轿车底盘铝合金后副车架的高真空压铸技术开发与研究

华中科技大学硕士学位论文轿车底盘铝合金后副车架的高真空压铸技术开发与研究姓名：林海申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：万里2010-12-17华中科技大学硕士学位论文I摘要基于低碳经济及汽车行业的竞争日趋激烈，轿车轻量化技术是汽车工业可持续发展的必然方向。其中汽车底盘悬架关键零部件的轻量化及其成形技术是当前国内外重点开发的前沿领域之一。为配合广汽集团国产自主品牌轿车的开发，本文针对该车中的底盘后副车架零件，首次在国内研发了具有自主知识产权的轿车底盘后副车架用高强韧压铸铝合金及其高真空压铸成形技术，满足了自主品牌轿车的开发需求。本课题对于提升我国汽车零部件的制造技术水平，特别是压铸工业的技术水平，促进我国汽车行业的发展，有着非常重要的理论和实际意义。本文设计并优化了铝合金后副车架的高真空压铸工艺。采用FLOW-3D数值模拟软件分析了铝合金后副车架在不同工艺下的压铸充型过程，优化出了合理的浇注系统及排气/溢流系统。设计并制作了高真空压铸用模具密封结构，在使用自主研发的高真空压铸控制系统及真空截止阀时，模具型腔的真空度可在1s内达到91kPa以上。以Al-Mg合金为基础，研究了Mg、Si、Mg/Si比值、Ti、Cu、Be等微量元素对后副车架随铸试样力学性能的影响，获得了适用于后副车架高真空压铸技术的新型高强韧压铸铝合金，其化学成分约为Mg5.6%，Si1.78%，Cu0.0142%，Ti0.182%，Be0.0035%。研究了高真空压射工艺参数如模具型腔真空度、抽真空时间、压射速度及高速切换点位置等对铸件内部质量及力学性能的影响。试验结果表明：该铝合金轿车底盘后副车架在最佳高真空压铸工艺参数：抽真空启动/停止位置分别为110mm和700mm；冲头慢压射速度0.19m/s，快压射速度5.8m/s；高速切换点240mm；型腔真空度91kPa以上时，铸件外观成形良好，组织致密，无缩孔气孔缺陷。铸件本体抗拉强度达240MPa以上、屈服强度达145MPa以上、延伸率达6%以上。最后针对后副车架压铸生产中常出现的典型缺陷如冷隔、裂纹、气孔、缩孔、粘模拉伤等，分析了它们的特征、形成机理、影响因素，并提出了防止措施和解决方案，取得了良好的效果。关键词：轿车轻量化；高真空压铸；铝镁合金；后副车架；力学性能华中科技大学硕士学位论文IIAbstractBasedonlowcarboneconomyandautomotiveincreasinglyfiercecompetition,Carlightweighttechnologyistheinevitabledirectionofsustainabledevelopmentinautomotiveindustry.Thedevelopmentoflightweightandformingtechniqueforcarchassissuspensionkeypartsisoneoftheforemostfieldathomeandabroadtoday.Tocaterforthedevelopmentofhomebredown-brandcarsforGuangzhouautomobilegroup,innovativediecastingaluminiumalloywhichishighstrengthandductility,andhighvacuumdie-castingformingtechnologyfortherearsub-frameofcarchassisisresearchedanddevelopedforthefirsttimeindomesticinthispaper,whichmeetthedevelopmentrequirementsforown-brandcars.ThisresearchwillhavesignificantiMPactsintheoreticalandpracticalonautomotivepartsmanufacturingtechnologylevel,especiallyondie-castingindustrialtechnologylevel,andpromotethedevelopmentofautomobileinChina.Thehighvacuumdie-castingtechnologyforaluminiumalloyrearsub-frameisdesignedandoptimizedinthispaper.Die-castingfillingprocessindifferenttechniquesissimulatedwithFLOW-3Dnumericalsimulationsoftware,andoptimizedareasonablepouringandoverflowingsystem.Themouldsealingstructureforhighvacuumdie-castingisdesingedandmanufactured,whichcanmakethevacuumlevelofcavitybeingupto91kPainasecondthroughtheuseofaninnovativehighvacuumcontrolsystemandvacuumstopvalve.BasedonAl-Mgalloy,theeffectsofcompositionincludingmagnesium,silicon,theratioofmagnesiumandsilicon,titanium,berylliumcopperoncastingmechanicalpropertieswereinvestigatedinthispaper.Anewdiecastingaluminiumalloywithhighstrengthandductilityisdevelopedfortherearsub-framehighvacuumdiecasting,thecompositionofwhichisaboutMg5.6%,Si1.78%,Cu0.0142%,Ti0.182%,Be0.0035%.Effectsofshotparametersincludingvacuumlevel,ventingtime,shotvelocityandswitchpositionoffastvelocityoncastingqualityandmechanicalpropertieswereinvestigatedforthehighvacuumdie-castcarchassispartinthispaper.Theresultsshowedthatthevacuumedstartupandstoppositionare110mmand700mmrespectively,andthevacuumlevelofcavityisupto91kPa.Meanwhiletheslowandfastvelocityoftheinjectionpunchare0.19and5.8m/s,andswitchpositionoffastvelocityis240mm.Theroundcarchassispartcanbeachievedunderaboveparameters,whosetensilestrengthisover240MPa,yieldstrengthover145MPaandelongationupto6%.华中科技大学硕士学位论文IIIAttheendofthepaper,thecharacteristics,formationmechanismsandinfluencingfactorsofhighvacuumdiecasingdefectsduringtheprocessofproductionofrearsub-framewereanalyzed,whichincludedcoldlap,cracks,porosity,shrinkage,etc.andpreventmeasuresandsolutionswereproposed.Keywords:carlightweight;highvacuumdiecasting;aluminiummagnesiumalloy;rearsub-frame;mechanicalproperty独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题研究的来源、目的及意义由于全球能源供应紧张、温室气体排放的限制及汽车行业竞争的日益激烈，低能耗、低排放、低成本的汽车制造技术是汽车行业可持续发展的必然趋势。然而，无论是采用柴油或汽油，还是采用电池作为汽车动力驱动源，轿车轻量化都是实现节能减排的有效方法之一。在轿车轻量化技术的发展过程中，以铝代铁、以铝代钢是目前轻量化的主要措施，如德国AUDI-A8轿车采用了全铝制车身[1]。随着现代制造业技术的发展，轿车上的许多部件如动力部件、传动部件等均已实现轻量化，如汽车铝合金轮毂、发动机缸体、油底壳等。但是国内外在汽车底盘悬架部件的轻量化技术开发上则明显不足。因此，国外如德、日等在高强韧铝合金及其成形制造技术方面竞相进行研发并取得了很大的进展，在轿车复杂、薄壁、高强度、高韧性保安零件（如底盘悬架副车架、控制臂等）的制造上表现出巨大的技术优势和良好的应用前景。相比之下，我国汽车行业在轿车底盘轻量化上尚未起步，如底盘后副车架一直采用钢板冲压焊接结构，这显然与轿车轻量化的发展方向是严重背离的。压力铸造（压铸）是一种高速高效的先进成形工艺，是铝合金铸件的主要成形方法之一，在汽车行业铝合金零部件的生产中占有相当大的比例。但是，对于复杂、薄壁保安零件，压铸件的产品内部气孔多，无法进行热处理及焊接成形，也不能进行过多的机加工。因此压铸在汽车重要保安零件上的应用受到严重限制。那么如何消除压铸件的内部气孔缺陷，从而采用压铸成形生产高强度、高韧性的铝合金压铸件来满足汽车零件的使用要求是目前铸造领域研发的前沿技术之一。高真空压铸技术是在上述环境下开发出的一种新方法，它将模具型腔中的气体抽出，金属液在高真空状态（型腔内的真空度高达91kPa以上，即绝对压力10kPa以下）充填型腔，因而卷入的气体少，铸件的力学性能高。高真空压铸的铝合金零件的气体含量仅为1~3ml/100g，可以热处理或焊接加工。并且高真空压铸和普通压铸方法一样，操作方便，不降低生产率，受到各国的重视并纷纷致力于该技术的研发和应用[1~4]。迄今为止，铝合金轿车底盘后副车架及其成形技术的研发和应用在国内尚未见华中科技大学硕士学位论文2有公开报道。因此，为配合广汽集团自主品牌轿车“传祺”的开发，华中科技大学材料学院精密成形中心与广东鸿泰科技股份有限公司共同对“传祺”轿车的高强韧轿车底盘后副车架铝合金材料及其高真空压铸成形技术进行了研发并成功实现了批量生产。图1-1为本文开发的后副车架的三维造型图。本课题对于轿车底盘铝合金后副车架的压铸技术开发对于提升我国汽车零部件制造技术水平，特别是