中國壓鑄雜志
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059期一肖中特:壓鑄車間的變化——從發動機部件生產到車身結

作者:admin 來源:原創 發表時間:2016-03-24

 
       位于蘭茨胡特的寶馬集團在這幾年興起輕金屬鑄造,采用鋁來制造四和六氣缸曲軸箱,鋁-鎂復合式曲軸箱在同行中十分受到重視。在2004年10月到2014年2月期間寶馬生產的復合式曲軸箱數量超過165萬。鑄造中出現的次品率大約為3%,機械加工中出現的次品約為1%,是由46000噸鋁鎂澆鑄而成。這十年間所產零件逐漸磨損,開始了寶馬在壓鑄加工方面的結構轉變即輕型金屬鑄造,這也是在這篇文章中想向讀者闡述的。
 
輕型結構是減少車輛CO2排放的關鍵因素
       2008年12月歐盟代表對減少轎車CO2排放的規定達成一致:歐盟有責任到2020年溫室氣體的排放量為1990年的20%。交通作為第三大“肇事者”貢獻的CO2排放量也不容忽視。尤其是汽車在此排放量中占有12%的比重。
       2020年的目標要達到新車的CO2排放量為95g/km。這個排放量對應的是一臺柴油發動機燃油消耗3.6L以及汽油發動機消耗4.1L的。
       為了實現這個雖然野心勃勃,但也并非不可能的目標,必將付出巨大的努力。在這種情況下,寶馬集團為了實現既定的目標,選擇了兩個方向:
>進化-堅持不懈地改進現有車型的油耗和廢氣排放
>革命-發展新型概念汽車例如寶馬i3和寶馬i8
       除空氣動力和滾動阻力外,汽車重量和大型調整桿的傳動效率能有效減輕CO2的排放負擔,因此汽車確實要減輕重量。最主要應用于新概念的電動機傳動裝置,目前這類裝置的高電壓蓄電池仍存在不利的功率密度,需要特別減輕車身重量,用于補償車輛中電池超重的部分。
       為了達到與重量有關的目標,需要進行極高比例的材料替換,由純鋼結構置換為輕型結構材料和鋼制混合型結構,鋁和合成材料也是必要的。隨之一些鋁制和鎂制的合金鑄件也會用于在不同的構件中。
       通過這些合金鑄件靈活多樣的可適用性,可以推斷,它們在結構上的應用又增加了。而壓鑄工序在這方面能夠貢獻什么呢?
       舉個例子:在新式電動汽車寶馬i3中優化了駕駛??櫚暮笄挪糠鄭ㄍ?中有所描述)。產品發展的早期就已經看出壓鑄方案有顯著的優勢,跟擠壓型材的焊接結構相比,壓鑄方案可以在后期實現與其它功能的協調。
 

小型化
       有一種可能性,能夠達到預想的CO2目標排放值,即對傳統的驅動裝置小型化。如今為了提高的內燃機效率,出于重量的考慮都會減小發動機尺寸。氣缸的數量也會減少,以至于能夠降低摩擦功率和重量。推進器的升功率會隨之提高,這其實導致了一種負面影響,一些零件-曲軸箱的下部會有極高的負荷。為了使較高的氣缸內壓仍具有足夠的剛性,曲軸箱?;嶸崞鞘澆峁?,這種結構也可以通過壓鑄獲得。(圖2)


 
       其次,開發者要挑戰減小結構空間和發動機貯存器,充分利用新方法和幾何自由度(造型),用壓鑄通常無法成型的方案。在這種情況下,低壓-金屬型澆鑄提供一種必要的設計自由,便于滿足鑄造中變動的要求。
       通過新的制造概念,例如已有專利的中央供給裝置方案,可以實現曲軸箱的經濟生產方式。從壓鑄件殼體變為低壓鑄件殼體在技術上已經可以實行。所有新的發動機發展如今都在朝這個方向進行。
車身結構部件-新式產品投資組合
       寶馬集團的輕金屬鑄造意味著新式曲軸箱加工技術的變遷以及組合式曲軸箱制造的慣性運轉,現在大型的2800噸至4000噸的壓鑄機已經不再運用于這部分的加工上了。同時也出現了大量關于車身結構部件的研發活動,于是逐漸地釋放出機器生產率給這類部件使用。為了充分利用輕型結構的潛力,鑄造的零件組成一幅廣泛的汽車型譜。(圖3)
       鎂壓鑄件的應用目前局限于汽車內部空間的部件,比如最常見的各類汽車的儀表板支架。
       其次,鋁壓鑄件在新的調整中,被大量用于車身和底盤的零件上。
構件的費用分析
       為了與有競爭力的方案和材料匹敵,優化重量固然重要,持續降低壓鑄技術的費用也同樣不容忽視。對構件進行費用分析,其主要因素-材料以及合金材料費用占據將近50%,隨之就是生產和模具費用。
       合金材料費用是由非常多不同的因素決定的(圖4)??萍嫉姆⒄茍粵慵難蟹⒁膊四蟮撓跋?,比如影響了鑄造裝置的大小和鑄件重量。為了優化兩者,鑄造進程的有效保證必不可少。
 


計算機化的鑄造裝置優化
       壓鑄結構零件的變化,改變面積和體積的比例關系對其有巨大的影響,也與鑄造裝置的設計有關。鑄造裝置的重量可以與一些鑄件的重量相當,甚至超過它們。仔細考量尺寸也是值得的。鑄造裝置的材料應該循環利用,一定是能源成本中重要的一部分。
       由于曲軸箱很厚,通常需要的運轉系統比較大,鑄造裝置必須設計成能夠使材料可以在寬敞的范圍內分布。大規格零件如果壁厚不足,會導致澆口過細。為了使可支配的面積能被零件本身利用,減小噴灑面積顯得尤為重要。挑戰在于,在較少溫度損耗下,熔液同時流過零件棱邊的所有截面(圖5)。如果沒有規劃一個CFD-支撐(CFD:計算流體動力學)以及優化它的尺寸,特別是要考慮到在下降運行中補償重力,將不會達到理想狀態。
零件重量,虛擬配置和保證
       為了使零件重量持續降低,設計師必須使材料性能發揮到極限。以便汽車里的部件要求具備的性質能夠得到保障,對于增加的尺寸將引入虛擬技術。

零件重量,虛擬配置和保證
       為了使零件重量持續降低,設計師必須使材料性能發揮到極限。以便汽車里的部件要求具備的性質能夠得到保障,對于增加的尺寸將引入虛擬技術。
       傳統鋼結構車身的碰撞性能計算通過“高性能計算”建立以及基于現有技術狀況。車身結構中鑄造部件的采用給零件設計帶來了新的挑戰。
       作為原材料的鋼板組成了車身結構的平面,而3-D結構則是通過改型和焊接單獨的薄片實現的。計算時,可以從一個穩定的鋼板厚度近似值開始。若要進行鋼片設計,可以有遠見地,根據條件通過制造工序,各向同性的性質采用合適的厚度。因此人們會將有限元計算法應用于二維鑄型元素。
       對于鑄件而言,這些假設已經不再適用。單是加工進程就根據不同條件要求模型斜度。因此一個恒定的壁厚是不可能的。在鑄造中,創新的自由會允許根據負載情況出現不同的壁厚。壁厚出現差距有不同的原因,例如凸起,可以使部件得到局部加強。添加厚壁的范圍,例如裝配旋緊孔,產生一個3-D結構,這種可能性使得計算鑄型不再那么簡單。
       鑄件另外的一個挑戰在于,不同的壁厚會導致局部的冷卻速度差異較大,另一方面,接縫和局部材料屬性需要重新確定。壓鑄進程中產生的渦流空氣以及極小的氧化物顆粒通過填充被傳送到不同的位置,之后會隨著不同位置的零件負荷或多或少地接近臨界狀態。
       為了使計算結果更有說服力,計算工程師在處理局部的零件屬性時采用可靠數據。這個信息能夠提供鑄造模型。大量的計算參數對工序規劃提供了保證,例如空氣渦流、氧化物勢能、流道長度以及填充過程,可以獲得估值和優化。
       鑄造模型所提供的每一個標準,相互之間的關系,以及例如自然頻率受到鎂制支撐結構的影響或者碰撞中由于高速改型產生的影響,這都是與寶馬集團研發工程師和各個大學合作的實時的鑄造研究基礎。
       公開宣稱的目標和挑戰是為了完成一個可以普遍使用的模擬鏈,通過這個模擬鏈可以處理鑄造模型的數據結果以及傳達,以至于實現和改進汽車中鑄件性能的預測。
降低生產費用
       除了材料和合金費用,生產費用也是不可忽視的一個要素。
       盡管單獨的板材制件數目減少了,但是接合處理與傳統的工序(例如薄板成型法)相比,尤其是在極多零件數的背景下,相對于改型工具替換品的一次性投入,使用集成化的鑄造件顯得十分必要的,只有少數情況不太適用。因此大面積和厚壁部分的鑄造技術必須持續研發和優化。特別是鑄造工具的使用壽命要從本質上延長,這樣后續接替的工具費用便可以減少。因為模具鋼已經具備穩定的高品質幾乎沒有潛在的裂縫,新研發的可能性很小,所以必須提高模具在耐用度上的應力。
       通過加工工序對車身結構部件改造的聯系來看,傳統的分離介質噴霧工藝也會使濃縮物的噴射有所改變。傳統的噴射技術中,分離劑以1:100的比例與水混合加料,如果濃縮物不加水作為基底材料,微不足道的劑量卻是濃度極高的,會出現“霧化”的情況。在濃縮物噴射下,模具表面缺乏水的汽化會減少溫度變化作用以及防止產生燒制裂紋(圖6)。寶馬集團
 

的輕型金屬鑄造模具已經可以感受到了成功:所達到的壓射次數是2至2.5倍,遠于一般的傳統噴射技術能達到的數值。除了耐用度的提高之外,濃縮物噴射也會使設備的可支配性、生產周期以及水的消耗量/廢水負荷大大改善(圖7)。
       然而噴涂概念的變化,為壓鑄模引導了一種完全不同的熱量供應,因為傳統方法中模具的極大一部分能量被汽化的水帶走了。這一熱量現在可以在濃縮物噴射下通過模具冷卻散發。模具的恒溫處理目前必須從本質上規劃和詳細設計。按照尺寸的比例和使用地點得到不同的答案,例如充填式冷卻,輪廓式冷卻或者噴射冷卻。
 
       同樣為了使表面均勻地進行恒溫處理,澆鑄道的數量也會顯著增加。(圖8)
       模具精確的溫度設計要求對工序參數有深刻的認識,同時需要借助于鑄造模型的循環和能量平衡計算。
 

鋁和鎂鑄件的靈活加工間
       制造6缸復合式曲軸箱以及3.0L雙渦輪發動機的鑄造模腔是高度專業化的一個制造單元,根據一樣產品而特別設計和規劃,在這個設備上鑄造的運行時間也是固定的。制造加工的末期也必須對車身結構部件鑄造模腔的基本構造有新考慮和規劃。
       因為之前已經提到過,壓鑄法相對于薄板成型法在針對較少和適中零件數的時候可以發揮價格上的優勢,目前非常多的壓鑄件被用在各種生產批次規模較小的設備上,用來進行手操縱。模具調試時間現在顯著下降,因此快換方案雖然昂貴,但卻比較高效。
       為了應對小數目和一直是個難題的零件數規劃,現在的鑄造模腔必須設計并發展得高度靈活。未來也必須適應在鋁和鎂合金之間的變化。車身結構部件會導致復雜的工作程序,因此,在制造加工間里,剛完成的零件要加蓋能夠區別的標志。
       為保持和達到生產費用具有競爭性的目的,必須盡可能地降低新產品的一次性投入費用。鑄造模腔的變化必須與跟尺寸有關的部件適配,例如去毛邊刀具、零件?;ぬ墜芎脫顧醭絳蟣嘀品延?。
結論
       通過降低廢氣排放的必要性,輕型結構在汽車技術中的地位會日益提高。鑄造零件可以在汽車結構中發揮出色的表現。
       由于傳動裝置的小型化以及在創新上增加的需求量,再加上對材料強度的要求提高,壓鑄法漸漸不再適合用于曲軸箱制造。
       優化使用鑄造工藝的優點體現在其用于現代汽車設計和結構的比重日益增加。隨之出現的大挑戰是,壓鑄工藝要能夠與優異成熟的技術去抗衡甚至去超越。
 
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