原標題:差壓鑄造在鋁合金后下擺臂的應用

摘 要:控制臂是汽車底盤安全件，而后下擺臂為控制臂的一種。目前，鋁合金后下擺臂主要為鍛造、低壓鑄造、擠壓鑄造，但由于鍛造、擠壓鑄造成本較高，主機廠選擇的較少，低壓鑄造力學性能偏低。為了滿足車輛輕量化需求，利用差壓鑄造工藝對產品進行設計、CAE分析、鑄造模擬分析，最終獲得差壓鑄造下的后下擺臂產品，產品屈服強度240 MPa以上，抗拉強度310 MPa以上，伸長率平均10%，獲得滿足客戶要求的產品，并降低了制造成本。

前 言：麥弗遜獨立懸掛通常由減震器、彈簧、下擺臂三部分構成，下擺臂與兩橫臂相連，當車在凹凸不平的路面行駛時，保持車輛的穩定，后下擺臂的材料為A356.2，結構為兩側雙叉臂，中間設計彈簧承載面。后下擺臂承受轉向節傳遞的作用力以及車身彈簧的壓力，需要具有足夠的強度與剛度。產品為汽車底盤的安全件，出現失效時會引起車輛轉向失控，造成乘客的傷亡。

傳統的方式為鍛造成形工藝、低壓鑄造工藝或者擠壓鑄造工藝，但鍛造設備、擠壓設備投資大，工藝難度大，而同樣的結構低壓鑄造雖然成本低，但同條件下力學性能較差壓鑄造低。

同樣使用T6熱處理工藝，本企業使用低壓鑄造設備獲得的力學性能為：抗拉強度不足270 MPa，屈服強度不足210 MPa，伸長率平均10%；而差壓鑄造設備可以將力學性能提高到：抗拉強度高于310 MPa，屈服強度高于240 MPa，伸長率10%，強度數值可以與擠壓鑄造力學性能媲美。

1、技術指標要求

1.1 力學性能要求及檢驗標準

后下擺臂的結構見圖1。產品材料為A356.2，力學性能要求為：抗拉強度≥290 MPa，屈服強度≥220 MPa，伸長率大于8%，硬度大于HB85，熱處理按照CQI-9 T6標準執行。

圖1 后下擺臂的3D模型

產品尺寸為：500 mm×300 mm×45 mm（高），產品彈簧面的平面度要求為1 mm，產品重量3.5 kg。

1.2 內部組織及缺陷要求

后下擺臂的內部缺陷需要100%的X光檢測，按照ASTM E155進行檢測，關鍵區域的內部缺陷不能高于1級，非關鍵區域的內部缺陷標準不能超過2級，兩枝晶間距小于50 μm，金相檢測參照ASTM 1030執行。

2、差壓鑄造工藝

2.1 設備介紹

本企業采用保加利亞產差壓鑄造機（CPC），該設備共有96路可以獨立控制的冷卻水，設備工作壓力上腔可以達到0.15 MPa，下腔可以達到0.3 MPa，設備型號為CPC-1600，可安裝最大模板直徑為1 243 mm，最大模架高度為800 mm，鋁液溫度控制精度為±5 ℃，壓力控制精度為100 Pa。

2.2 差壓工藝步驟

差壓鑄造法是20世紀60年代初發展起來的鑄造新方法。這種方法源于低壓鑄造，它兼有低壓鑄造和壓力釜鑄造的特點。

本企業使用的差壓鑄造機的工藝步驟如圖2。上下腔同時增壓（圖2a）→上腔壓力保持的同時，下腔按照充型曲線進行增壓充型（圖2b）→壓力下結晶（圖2c）→上腔泄壓下腔增壓補縮（圖2c）→冷卻（圖2d）→產品頂出（圖2d）。

圖2 拉伸試樣及拉伸夾具示意圖

差壓鑄造與低壓鑄造比主要的工藝差異為：①壓力下結晶：低壓鑄造在大氣壓下進行結晶，差壓鑄造結晶時的壓力由設備控制，本企業的結晶壓力為0.15 MPa，高的結晶壓力可以使產品的力學性能有一定提升；②增壓補縮：差壓鑄造壓力下結晶階段結束后，上腔壓力恢復成大氣壓，坩堝與上腔的壓力差從0.06 MPa提升到0.21 MPa，補縮壓差比設備低壓模式的0.06 MPa高2倍以上，產品補縮能力進一步加強。

3、產品全壽命周期流程

根據客戶提供的產品各安裝面的空間裝配要求以及載荷要求開始：產品設計→CAE分析→產品毛坯設計→模流分析→模具設計→產品試制→X光檢測→熱處理→力學性能檢測。

3.1 產品結構設計

依照產品結構特點，在設計過程中充分地考慮了差壓鑄造設備的特點及工藝能力，將產品的彈簧接觸面設計為加工余量為2 mm的毛坯面。根據后下擺臂的產品特點，將左右件設計成同一種結構，并在產品上設計左右手凸臺標識，不同機加工程序保留不同凸臺標識。

3.2 產品 CAE 分析

根據客戶要求對產品進行強度分析如圖3、疲勞分析如圖4。從分析結果上看，零件整體受力均勻，極限強度小于材料強度，從兩根縱向分布的筋向周圍平面過渡自然，沒有應力集中的情況，強度分析和疲勞分析的結果均合格，作為底盤安全件，滿足客戶規定的壽命要求。經過CAE分析產品滿足客戶要求。

圖3 強度分析

圖4 疲勞分析

3.3 產品毛坯設計

由于產品長度達500 mm，最薄壁厚僅6 mm，同時鑄件存在大量的平面結構，充型時可能會出現鋁液匯流，產生氣孔，所以對產品做出傾斜澆注設計。根據傾斜角度進行分型面設計以及起模斜度設計，以此保證鋁液充型平穩無匯流產生氣孔風險，充型模擬見圖5。將產品可能產生憋氣的位置增加排氣網格，網格遵循鋁液充型方向，網格寬度為1 mm、深度1 mm，等腰直角三角形結構，網紋設計見圖6。

圖5 充型模擬

圖6 網紋設計

3.4 產品模流分析

由于產品為薄壁件，差壓鑄造由于上腔壓力大，凝固速度較低壓鑄造快，產品的補縮時間不足，設計時不僅要考慮近澆道區域的充足補縮，還需要考慮遠澆道區域的補縮需求量，盡量將遠澆道的補縮需求量降低。針對于客戶對產品關鍵區域的內部缺陷不大于1級、非關鍵區域不大于2級的要求，根據模流分析結果進行結構細微調整，將鑄造凝固模擬的補縮狹長位置從關鍵區域移動到非關鍵區域，保證CAE分析中的關鍵區域不會產生超過1級缺陷。

從模擬中可以看出產品基本按照順序凝固，但由于產品壁厚較薄，階段凝固部分均會產生狹長的液相區殘留，如圖7中標識“補縮”區域，需要在實際生產中來確認是否會產生缺陷。

圖7 產品凝固過程模擬

產品的冷卻水設計如圖8，CPC設備單臺機擁有96路可以獨立控制的冷卻水，針對產品接近同時凝固的設計理念，對產品多數壁厚差異不大的位置均設計冷卻水。水溫設置為30 ℃，水流量為5 L/min。

圖8 產品冷卻水布局

3.5 產品模具設計

由于差壓鑄造機合模后模具處于外罩中，合模后模具緊貼合，上腔通過外罩壓縮“O”型圈保持密封，但模具會受到外罩的尺寸差異以及模具溫度與外罩溫度差異的影響，差壓機在進行大型產品生產時對模具的合模間隙要求較低壓鑄造更高。依照這種情況，模具設計過程中針對產品的結構特點，模具增加防漏鋁結構（圖9），在充型過程中可以保證不會產生持續的漏鋁，防止設備無法生產的情況發生。

圖9 模具防漏鋁設計

3.6 產品試制結果

經過完善的設計，產品試制過程較為順利，如圖10，產品整體無明顯澆不足、冷隔，產品上無明顯的流痕，產品的節拍時間約在240 s左右，按照差壓鑄造機的尺寸共可以生產一模4件，平均每件節拍為60 s，基本可以達到目前擠壓鑄造可以達到的節拍水平。

圖10 產品實物

產品尺寸采用3D掃描設備進行掃描檢測，檢測結果發現產品兩側支臂有一定形變，如圖11，形變的原因主要來源于冷卻過程中產品內部產生的組織應力，從檢測結果上來看變形量小于1 mm，鑄造設計加工余量為2 mm，對加工影響較小，產品輪廓度要求為3 mm，滿足客戶要求。

圖11 3D掃描結果

產品熱處理之前硬度較低，會出現一定的變形，所以產品生產及周轉過程中需要使用特殊容器。產品內部缺陷使用X光百分之百檢測，從實際產品的X檢測結果可知，缺陷等級小于1級，滿足客戶要求，如圖12。

圖12 X光圖片

產品本體化學成分如表1，為保證較高的力學性能，本企業采用A356.2的成分要求，并將鐵含量控制0.1%以下。產品力學性能數據經過本體取樣測量見表2。

表1 產品本體化學成分 wB/%

表2 產品力學性能

力學性能可以達到：抗拉強度>310 MPa，屈服強度>240 MPa，伸長率大于8%，硬度達到HB100。與本公司較為成熟的轉向節保持相近的力學性能，滿足客戶要求。

4、結束語

后下擺臂采用差壓鑄造工藝具有很好的工藝可行性，可以在綜合成本與低壓鑄造接近的情況下將產品抗拉強度提升到310 MPa，屈服強度提升到240 MPa，成本上也較擠壓與鍛造有一定優勢，更加適合目前后下擺臂產品主要應用的小批量高價格的乘用車使用。差壓鑄造特有的壓力下結晶以及更大的補縮壓差可以提高產品的凝固速度，達到更快的節拍。自行設計的控制臂可以根據差壓鑄造的特點進行強化與減重，得到更輕量化的產品結構，未來差壓鑄造在鋁合金各類控制臂上的應用會越來越廣泛。

作者
雙建偉
威海伯特利薩克迪汽車安全系統有限公司
本文來自：《鑄造》雜志