挤压铸造在汽车、摩托车上的应用

1、挤压铸造在汽车、摩托车上的应用挤压铸造在汽车、摩托车上的应用中国兵器科学研究院、宁波分院齐丕骧 “挤压铸造”国内外也称“液态模锻”是一种介于铸造与锻造之间的优质、高效、节能的工艺方法，它既能接近甚至达到同种合金锻件的内部组织和力学性能，又能实现高效率的大批是生产，与普通压铸件相比，可较大程度的提高力学及使用性能，与普通锻件相比，又可节约能源。因此，多年来，国内外厂商，均把此项工艺用做汽车、摩托车高档有色金属铸件的方法之一，并迅速的在发展。汽车、摩托车业，在各工业发达国家均是重要的支柱产业，我国也不例外。2006年，我国汽车产量728万辆，同比增长27.6%，2007年达以880万辆，

2、又增涨了21%。07年6月份汽车保有量已达5355万辆。2006年我国摩托车产量达到2144万辆。1,2。在目前，世界性的“节能、环保”大形势下，对铝、镁合金铸件，尤其是高档铸件的需求是长盛不衰的，这就为挤压铸造业的发展，提供了极好的市场条件。重庆及我国西部地区，目前，已是重要的汽车、摩托车及其铝、镁合金铸件的产业基地，以其独特的资源优势及地域优势，相信会比其它地区有更大的发展空间。本文重点讨论，在国内外汽车、摩托车零部件上，挤压铸造工艺的应用概况及其发展趋势。1、国内外应用概况表1 国内外挤压铸造汽车、摩托车主要零部件表 部位汽车车体及行动部件汽车发动机及变速箱部件汽车空调及其它部

3、件摩托车零部件零件名称铝合金及镁合金轮毂，横梁（十字梁），转向节，下支臂，制动卡钳，ABS零件，转向阀体,制动器缸体，离合器缸体,拔叉、摇臂、履带板、铝基复合材料制动毂铝及铝基复合材料活塞、发动机缸体、发动机支架、滤清器支架、变速箱体、多岐管、燃料分配器空调压缩机上、下缸体、上下盖板、活塞、斜盘、滑履、涡旋压缩机缸体、涡旋盘；空压机连杆、油泵壳体、空气过滤器罐体、罐盖铝及镁合金轮毂、上、下联板、传动箱壳体、减震筒,碟刹泵体、后衣架、车摇架、车架接头、把接头、方向轴、曲柄,发动机活塞表1列出的是已大批量生产的挤压铸造汽车、摩托车（含电动车、自行车）主要零件种类。图1图4是国内外厂家及作者参与生产

4、的部份产品照片。3图1、日本宇部用VSC机挤压铸造的主要产品照片。 图2、日本宇部用HVSC机挤压铸造的主要产品照片。图3、作者的合作厂生产的汽车空调压缩机零件照片。图4、作者的合作厂生产的摩托车零件照片。上述不少产品的生产量是非常大的。例如：日本丰田公司轮毂生产厂拥有14台VSC1500VSC1800全立式挤压铸造机，已形成年产400万只高档汽车铝轮的生产能力。此外，该厂还有120万只复合材料活塞的生产能力。目前，国外最大的挤压铸造机合模力已达35000KN，可生产27in的载重汽车铝轮毂和外部尺寸为1200×400×300mm大型汽车底盘横梁。采用自动供铝的全

5、自动化设备生产出了发动机箱体，空调压缩缸体等复杂零件，以及如转向节等复杂的重要受力件。采用陶瓷增强技术，已批量生产出陶瓷增强的铝复合材料活塞和制动毂等零件。2、生产实例：本节选取几种已大批生产的典型零件，介绍其工艺 模具及应用情况4。2,1 汽车铝轮毂用宇部VSC12003500型立式挤压铸造机，日本丰田公司以每年500万只的数量高效率地生产了1427in汽车铝合金轮毂（图1）。其设备及模具的动作程序参见图5，可见对厚大轮毂部位是实施了二次补压措施的。 图5  汽车铝轮毂挤压铸造动作程序（a）合模浇注，（b）压射缸摆正上升，（c）下冲头上升伸第一次挤压（d）上冲头下行第二次

6、挤压 （e）上冲头下行冲孔并将料饼推出 挤压铸造工艺参数列于表2，不同铸造方法的铝轮毛坯的力学性能比较列于表3，可见挤压铸造性能最好。表2  VSC1500机挤压铸造汽车铝轮工艺参数挤压头压射速度/m·s-1挤压压力/Mpa浇注温度/模具温度/保压时间/s生产周期/s铸件质量/kg成品质量/kg0.041108102104512010.55.7表3  用不同方法铸造的铝轮毂规格及力学性能规格特性挤压铸造金属型铸造铝轮毂设计碟形碟形铝轮毂直径×铝轮毂宽度/mm330.2×152.4330.2×139.7质量/kg5.25.36

7、.3热处理状态淬火+人工时效淬火+人工时效合金种类A356.0A356.0力学性能b/MPa3033381552510.2/Mpa237268126212/%6.015.92.42.8硬度/HRF849060922.2 铝合金活塞解放牌汽车铝活塞毛坯的挤压设备为四柱式160t液压机。模具（图6）采用上冲头14和套筒15加压充型，底柱7反正结晶（动凹型式），两侧芯杆11成形销孔的铸型结构。侧芯杆11由气缸1通过杆2、3实现抽拉和闭锁。凹型13由弹簧9支撑而有4mm的上下活动余量，以实现反压结晶。铝液浇注采用回转臂输送定量勺自动浇注装置。用气缸带动的斜滑槽，接取铸件，并随即使其滑入水池中进行铸造淬

8、火。挤压铸造工艺参数见表15-1。图6、解放牌汽车活塞挤压铸造模具图1、气缸；2、连杆；3、摆杆；4、支架；5、垫板；6、活塞毛坯；7、顶料底柱；8、浇入铸型中的铝液；9、弹簧；10、限位螺钉；11、侧芯杆；12、导向圈；13、凹型；14、冲头；15、推料套筒 表4  解放牌汽车活塞挤压铸造工艺参数 压力/Mpa保压时间/s浇注温度/铸型温度/挤压速度/m·s-1压力机空载速度/ m·s-1涂料12520256907201601800.0050.0520.105水剂胶体石墨经金相检验表明，挤压铸造活塞明显地细化了枝晶，消除了气孔和针孔与原金属型

9、铸造相比提高了铸件的室温和高温力学性能。提高了常温低频循环疲劳、高温持久强度和耐磨性等性能。提高了材料利用率，降低了毛坯成本。2.3  汽车空调压缩机缸体汽车空调压缩机缸体是一种形状较复杂，技术要求高的铝铸件。国内已经使用日本东芝公司DHXV350型自动卧式挤压铸造机大批量生产。图7是V5型缸体铸件系统照片。其缸体毛坯尺寸为130mm，高45mm。铝液是从模具下面充型，上部设置了集渣及排气系统。东芝DHXV350型卧式挤压铸造机的动作原理参见图8，它用电磁泵自动定量供铝液。V5型缸体挤压铸造工艺参数参见表5，所用合金为日本ADC14高硅铝合金。此挤压铸件冶金质量良好，无缩孔、缩松、气

10、孔，经1.7MPa试压无渗漏，铸件金相检查初晶硅最大尺寸小于0.05mm，且均匀分布，共晶硅呈点状。图7 汽车空调压缩机V5型缸体铸件照片1，料饼，2、内浇道 3、缸体  4、集渣及排气系统图8 东芝DHXV350型卧式挤压铸造机动作原理图1、铝液输送管  2、电磁泵  3、静模  4、动模 5、挤压头 6、挤压缸表5  V5型缸体挤压铸造工艺参数挤压压力/Mpa毛坯质量/kg每次挤压量/kg模具温度/浇注温度/冲头直径/mm内浇口面积/mm低速挤压/m·s-1内浇口处流速/m·s-1充型时间/s升压时间/s全过程时间/s电

11、磁泵工作时间/s1100.851.5200720705530.10.630.950.13701.82.4 汽车制动主缸体图9为主缸体毛坯图，所用材料为ZI.108合金挤压铸造模具结构如图10所示，其动作原理如下。将液态金属浇注到压套10内；两个侧油缸推动滑块6和型腔块4合型；油压机上横梁带动动型板12、型柄11、型芯1、压柱2和锁型块3压紧在滑块和型块上（锁型）；接着油压机下油缸推动顶杆9和压头8将液态金属压入型腔；经充分保压后，油压机下油缸带动顶杆和压头退回；上油缸带动锁型块等零件卸压回程，并完成拔芯完成。然后两侧油缸再将滑块和型腔块打开，推杆5将工件顶出。喷刷涂料后，即可实现下一个工作循环

12、。图9  制动主缸体毛坯图 图10 制动主缸体挤压铸造模具图1、型芯；2、压柱；3、锁型块；4、型腔块（A、B）；5、推杆；6、滑块（A、B）；7、侧油缸 8、压头  9、顶杆；10、压套；11、型柄；12、动型板 挤压铸造的主要工艺参数如表6所示。表6  主缸体的主要挤压铸造工艺参数 合金熔炼温度/模具预热温度/模具工作温度/挤铸合金温度/充型速度/m·s-1锁型速度/m·s-1合型速度/m·s-1锁型力/KN合型力/KN分型力/KN成形比压/MPa充型时间/s保压时间/s留型时间/s690740100

13、150<3006207200.270.010.050.08200025301241.25151020主缸体毛坯经固溶处理和人工时效后交机械加工和产品使用。其力学性能及密封性、耐压性均达指标要求。2.5  摩托车发动机镁合金外壳图11 所示为摩托车发动机镁合金外壳照片。所使用的工艺为自行研发的液态铸锻双控成形工艺（双重挤压铸造），其工艺流程见图12。可见在镁液浇注（a）和合模（b）以后，先进行了挤压充型（c、又称第一次挤压）再不失时机的进行了锻压（d，又称第二次挤压）因而此种工艺可获得组织更致密，性能更好的铸件6。图11、摩托车发动机镁合金外壳照片图12  双重挤压铸造

14、（双控成形）工艺流程示意图3、国内外技术的发展3.1 产品的大型化、组合化为生产大型铸件的需要，国内外挤压铸造机都在向大型化发展，目前日本宇部公司已生产了合模力最大为35000KN全自动立式挤压铸造机（VSC3500）我国也开发出合模力最大为20000KN立式挤压铸造机，生产的大型铸件除日本27in汽车大型铝轮毂，英国的轻型坦克负重轮外，日本还有外廊尺寸为1200×400×300MM的汽车横梁（十字梁，Cross Menber），（图1）此件原为多个铝铸件焊装而成，而现在只一次整体挤压铸造就出来了，大大节省了工时。此外，日本还批量生产出较大型的发动机复杂缸体（图1）。在我国

15、，已生产出来的大型挤压铸件有系列的特种车辆铝轮，其毛坯重量为25-50公升，用20000KN挤压铸造机生产。3.2  产品的优质化，多功能化。根据汽车、摩托车发展的需要，对不同铸件的内部质量，力学性能，耐磨性，甚至膨胀性能均提出不同的要求。因此，挤压铸造技术也是不断进行改进，以适应各种不同的需求。汽车上的转向节（knuckle）（参见图1）是一种对安全性要求非常高的重要受力零件，以前都是锻造法生产，但由于形状复杂，锻造成本很高，后来，日本用VSC630挤压铸造机生产成功，并已大批量生产。但此件我国有关院校、工厂试制了多年，至今仍未正常生产。汽车铝轮也是一种重要安全件，国外挤压铸造铝轮

16、与原低压铸造轮相比提高了外表和内部质量、材料力学性能、行车安全性，并使重量减轻20%，因而效益也是非常明显的。目前，我国挤压铸造汽车铝轮还一直没有形成大的生产批量，这很大程度上与挤压设备有关。近年发展起来的双重挤压铸造新工艺，对铸件实施两次挤压，即第一次压力充型（压射）后，又实施第二次挤压（闭式锻造），对改善铸件特定部位的致密性十分有效，上述汽车铝轮毂及摩托车发动机镁外壳均采用了此项技术，相信会有较好的应用前景7。挤压铸件大都是可以进行固溶热处理强化的，使其力学性能优于其它铸件，并可以接近同种合金锻件的性能水平。但是这达到此种效果，是必须采取相应技术措施的，对此，国内外和作者均进行了不少研究8

17、。3.3 生产的自动化和高效化挤压铸造机的发展，已经达到很高的自动化水平，包括日本宇部公司的VSC和HVSC系列机，东芝公司DXHV和DXV系列机都是从模具清理喷涂置入嵌镶件合模铸件淬火铸件冲边将铸件入框（或入传送带）等全都实现了自动化。尤其是东芝公司系列机，采用了电磁泵管道式自动供铝液装置，使铝液的内在质量和生产效率进一步得到提高。为了提高设备的生产效率，宇部公司在大型VSC机上，设计了多工位生产设备，即在12000KN-15000KN机上设计成两工位模具穿梭装置，即一个工位进行挤压（压射）保压，另一工位进行模具清理和喷涂，用此设备使汽车铝轮的生产周期从原来的2分钟/只可减少到1分钟/1只。

18、在18000KN以上的更大型设备上实现了转盘式的三工位生产，一个汽车铝轮只需0.45秒。3.4 材料的多样化挤压铸造工艺的一个重要优势，是可适应多种材料的生产，包括铝、镁、铜、锌甚至是钢铁材料。不论是铸造性好的铸造合金，还是铸造性差的变形合金,甚至是需铸造复合的金属基复合材料，都可以按不同的特点，在采取相应措施后进行生产的。而且铸件是可以进行固溶处理实现强化的。基于工艺的上述优势，因而在汽车、摩托车铸件的生产上，也实现了材料的多样化，除常用的铸造铝合金外，主要的还有如下几个方面：3.4.1高硅铝合金高硅铝合金因有优良的耐磨性和低的热膨胀系数，因而是活塞和空调压缩机缸体、缸盖、活塞、斜盘、涡旋盘

19、等的首选材料，但是此种材料的初晶硅细化问题和高的缩松、裂纹倾向问题，使材料的铸造生产存在较大难度。目前，国内外用挤压铸造工艺较好的解决了此问题。尤其是在厚壁，复杂铸件上解决得较好。这些在国内外都已形成很大的生产批量。图3是作者与有关企业开发并生产的此类产品照片。3.4.2 变形铝合金用直接挤压铸造法可以生产变形铝合金铸件，甚至是铸造性很差的7075、7A04合金都可以生产出优质铸件5，而且铸件可以进行固熔热处理强化，目前，国内在高档、超轻型摩托车、自行车的焊接架体件、铝轮毂，空压机连杆等件上，批量使用了6061类可焊强韧铝合金，图4中的长条件即为6061-T6挤压铸造摩托车后摇架毛坯照片。此种

20、材料在强度，尤其是塑性和可焊性方面都明显优于A356铸造铝合金。但是用间接挤压铸造法难以生产变形铝合金铸件，主要是易产生裂纹。因而在一些复杂的铸件上限制了变形合金的使用。近年发展起来的双重挤压铸造和半固态挤压铸造，可以解决此问题，并且已有成功生产的实例，相信今后有一定的发展前景。3.4.3 镁合金在汽车、摩托车上扩大镁合金构件的使用是当前国内外一大发展潮流，前景广阔。为此在镁合金挤压铸造方面都进行了大量工作，并已在镁轮毂，镁壳体件上实现了批生产。本文2.5节中介绍了摩托车发动机镁合金外壳的挤压铸造工艺，就是一个比较成功的实例。又如：重庆大学研发的摩托车镁轮毂，已批量供应隆鑫摩托，都取得了很好的技术经济效果。前段时间由于原镁价格的大幅提升，为镁的大量使用造成了不小的阻力，加上镁的熔炼，加工废料回收及抗腐蚀等的技术问题，也给镁件的，也给镁件的生产造成一定难度，但毕竟在汽车、摩托车节能、环保的总趋势下，镁件的使用仍是方兴未艾的。3.4.4 金属基复合