s eav a c u u md i e c a s t i n gt e c h n o l o g y a n dm o l dc a et oa s s i s tt h ed e s i g no fm o l dc a s t i n gs y s t e ma n dv a c u u mc h a n n e l f i n a l l y , w em a n u f a c t u r et h ea l u m i n u ma l l o yc o n n e c t i n gp a r ta n dt e s ti t ss i z ea n d m e c h a n i c a ip r o p e r t i e s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a l i t yo ft h ev a c u u m d i e c a s t i n gc a s ta f t e rh e a tt r e a t m e n tm e e tt oa l lt h er e q u e s t sb yd e s i g n ，a n dt h i s s h o w st h a tt h ee x p l o i t a t i o np r o j e c to fa i u m i n u ma l l o yc o n n e c t i n gp a r ti sf e a s i b l e t h i s p a p e ra l s op r o p o s e sad e s i g na n dp r o d u c t i o ns p e c i f i c a t i o no ft h ea l u m i n u ma l l o y d i e c a s t i n g a n di tc a nb eu s e df o rt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no fo t h e rp a r t s k e y w o r d s ：c o a c hl i g h t w e i g h t ；a l u m i n u ma l l o y ；v a c u u md i e c a s t i n g 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 熳媚 彻日名厂 登 月 0 。o 人 年 队 年 日 剐岬 沙 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 白久 次 纺彻 签吖 月 人多 明 年 声7 毋 绪论 第一章绪论 1 1 现代汽车车身轻量化的概况 1 1 1 汽车轻量化 安全、环保、节能是现代汽车发展的主题。着眼于节约能源和提高燃料经济性，汽 车轻量化技术已成为当前全球汽车工业的研究开发热点n 3 瞳1 。研究表明：汽车每减重1 0 ，油耗可降低6 - - 8 1 。一般情况，车身质量占汽车总质量的3 0 左右h 3 ，车身的 轻量化对整车的轻量化起着举足轻重的作用。 实现车身结构轻量化主要有两种途径：一是选用强度更高、重量更轻的新型材料， 如铝合金、高强度钢材、复合材料等；二是设计更合理的车身结构，使零部件薄壁化、 中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺改进等1 。第一种途径是目 前汽车轻量化技术研究的主流，针对规模化生产的需要，已有很多轻质材料应用于车身 制造工业，如高强度钢、铝合金、碳纤维等。第二种途径是利用计算机有限元分析技术 和优化设计方法对车身结构进行分析和优化设计，以减少车身骨架的质量1 。 以上两种途径是相辅相成的，将两种途径有效地结合使用，能够在保证车身强度的 前提下，最大限度地降低车身质量。承载式铝合金车身结构是综合采用以上两种途径而 产生的一种客车车身结构，它是利用有限元分析技术将传统非承载式车身骨架进行承载 式改进，然后再用铝合金材料替换原车身钢构件，实现车身结构的轻量化和高强度口1 。 这种车身结构是车身轻量化两种途径结合的典型应用，完全符合了车身轻量化的发展技 术路线。 1 1 2 铝合金材料在汽车车身制造业中的应用 ( 1 ) 铝合金材料的特点 铝合金作为轻量化金属的优势陋3 铝合金不仅力学性能好，而且密度小，约只有钢铁的1 3 ；它具有良好的导热性， 仅次于铜；机械加工性能比铁高4 5 倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性； 铝合金的铸造工艺性能也比较好，可以获得薄壁复杂铸件。随着铝合金技术的发展，铝 中添加镁、铬、硅等合金元素可获得高强度铝合金材料。车用普通钢材的强度约为2 4 0 m p a 左右，高强度钢为5 0 0 , 7 0 0m p a ，而车用铝合金的强度现在可以达到5 0 0m p a 以上， 因此铝合金的比强度( 强度密度) 更高，在等强度设计条件下，铝合金轻得多，可使 厦 人学碰t 学位论史 发动机气缸体和气缸盖减重3 0 4 0 ，全铝车身比钢车身轻4 0 以上，铝合会车轮减 重达3 0 左右。而且，铝合金带来的轻量化又允许制动器、悬架等零部件减重，即二次 轻量化，后者轻量化效果大概是前者的5 0 。 美国的一项研究报告表明，整各质量为1 4 8 3 6k g 的轿车采用铝材料，在保持全部 性能的前提下，车身质量减重1 2 5k g ，其次是发动机零部件质量减重5 4k g 其他总成 和零部件减重效果也很明显，如悬架系统减重2 9k g ，传动系减重1 4 5k g ，车轮减重 1 1 8k g 制动系减重1 09k g ，燃料系统减重9k g ，转向机构减重5k g ，排气机构减 重4k g 等，总计减重超过2 6 0k g ，达到1 7 5 。 德国大众公司的新型奥迪a 2 型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其 总质量减少了1 3 5 k g ，比传统钢材料车身减轻了4 3 k g ，使平均油耗降至每百公里3 升的 水平。 铝合金成型性能好9 铝合金主要分为具有怠好铸造性能的铸造铝合金和加工塑性好的变形铝合盒他们 各有多种成型方法，铸、锻、冲t 艺均适用，r 叮根据使用目的、零件形状、尺寸精度、 数量等各方面的要求和经济效益，选择虽适宜的合金和成型方法。尤其是采用压铸法生 产的铸造铝合金零件，其成品率高。能减少壁厚和后续加工量，并且表面质量好、尺寸 精度高很适合于大批量牛产。圈i 为欧洲车用铝材各成型方法所占比例。 掣e 妻 图卜1 欧洲车用铝材各成型方法所占比例 耐腐蚀性强“” 当铝合金材料暴露在大气介质中t 其表面极易形成一层及其致密的a q 防护氧化 膜，q 防护氧化膜化学性质十分稳定，即使一岛q 防护氧化膜被划伤破坏，新的膜 2 绪论 很快又会产生，从而起到极好的隔离保护作用。另外，铝合金材料有很强的抗硫化物腐 蚀的特性，即使在高达5 0 0 时，也具备良好的抗氧化性能和高达8 0 的辐射能放射率， 一般情况下不必对铝合金结构进行防护处理。 某些铝合金产品表面经过特殊处理后，其表面会形成一层厚几十甚至上百um 的膜 层，该膜层可有效地保护产品不受腐蚀性物质的侵蚀，而且有较高的硬度。 铝合金的节能环保性1 据分析，每年有近6 0 0 0 万辆汽车投放全球市场，如果全球汽车保有量要保持平稳 增长，每年起码将有4 0 0 0 万辆汽车报废，因此回收报废汽车则变得尤为重要。汽车工 业要成为绿色产业，就要求汽车在制造、使用、回收全部过程中尽量少污染。近年来， 为了保护环境，节约资源，各国对报废汽车材料的回收与再生都非常重视。日本在1 9 8 9 年通过了“再生资源利用促进法 ，各汽车公司分别成立了“废车再生研讨委员会 ， 认真贯彻实施该法案。法国的标致雪铁龙和雷诺公司于1 9 9 3 年与政府签订了协议，保 证到2 0 0 2 年，他们生产的汽车报废时材料的再生利用率由7 5 提高到8 5 ，同时协议还 规定，今后在设计和制造汽车时，汽车的装配应考虑报废时便于拆卸。欧盟也立法规定， 在2 0 0 2 年6 月之后生产的新车将来的报废费用完全由生产厂家承担，从2 0 0 6 年起必须 保证占车重8 5 的材料可以回收，到2 0 1 5 年要达到9 5 。 在这种重视回收再生的大背景下，铝材的优势非常明显。铝制品在使用过程中几乎 不发生腐蚀或仅发生轻微的腐蚀，工业上使用的常规材料中，铝的回收价值率是最高的。 而再生铝的能耗仅相当于从铝土矿开采到电解浇铸成原铝锭所需能源的5 ，在铝材一铝 制品一使用一回收再生铝锭一再加工成铝材的循环过程中，铝的损耗也仅5 左右，其再 生性能比任何一种常用金属都高。2 0 0 1 年美国市场供应铝材的1 3 来自回收再利用； 2 0 0 0 年，西方国家铝总产量2 5 0 0 万吨，回收再生的7 0 0 万吨，占2 8 。目前，汽车用铝 的8 0 可以回收，估计到2 0 1 0 年，可达9 0 。 ( 2 ) 铝合金材料在汽车车身上的应用 车身质量约占汽车总质量的3 0 ，车身的质量减轻，对于汽车轻量化具有很大的意 义。近年来各国制造商推出的概念车，在车身上多采用无骨架式结构和空间框架式结构， 而且大多数以铝材料为主，连接方式多为铆接、焊接、粘接。这种结构适用多品种小批 量生产，改型容易，车型多样化；避开了铝合金不易冲压的缺点，不需要大型冲压设备， 可节省投资；减少部件数量，可选任意断面铝材；减少工时，缩短生产时间；大幅度减 厦门大学硕1 二学位论文 轻质量，节约燃料。 空间框架式结构，即a s f 技术，是指由铝挤压成型的多种盒形断面的梁构成空间框 架，空间框架的联接是由真空压铸铝件完成的。车身外覆盖件是由铝合金板冲压加工制 造。覆盖件与框架的联接是通过冲压铆钉铆接完成的。奥迪公司采用a s f 技术，于1 9 9 4 年和1 9 9 9 年分别推出a 8 和a 2 全铝轿车。这两款车的车身质量比传统钢制车身减轻4 0 ， a 2 的总车质量只有8 9 5 k g ，目前a 2 每年制造5 万辆，因此a 2 已经成为世界第一款真正 意义上大批量生产的全铝轿车，而它的钢铁材料比例已降至3 4 ，铝合金比例则达到 2 8 8 ，这两个数字对世界汽车工业具有某种重大变革性的意义。而a 8 更是被评为1 9 9 4 年全世界重要科技成果10 0 项之一n 引。 目前，用于汽车车身板的铝合金主要有a 1 - c o - m g ( 2 0 0 0 系) ，a l m g ( 5 0 0 0 系) ， a l m g - s i ( 6 0 0 0 系) 。2 0 0 0 系铝合金具有优良的锻造性、高的强度、良好的焊接性能， 可热处理强化等特点；5 0 0 0 系铝合金中的t 4 固溶于铝中，形成固溶强化效应，使该系 合金具有接近普碳钢板的强度，成形性和抗腐蚀性能优良，用于内板等形状复杂的部位； 6 0 0 0 系铝合金强度高，塑性好，具有优良的耐蚀性，综合性能好n 3 | 。 汽车车身框架用铝合金大多为5 0 0 0 系、6 0 0 0 系和7 0 0 0 系铝合金车身框架一般用 5 0 5 2 、5 4 5 4 、5 1 8 2 和6 0 0 9 等耐蚀性优良、加工性能好的合金。7 0 0 0 系- - t 5 合金的屈 服强度和抗拉强度比6 0 0 0 系- - t 5 ( t 6 ) 的高，并且大大超过了冷轧钢板的性能。车身框 架适用的材料有板材、挤压型材，钎焊蜂巢状夹层材料等。下表为各种铝合金系列的应 用范围u 钔。 表1 1 铝合金在汽车中的应用范围 系列应用范围 1 0 0 0 内饰件、标牌、热压管 2 0 0 0车身内外覆盖件、支撑件 3 0 0 0内饰件、冷热系统散热器 覆盖件、保险杠、载货汽车车身板件、车身内部板件、 5 0 0 0 结构件、焊接件、车轮、发动机支架 6 0 0 0车身板件、挤压件、万向节叉、行李舱搁板 7 0 0 0 座椅导轨 4 绪论 1 1 3 轻量化客车的研究与发展 ( 1 ) 轻量化客车介绍n 功 当代汽车正朝着轻量化、高速、安全、舒适、节能与低污染的方向发展。客车作为 汽车行业中的一大分支，也沿着这个方向正迅速发展。轻量化客车的出现正是该方向发 展的一个重要体现。轻量化客车是指在保证结构刚度、强度与安全性的前提下，占大部 分客车重量的车身骨架、发动机、轮毂等零部件均采用轻质材料( 主要是铝合金) 生产 的客车。 轻量化客车具有整车重量低、强度高、节能环保的特点。德国海德堡能源和环境研 究所在2 0 0 7 年中国交通用铝研讨会上公布的一项最新研究结果表明，一部经停若干站的 城市柴油客车每减重i 0 0 公斤，在其整个运营周期内就可节约燃油2 5 5 0 升，同时可以大 幅降低二氧化碳等温室气体的排放量。 虽然轻量化铝合金客车具有诸多优良特点，但是由于铝合金成本高，造成了铝合金 客车的造价比普通客车昂贵很多，这使得铝合金客车的推广一直都处在十分尴尬的地 位。然而，随着汽车燃油附加税的开始征收，这一尴尬地位将得到逐步的化解，这也将 大大推进轻量化客车的发展速度，并逐步走向市场化。 ( 2 ) 国内外轻量化客车研究情况 关于轻量化客车，在国外已经有了许多的研究，多家企业拥有制造全铝客车的技术， 其普及率很高。国内则处于刚刚起步阶段，只有少数企业曾经尝试或者准备研究轻量化 客车。下面是一些有关国内外企业已经生产或者准备生产轻量化客车的情况： 瑞典斯堪尼亚( s c a n i a ) 公司开发的新型城市客车，采用了铝合金车身和如同 “奥迪a 8 轿车一样的空间框架结构。 芬兰的l a h d e n - a u t o k o r i 客车非常崇尚使用铝材作为车身材料，该公司在 1 9 6 7 年就开始尝试给客车底盘装配全铝车身，并得到了很好的效果。 1 9 8 7 年巴西的b u s s c a r 公司制造了该国第一辆全铝客车车身。 马耳他一家制造商生产的世界上第一辆水陆两栖用巴士车型也采用轻型铝材。 西安西沃客车拥有国内独家豪华大客车全铝合金车身生产模块，填补了国内铝 合金车身技术的空白，其全铝客车各项技术指标均达到国内外一流水平，整车的国产化 率达到6 0 。 “衡山汽车 公司在2 0 0 2 年试制了第一台1 0 0 国产的全铝合金车身( 包括骨 厘门 学顿l 学位论立 架、蒙皮、午门等) 客车，单台价6 0 多万元。 中威客车有限公司与澳犬利亚合作生产全锚豪华客车已投放市场。 金龙联合汽车工业( 苏州) 有限公刮已于2 0 0 9 年立项发展仝锚车身。 据了解，目前厦门盒龙旅行客车有限公司也在研究新型全铝客车。 厦门金龙联合股份有限公司于2 0 0 2 年曾自主开发了全铝全承载式客车。由于该 车研究较早，诸多技术尚未成熟，尤其是车身零部什的生产工艺较为落后，生产质量达 不到要求，造成车身强度不够车身发生断裂。然而，随着技术的成熟与市场的需求， 他们迫切地感觉到研究生产新型轻量化客车的重要性与紧迫性。目前，大金龙正着手于 与厦门理工学院联合研究新型轻量化全承载节能环保安全客车。 2 0 0 8 年郑州宇通集团与美国美铝公司共同开发了新一代节能环保全铝公交客 车，已于奥运期间在北京展出。该车车身骨架全部为铝台金挤压型材件，采用了焊接与 铆接相结合的连接方式。车身杆件种类数量繁多，而且杆件焊接难度犬，焊接成本相当 高。图l 一2 为# 通全铝客车模型图。圈1 3 为车身铝合金挤压杆件图。 圈1 2 字通全锚客车模型图 图1 3 宇通全铝车身铝合金挤压杆件图 1 2 真空压铸及压铸c a d c a e 介绍 轻量化客车具有高强度的优点，同时对车身构件也提出了高品质的生产要求，而车 构件质量的保证很大程度上取决于生产工艺的先进性。本节将介绍一种能够明显提高 6 绪论 产品质量的先进生产工艺一一真空压铸工艺。 1 2 1 真空压铸技术介绍1 1 6 l l l 7 l i l 8 l i l 9 l ( 1 ) 定义 真空压铸是指将模具型腔中的气体抽空或部分抽空，降低型腔中气压，以利于充型 和合金熔体中气体的排除，使合金熔体在压力作用下充填型腔，并在压力下凝固而获得 致密压铸件的成型工艺。真空压铸主要用于生产要求耐压、机械强度高或要求热处理的 高质量零件，如传动箱体、汽缸体、汽车车身构件等重要而结构复杂的铸件。 ( 2 ) 真空压铸的特点： 显著减少了铸件中的气孔，增大了铸件的致密度，铸件可进行热处理，提高了 压铸件的力学性能。例如，采用真空压铸的锌合金铸件，其强度较一般压铸法增高了1 9 ，铸件的细晶层厚度增加了0 5 m m 。 消除了气孔造成的表面缺陷，改善了铸件的表面质量。 从铸型型腔抽出空气，显著地降低了充填反压力，并可在提高强度的条件下采 用较低的比压( 较常用的比压约低1 0 1 5 ) 压铸出较薄的铸件，使铸件壁厚减小 2 5 - - - 5 0 。例如，一般压铸锌合金时平均铸件壁厚为1 5 m m ，最小壁厚为0 8 m m ，而 真空压铸锌合金时，铸件平均壁厚为0 8 m m ，最小壁厚为0 5 m m 。 可减少浇注系统和排气系统尺寸。 采用真空压铸法可提高生产率10 - - - 2 0 。在现代压铸机上可以在几分之一秒 内抽成需要的真空度，并且随铸型中反压力的减少增大了铸件的结晶速度，缩短了铸件 在铸型中停留的时间。 密封结构较复杂，制造安装困难，成本较高。气孔虽有所减少，但对于壁厚不 均匀、特别是有较厚凸台的铸件，缩松会变得更加严重。 ( 3 ) 真空压铸装置及抽空方法 真空压铸需要在很短时间内达到所要求的真空度，因此必须先设计好预真空系统。 根据型腔的容积确定真空罐的容积和选用足够大的真空泵。 真空压铸密封方法很多，下面简要介绍两种方法： 利用真空罩封闭整个压铸模其装置如图1 4 所示，合模时将整个压铸密封， 液体金属浇注到压室后，将压室密封( 利用压射冲头) ，打开真空阀，将真空罩内空气 抽出，再进行压铸。真空罩有通用和专用两种。通用真空罩适用于不同厚度的压铸模， 7 厦门大学硕f ：学位论文 专用真空罩则只对莫中压铸模适用。这种方法每次抽出空气量大，且操作不方便，现已 很少使用。 l 一真空罩 2 一动模 3 一葡模榘 4 一定摸絮 5 一压铸模 一接真空月通道 7 一弹簧蛰糟 图1 4 真空罩装置图 借助分型面抽真空密封其装置如图l 一5 所示，将压铸模排气槽通入断面较大 的总排气槽，再与真空系统接通。压铸时，当压铸冲头封住浇口时行程开关6 自动打开 真空阀5 开始抽真空。当压铸模充满金属后，小液压缸4 将总排气槽关闭，防止液体金 属进入真空系统。这一方法需要抽出的空气量少，而且压铸型的制作和修改很方便。 图1 - - 5 由分型面抽真空示意图 1 一压射室 2 一定模 3 一动模 4 一液压缸 5 一真空阗 6 一行程开关 ( 4 ) 真空压铸模具设计 真空压铸模具设计应注意以下两点： 由于型腔内气体少，压铸件激冷速度加快，为了有利于补缩，内浇道厚度比普 8 绪论 通压铸加大1 0 2 5 。 因压铸件冷凝较快，结晶细密，故合金收缩率低于普通压铸。 1 2 2 压铸产品与压铸模具设计中的c a d c a e ( 1 ) 压铸产品设计c a d c a e c a d 技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几 何造型设计、有限元分析( f e a ) 及优化设计、数控加工编程( n c p ) 、仿真模拟及产品 数据管理等内容。在进行机械设计时可充分运用c a d 强大的装配功能展示零件与零件之 间的装配过程、拆卸过程。通过生成序列，可以动态地观察装配体装配及拆卸过程。此 过程的动态感很强，在装配时，可以清晰地观察到零件逐一地装配到目标位置，且此 过程可以适时控制，也可生成多个装配序列，观察不同的装配方案。 c a e 技术是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一个综合过 程，关键是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真 和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案，或 者直接进行设计优化。c a e 技术则是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、 热传导、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值 分析方法。同时也可运用c a e 技术中的动力学或静力学分析结果来指导零件的强度设 计。所以c a e 技术在工程上的应用越来越广泛。 目前压铸产品设计中常用的c a d c a e 软件有：p r o e n g i n e e r ，u g ，s o l i d w o r k s ，c a x a ， a u t o c a d ，a n s y s ，h y p e r w o r k s ，a d a m s 等等。本文选用了常用的p r o e n g i n e e r ，a u t o c a d ， a n s y s 对产品进行设计与分析。 ( 2 ) 压铸模具设计c a d c a e 乜妇 压铸模c a d 是指利用计算机技术完成压铸工艺和压铸模设计过程中的信息检索、方 案构思、分析、计算、工程绘图和文件编制等工作。压铸模的设计一般采用各种通用的 c a d 软件平台，女h a u t o c a d 、p r o e 、u g 等。压铸模的计算机辅助设计内容大致为：在输 入铸件具体形状、尺寸、合金种类后，可估算出铸件体积与质量，选择压铸机，设计浇 注系统、型腔镶块、导向机构、模板、推出机构等，并选用材质，最后绘出模具图样。 压铸生产c a e 主要是指建立在数值模拟技术的分析优化技术，一般说来包括传热凝 固分析、流动充型分析、应力应变分析等，其中传热分析、凝固分析以及流动与传热 9 厦门大学硕士学位论文 耦合分析已很成熟，可以较有效地指导实际压铸生产。压铸模c a e 常用的软件有：德国 的m a g m a s o f t 、美国的p r o c a s t 和f l o w 一3 d ，韩国的a n y c a s t i n g ，以及国内的f t s t a r 、华 铸c a e i n t e l c a s t 等。 本文将采用华铸c a e i n t e l c a s t 进行压铸模c a e 分析。华铸c a e i n t e l c a s t 是分析和 优化铸造( 包括压铸) 工艺的铸造专用软件系统，是华中科技大学经十多年研究开发， 并在长期的生产实践中不断改进、完善起来的一项软件系列产品。它以铸件充型过程、 凝固过程数值模拟技术为核心，对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材质( 包 括球墨铸铁、灰铸铁、铸钢、铸造铝合金等) 在多种铸造方法( 砂型铸造、金属型铸造、 铁模覆砂铸造、压铸、差压、低压铸造、熔模铸造等) 下的流动分析、凝固分析以及流 动和温度的耦合计算分析，曾在多种不同材质复杂铸件的工艺改进、工艺优化中圆满地 完成增收与降废的任务，创造了显著的经济效益和社会效益，博得了众多生产厂家和同 行的好评，得到众多厂家或公司的青睐。 采用c a d c a e 一体化技术进行压铸工艺和压铸模具设计是模具技术发展的一个显著 特点，图1 6 对比了传统模具设计流程与现代模具设计流程。从对比结果中可以发现， 压铸模c a d c a e 不仅大大提高了设计效率，缩短模具设计周期，而且能够提高模具结构 的合理性、准确性。 ( a ) 传统模具生产流程( b ) 现代模具生产流程 图l 一6 模具生产流程对比 1 0 绪论 1 3 课题研究意义及内容 1 3 1 课题研究意义 由于环保与节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。客车作为汽 车行业的一大分支，其轻量化对节能减耗具有重大意义。美国铝业及权威机构就曾经估 算：假使一部客车的生命周期为4 0 万公里，每减重1 吨，可以有效改善4 8 燃油 经济性，节油效果至少可达4 8 0 0 升。车身铝合金化是实现车身结构轻量化的有效途径 之一，一部客车车身若能实现全铝合金化，车身重量将至少减重4 0 ，其经济效益显而 易见。在国家开征燃油税后，其投入产出比将更为显著。 基于这种经济效益，国内外的许多客车生产商均已涉足轻量化客车开发领域。然而， 轻量化客车在国内仍停留于试验完善阶段，主要因为这些企业未找到有效的措施解决因 车身构件品种多、品质难控制、连接部位缺陷多而造成车身强度达不到要求的问题。 为解决上述问题及满足企业的需求，本课题开发了具有等同截面的铝合金挤压杆件 与特殊结构的压铸连接杆件，并从杆件的设计与生产过程去控制杆件的质量，规范铝合 金客车车身压铸杆件的设计与生产过程，使得杆件能够满足轻量化客车高强度的品质要 求，推进客车轻量化的进展。 1 3 2 课题研究内容 本课题在福建省科技重大项目轻量化全承载节能环保安全客车的研制的立项资 助下，以开发适合轻量化客车车身结构要求的铝合金真空压铸杆件为目标，通过对杆件 设计过程与生产过程的质量控制，保证了杆件符合高强度的要求。主要研究内容有： ( 1 ) 针对现有客车车身结构特点，分析车身杆件可铝化的部位； ( 2 ) 设计通用性强的铝合金型材杆件解决杆件品种多的问题；并通过设计具有特 殊结构的连接杆件，选择适合的连接方式以解决杆件的连接问题；再应用c a e 分析验证 杆件结构的合理性； ( 3 ) 采用模芯快换技术与组合式型芯设计制造杆件压铸模具，解决杆件批量小、 成本高的问题； ( 4 ) 在杆件生产中采用真空压铸工艺与热处理方式，并用实验验证杆件结构、性 能与实际需求的匹配性。 ( 5 ) 规范总结。 本课题的研究内容涉及了客车车身杆件可铝化部位分析、铝合金杆件模型的开发、 1 1 厦门大学硕上学位论文 铝合金杆件压铸模具的设计与制造、铝合金杆件生产与性能检测等，其基本研究流程如 图l 一7 所示。 图1 7 课题基本研究流程 1 3 3 课题研究基础 本课题作为福建省自然基金项目铝合金真空压铸机理研究的课题之一，将为厦 门理工学院、湖南大学、厦门大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司联合申请的福建省 科技重大项目轻量化全承载节能环保安全客车的研制奠定研究基础。文中涉及到的 承载式骨架模型与应力图、车身底架三维结构图及局部杆件承受载荷值均来自与该重大 项目相关的承载式大客车车身结构分析与测试课题研究结果。 1 2 轻量化客车车身铝台金杆件设计 第二章轻量化客车车身铝合金杆件设计 2 1 杆件铝合金化判断 ( 1 ) 杆件铝合金化依据 某公司大高三承载式客车钢结构车身应力分析结果 原承载式钢结构车身应力分析结果是杆件铝合金化判断的一个主要依据，应 选择车身骨架中应力值较小的并且易于铝化的部位进行替换。某公司大高三承 载式客车钢结构车身应力分析结果如图2 1 所示。 瓷料来源zf 国1z 承虢式大客车车身结构分析与铡试) ，2 0 0 8 年0 7 月 圈2 - - 1 承载式刚结构车身应力分布圈 铝台会材料选用准则 铝合金材料分两大类：一是铸造铝合金，在铸态下使用；二是变形铝合金， 能承受压力加工，力学性能高于铸态，可加工成各种形态、规格的铝合金型材。 不同铝合金有不同的材料特性与适用范围，因而选用时应根据杆件使用范围及要 求，选择铸造铝合金或者变形铝合金进行铝化。 ( 2 ) 锅台金化杆件位置判断”“” 从图2 一l 可以看出，在车身骨架中应力值较大的区域有：1 i 后轴、侧围门 框、车顶排气窗等。相对而言其他区域( 如：行李舱) 的应力值则较小。 鉴于位置的特殊性，本文只取车身骨架中的底架作为杆件铝化的判断对魏。 其结构如图2 2 所示。 厦门人学硕学位论文 笙三：、o 二太 ? t ，1 ；= s “上y ? 、t 牛k l u 图2 2 车身底架结构图 在该底架中，由于前后轴区域( 图中a 处) 杆件所受应力值大于1 5 0 m p a ， 而且受力情况复杂，对杆件使用性能要求较高，而其他部位杆件所受应力值相对 较小( 低于1 2 0 m p a ) ，而且受力简单。由此判断，图中前后轴区域仍采用钢结构， 而且其他部位( 如行李舱图中b 处) 则采用铝合金材料替代钢质材料。因此， 在车身底架中有两种材质的杆件，分别为钢结构杆件与铝合金杆件。 2 2 杆件使用要求 ( 1 ) 使用工况要求 客车车身载荷工况虽然复杂，但对结构寿命影响最大的是弯曲和弯扭两种工 况，因此分析车身杆件使用要求及载荷情况时，采用这两种工况。 弯曲工况：模拟客车在静态满载的状态下，四轮着地时的车身结构强度， 要求车身杆件的抗弯强度值不高于材料的许用应力。 弯扭工况：研究客车以低速通过凹凸不平路面时的抗弯扭强度，它反映 车身结构的实际最大静态问题。计算时，采用一轮悬空，分析在满载载荷作用下 车身的抗弯扭强度。要求杆件抗弯扭强度值低于材料许用应力。 ( 2 ) 装配工艺要求 原承载式客车钢结构车身底架为珩架结构，多由矩形或方形钢管和型钢焊制 而成，焊接方式简便，工人容易操作，焊接强度可靠。由铝合金替换钢结构杆件 后同样要求，铝合金杆件之间、铝合金杆件与钢质杆件的连接方式应简单易操作， 并且连接可靠。 ( 3 ) 重量及质量要求 重新设计的铝合金杆件，其结构应尽量简单，并有利于生产的实现。 轻量化客车车身铝含金杆件设计 相比原位置上的钢材杆件，在尺寸大小类似的条件下，铝合金杆件重量 应明显降低。 2 3 杆件连接机理研究 2 3 1 连接方式选择0 1 0 1 1 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 1 1 2 7 j 客车车身构件的连接方式有三种：焊接、机械连接和粘接，其中机械连接又 分为铆接、螺栓连接和螺丝连接。下表是几种连接方式的对比。 表2 1 连接方式对比 连接方式优点缺点 焊接连接可靠、操作简便铝合金焊接工艺要求较高 粘接操作简便连接强度低 螺栓连接 连接可靠操作不方便 机械 螺丝连接操作简便连接强度不可靠 连接 铆钉连接操作简便，连接强度可靠铆接部位需特别设计 肖守讷和贾宇在高速列车铝合金车体中铆钉与螺栓连接结构的强度分析 文章中阐述了汹1 ，铝合金焊接中存在焊接处母材强度降低、焊接缺陷、变形、残 余应力等问题，在两种不同金属间进行焊接时，焊接难度大，焊接质量难以保证。 杨树森等在拉铆钉及其在铁道车辆中的应用汹1 一文中介绍了拉铆钉的特 点及应用，并预见拉铆钉连接结构必然在铁道车辆上得到广泛的应用。 因此，在参考别人研究成果并综合考虑客车车身结构特点之后，本课题选择 铆钉连接作为铝合金杆件与钢质杆件及铝合金杆件之间的连接方式。 2 3 2 铆钉连接设计 ( 1 ) 铆钉材料选择 由机械设计手册单行本连接与紧固表查得，铆钉材料为 3 a 2 1 ( l f 2 1 ，3 0 0 3 ) ，其材料性能如下：密度p = 2 7 3g c m 3 ，强度极限 眈 = 1 5 2 m p a ，屈服极限 0 。 = 1 4 5 m p a ，弹性模量e = 6 8 9 g p a ，切变强度 t = 9 6 5 m p a 1 5 厦门大学硕士学位论文 ( 2 ) 铆钉直径 由公式：d = 1 56 + 2 - - 1 5 2 + 2 - - 5 m m ，查g b t 1 8 1 9 4 2 0 0 0 得：d o - - 5 2 m m ， 其中d 一铆钉直径；6 一较薄板件厚度；d o 一铆钉孔直径 ( 3 ) 铆钉数量 由公式z 2 i 是薪和z = 瓦缶两决定，取两式中计算得到的大值，但不少 于两个，不多于六个。 其中：z 一铆钉数量 f 一作用于构件上的拉( 压) 外载荷，n 6 一被铆件中较薄板的厚度，m i l l d o 一铆钉孔直径，m m m 一每个铆钉的抗剪面数量 o 一被铆件的许用拉( 压) 应力，m p a t 一铆钉许用剪切应力，m p a 由公式一：z ：!