原標(biāo)題：擠壓鑄造鋁合金控制臂的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)

摘要：以某量產(chǎn)車型的鋼制下控制臂為研究對(duì)象，通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了以鋁合金鑄件為核心的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)控制臂，通過(guò)擠壓鑄造工藝得到鋁合金鑄件，實(shí)現(xiàn)了減重25%的設(shè)定目標(biāo)。設(shè)計(jì)和試驗(yàn)表明，鋁合金鑄件為核心的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)控制臂能夠滿足下控制臂的使用需求，并大幅度降低質(zhì)量，滿足整車輕量化的需求。

隨著汽車多功能性需求的上升，電子設(shè)備和高品質(zhì)安全系統(tǒng)等設(shè)備不斷增加，導(dǎo)致乘用車重不斷增加。與此同時(shí)，在全球范圍內(nèi)，對(duì)于提高燃油效率的要求和排放的法規(guī)逐步苛刻。通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減小空氣和輪胎滾動(dòng)阻力，車身小型化以及減輕車身質(zhì)量都可以實(shí)現(xiàn)提高燃油效率和減小排放的目標(biāo)。基于降低整車質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)燃油效率和排放目標(biāo)是目前最容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段。因而如何降低整車質(zhì)量成為目前工程開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。鋁合金具有輕量化，比強(qiáng)度高以及耐腐蝕性好等一系列特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于前軸和橫梁部件的制造。出于輕量化設(shè)計(jì)方面的考慮，為減輕質(zhì)量，通常會(huì)改變零件的形狀和尺寸，而這些變化有能引起零件的強(qiáng)度和韌性的變化，并導(dǎo)致零件失效。因此，作為全新設(shè)計(jì)的輕合金懸掛部件，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用予以慎重的考慮，將合適的材料賦予恰當(dāng)?shù)墓δ埽⒔?jīng)過(guò)多輪次的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析和成形過(guò)程模擬才有可能獲得成功。

本課題以某量產(chǎn)車型的鋼板沖焊下控制臂為輕量化目標(biāo)，基于鋁合金及鑄造工藝，通過(guò)集成化設(shè)計(jì)，試圖實(shí)現(xiàn)輕量化控制臂的開(kāi)發(fā)，以滿足整車輕量化的需求。

1、目標(biāo)的選取與分析

某量產(chǎn)車型鋼板沖焊下控制臂見(jiàn)圖 1，選取該控制臂作為輕量化開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，以鋁合金鑄件取代原有部件。主要要求如下，鋁合金控制臂的碰撞性能與基準(zhǔn)部件相當(dāng)。鋁合金的絕對(duì)強(qiáng)度低于鋼板，但是可以充分利用鑄造工藝過(guò)程的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)置肋板和加強(qiáng)筋的方式保證結(jié)構(gòu)滿足碰撞性能要求；與取代部件相比，更改材料后質(zhì)量降低20%以上；滿足OEM的耐蝕性要求，與原有鋼制部件的耐蝕性能相當(dāng)。安裝要求：要求滿足原有的安裝條件，可實(shí)現(xiàn)直接替換。在局部結(jié)構(gòu)更改過(guò)程中不涉及與其他部件有裝配關(guān)系的部分，結(jié)構(gòu)調(diào)整后，部件原有裝配關(guān)系不變，可實(shí)現(xiàn)直接替換裝配；在滿足使用需求和輕量化目標(biāo)的同時(shí)，部件成本增加不超過(guò)20%。

圖1:鋼板沖焊下控制臂

隨著整車輕量化的要求，已經(jīng)有多種鋁合金控制臂投入了批量生產(chǎn)，主要采用鑄造和鍛造兩種工藝方法。盡管鍛造是目前產(chǎn)品力學(xué)性能最高的成形方法，但是其生產(chǎn)成本高。與鍛造相比，鑄造是一種相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)的成形方法。用于控制臂生產(chǎn)的鑄造方法主要有重力鑄造，低壓鑄造，差壓鑄造，擠壓鑄造和半固態(tài)鑄造等方法。綜合考慮生產(chǎn)投資，產(chǎn)品性能以及生產(chǎn)效率等因素，選取了與鍛造性能較為接近，工藝穩(wěn)定性較好的擠壓鑄造工藝作為開(kāi)發(fā)過(guò)程中的鑄造成形方法。

2、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析

2.1 產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)

圖 2為鋁合金控制臂的概念設(shè)計(jì)方案說(shuō)明。考慮到擠壓鑄造工藝特點(diǎn)，無(wú)法應(yīng)用砂芯形成空腔結(jié)構(gòu)。決定將原有的空腔結(jié)構(gòu)的鋼板沖焊控制臂改為“H”型結(jié)構(gòu)鋁合金鑄件，通過(guò)增加肋板和加強(qiáng)筋來(lái)提高鑄件的整體剛度，實(shí)現(xiàn)鑄造一次成形，并針對(duì)不適于鑄造的部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改和連接方式的確認(rèn)。

圖2:鋁合金控制臂的概念設(shè)計(jì)方案

圖 2中1處，將控制臂改為鋁合金鑄件后，球頭組件與控制臂的連接方式將由原有的焊接方式改為螺栓連接。為滿足更改后的連接方式，球頭鍛件的結(jié)構(gòu)必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)機(jī)械加工完成樣件制作。只允許更改連接部分與球頭相關(guān)的部件包括軸，防塵、球碗、卡環(huán)、球頭銷，夾子和球套結(jié)構(gòu)則不允許更改。

為保證鑄件的結(jié)構(gòu)完整性，鑄造工藝性能以及鑄件的整體性能，確認(rèn)將原有沖焊的減震器支座分為兩體設(shè)計(jì)。減震器主支座改為鋁合金設(shè)計(jì)，并與控制臂主體完成集成設(shè)計(jì)。減震器副支座仍然為沖焊結(jié)構(gòu)，在通過(guò)對(duì)原有部件切割的基礎(chǔ)上增加底座，通過(guò)焊接的方式形成組件，組件通過(guò)螺栓連接的方式與鋁合金控制臂連接，組件的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖 2中2處。在鋁合金控制臂上要設(shè)計(jì)副支座的安裝限位，保證安裝到位。

圖 2中3處在原有設(shè)計(jì)中所有部件均為鋼制部件，更改為鋁合金后，軸部位材料為鋁合金，與之配合的是鋼制部件，在通常情況下鋁合金部件不能夠與其發(fā)生直接的摩擦配合。考慮有兩種解決方案，其一通常是采用增加鋼制墊片的方式解決鋁制部件與鋼制部件的配合問(wèn)題，在增加鋼制墊片后，原有設(shè)計(jì)中軸的尺寸將發(fā)生改變，需要重新設(shè)計(jì)；其二是借用原有的鋼制部件，重新設(shè)計(jì)連接部分結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓連接實(shí)現(xiàn)部件的裝配。

2.2 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案

圖 3鋁合金控制臂的設(shè)計(jì)方案。基于原有沖焊部件設(shè)計(jì)，無(wú)法對(duì)原有周邊的裝配環(huán)境進(jìn)行更改，必須仔細(xì)考慮原有部件的結(jié)構(gòu)與裝配。總體設(shè)計(jì)方案是采用集成設(shè)計(jì)“H”型的鋁合金擠壓控制臂取代原有的上板，下板，連接上板，連接下板，襯套套管和減震器支架形成一個(gè)整體控制臂。

圖3:鋁合金控制臂設(shè)計(jì)方案

圖 3中1處，球頭組件采用原有結(jié)構(gòu)，但取消原有焊接連接方式，在球頭鍛件上增加連接平面設(shè)計(jì)，通過(guò)螺栓連接的方式與控制臂主體連接，在控制臂主體上也相應(yīng)的設(shè)計(jì)出連接平面和連接螺栓孔。2處將沖焊結(jié)構(gòu)中控制臂主體中的減震器之間分為兩個(gè)部分，主體部分與控制臂為鑄件，其余部分設(shè)計(jì)為一個(gè)鋼板部件，通過(guò)螺釘與控制臂主體連接。3處在概念設(shè)計(jì)中試圖將該部分集成至鋁合金鑄件中，但是在CAE分析中發(fā)現(xiàn)，該部分的載荷較大，加之無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，因而決定保留此部分的鋼制部件，在鋼制部件和控制臂主體上設(shè)計(jì)出連接結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)螺栓與控制臂主體連接。4處在原有設(shè)計(jì)中的高度傳感器支架無(wú)法集成入鋁合金鑄件中，所以需維持鋼板部件設(shè)計(jì)，通過(guò)螺釘與控制臂主體連接。

2.3 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析

為保證結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的正確性，獲取了原有鋼板沖焊的控制臂的相關(guān)材料信息。原有控制臂由15個(gè)不同材料的鋼板部件通過(guò)焊接構(gòu)成。通過(guò)相關(guān)鋼板標(biāo)準(zhǔn)的查詢，獲取了用于沖焊控制臂制造的不同鋼板材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和楊氏模量，用于CAE對(duì)比分析。控制臂共有VERTICAL_BUMP，CORNERING，BRAKIING_REARWARD，MAX_BRAKING，MAX_ACCELERATION，LATERAL_SHOCK，CURB_PUSH 7種工況條件。考慮到擠壓鑄造鋁合金AlSi7Mg-T6的斷裂強(qiáng)度為220 MPa。在分析過(guò)程中，要求任何區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布不能夠大于200 MPa。對(duì)于局部應(yīng)力集中區(qū)域，可參考原有鋼板沖焊設(shè)計(jì)中的對(duì)比應(yīng)力，確保全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE對(duì)比分析時(shí)，相同部位鋁合金部件的應(yīng)力不得超過(guò)鋼制部件的1/3。

圖 4為6種工況條件的應(yīng)力分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力水平能能夠滿足部件的使用需求。圖 4中VERTICAL_BUMP，MAX_BRAKING和CONERING工況為非破壞工況，其最大應(yīng)力都未超過(guò)200 MPa，經(jīng)過(guò)對(duì)高應(yīng)力部位的分析，主要為應(yīng)力集中，且位于螺栓孔和減振器支座根部，同時(shí)對(duì)比了原有鋼制部件同樣位置的應(yīng)力，其數(shù)值未超過(guò)鋼制部件同樣位置應(yīng)力的1/3，故而判定合格。為安全考慮，加大了減振器支座根部的圓角，以便于降低應(yīng)力集中。

裝配檢查表明，全新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有超出原有結(jié)構(gòu)包絡(luò)面內(nèi)，能夠滿足安裝條件。部件在局部結(jié)構(gòu)更改過(guò)程中，沒(méi)有涉及與其他部件有裝配關(guān)系的部分，結(jié)構(gòu)調(diào)整后，部件的裝配關(guān)系不變，可實(shí)現(xiàn)直接替換裝配。據(jù)此，確定設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖4:6種工況條件下的CAE應(yīng)力分析結(jié)果

2.4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)總結(jié)

表 1為原有結(jié)構(gòu)與全新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量對(duì)比。通過(guò)采用集成控制臂鑄件取代了原有的上板，下板及連接上板等6個(gè)部件，并借用原有的連接套管。由表 1中的被替代的鋼制部件和集成鋁合金控制臂質(zhì)量數(shù)據(jù)可見(jiàn)，采用鋁合金集成鑄件后，質(zhì)量下降31%。球頭總成和軸借用了原有結(jié)構(gòu)，但重新設(shè)計(jì)了連接部分的結(jié)構(gòu)，并采用了螺栓連接方案。

原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為4.358 kg，全新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量為3.268 kg。可見(jiàn)通過(guò)應(yīng)用鋁合金金集成鑄件并借用部分原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)部件總成減重25%的效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的減重目標(biāo)。

表1:原有結(jié)構(gòu)與全新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量對(duì)比

3、工藝開(kāi)發(fā)與試制

鋁合金控制臂鑄造工藝的基本設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 5。采用立式擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓鑄造生產(chǎn)，澆注系統(tǒng)由料餅和“Y”字型的澆道組成，在鑄件上方設(shè)置溢流槽。通過(guò)左側(cè)的抽芯形成鑄件上與原有結(jié)構(gòu)軸的安裝孔。通過(guò)設(shè)置抽芯形成在鑄件上部的連接孔，可以通過(guò)設(shè)置油缸的動(dòng)作，在開(kāi)模前插入，或是在充填過(guò)程中插入，當(dāng)作擠壓針，消除鑄造缺陷。控制臂鑄件質(zhì)量為2.282 kg，控制臂料餅及澆注系統(tǒng)質(zhì)量為4.250 kg，溢流槽及排氣通道質(zhì)量為0.660 kg，總質(zhì)量為7.192kg，工藝出品率為31.7%，工藝出品率偏低。考慮到為試制開(kāi)發(fā)部件，未對(duì)工藝出品率進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以考慮采用一模兩件的方式提高工藝出品率。

圖5:鋁合金控制臂鑄造工藝示意

采用ESI-ProCAST對(duì)鑄造過(guò)程進(jìn)行模擬分析，圖 6為不應(yīng)用局部擠壓和應(yīng)用局部擠壓兩種方式鑄件缺陷的模擬結(jié)果。可以看出，在未應(yīng)用局部擠壓的情況下，將局部擠壓針插入作為型芯使用；在應(yīng)用局部擠壓的情況下，局部擠壓針先不插入模具內(nèi)，待完成充填后，插入模具內(nèi)，對(duì)尚未完成凝固的鑄件進(jìn)行局部擠壓，消除鑄件內(nèi)部缺陷。由圖 6a可知，在不應(yīng)用局部擠壓的情況下，遠(yuǎn)離澆口部位以及加強(qiáng)筋部位還存在一定數(shù)量的缺陷。由于鑄件凝固順序的原因，無(wú)法通過(guò)增加保壓時(shí)間和增壓壓力的方式消除此類缺陷。通過(guò)應(yīng)用局部擠壓技術(shù)，可以有效地消除通過(guò)增加保壓時(shí)間和增壓壓力無(wú)法消除的缺陷，見(jiàn)圖 6b。

圖6:鑄造過(guò)程的缺陷模擬分析結(jié)果

在臥式擠壓鑄造機(jī)（SCH-1000A）上進(jìn)行鋁合金控制臂生產(chǎn)，模具分為動(dòng)模和靜模兩個(gè)部分。在完成料杯充填以后，活塞自下向上運(yùn)動(dòng)，完成金屬熔體的充填。在動(dòng)模部分通過(guò)一個(gè)抽芯和一個(gè)局部擠壓和抽芯兩用的結(jié)構(gòu)分別形成連接孔和連接軸安裝面處的結(jié)構(gòu)。采用兩種方式進(jìn)行鑄造生產(chǎn)，其一是無(wú)局部擠壓，即擠壓針預(yù)先插入模具內(nèi)作為型芯使用；其二是采用局部增壓，即擠壓針預(yù)先不插入模具，原來(lái)形成連接孔的部位將被金屬熔體充填，隨后在油缸的作用下，擠壓針插入模具，作用在鑄件上，通過(guò)其擠壓作用減少鑄件的缺陷，隨后油缸卸壓，收回?cái)D壓針，打開(kāi)模具，取出鑄件。圖 7為擠壓鑄造生產(chǎn)的鋁合金控制臂鑄件。

圖7:擠壓鑄造生產(chǎn)的鋁合金控制臂鑄件

受鑄件尺寸和結(jié)構(gòu)的限制，本體取樣時(shí)按客戶要求，在多個(gè)鑄件上指定位置分別取若干非標(biāo)試樣（基于GB T 228.1-2010），拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 8。抗拉強(qiáng)度為293.2 MPa、屈服強(qiáng)度為226.48 MPa、伸長(zhǎng)率為9.01%，且全部高于設(shè)定值。后期在主機(jī)廠進(jìn)行的臺(tái)架試驗(yàn)、NVH測(cè)試、裝車試驗(yàn)、碰撞試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)等多項(xiàng)檢測(cè)，全部通過(guò)，由此可見(jiàn)擠壓鑄造鋁合金控制臂的性能不低于鋼板沖焊下控制臂，由于涉及關(guān)鍵技術(shù)，主機(jī)廠并未透露相關(guān)試驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)和照片。

圖8:擠壓鑄造控制臂力學(xué)性能

圖9為無(wú)和有局部擠壓鑄造鑄件的CT照片。由圖9a可見(jiàn)，在無(wú)局部擠壓的條件鑄件的安裝孔處出現(xiàn)了明顯的縮松缺陷，通過(guò)應(yīng)用局部擠壓可以消除此類缺陷,見(jiàn)圖9b。需要注意的是，在局部擠壓過(guò)程擠壓針的插入深度不僅取決于局部擠壓油缸的壓力，還取決于插入的時(shí)間和鑄件的凝固情況。盡管在本課題中通過(guò)局部增壓消除了鑄造缺陷，但是擠壓針插入的深度不夠，對(duì)于安裝孔的形成貢獻(xiàn)不大，后續(xù)還要通過(guò)機(jī)械加工才能夠完成。

圖9:局部擠壓鑄造對(duì)鑄件質(zhì)量的影響

4、結(jié)論

（1）通過(guò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，在原有鋼制控制臂的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了輕量化鑄造鋁合金控制臂，實(shí)現(xiàn)了減重25%的設(shè)定目標(biāo)，且通過(guò)主機(jī)廠測(cè)試，其他性能未降低。

（2）采用擠壓鑄造工藝完成了鑄件的開(kāi)發(fā)，并引入了局部擠壓技術(shù)，有效消除了通過(guò)增加保壓時(shí)間和增壓壓力無(wú)法消除的缺陷，抗拉強(qiáng)度為293.2 MPa、屈服強(qiáng)度為226.48 MPa、伸長(zhǎng)率9.01%。

（3）設(shè)計(jì)和試驗(yàn)表明，鋁合金鑄件為核心的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)控制臂能夠滿足下控制臂的使用需求，并大幅度降低質(zhì)量，滿足整車輕量化的需求。

作者：

徐世文 劉海峰 李鑫磊 韓星
中信戴卡股份有限公司 工程技術(shù)研究院

崔曉鵬
長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

本文來(lái)自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第08期