【MFC推薦】汽車鑄造技術(shù)淺談

宋洋sy 2022-08-11 發(fā)布于北京

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背景介紹

鑄造成型是制造復(fù)雜零件的最靈活的方法。先進鑄造技術(shù)的應(yīng)用給制造工業(yè)帶來了新的活力。為數(shù)眾多的軟件問世和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展使得為生產(chǎn)在幾何形狀、尺寸、使用性能等方面都符合要求的鑄件提出確切可靠的信息成為可能。

汽車零件中大約有15%~20%為采用不同鑄造方法生產(chǎn)的鑄件，這些鑄件主要為動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件和重要的結(jié)構(gòu)部件。目前汽車工業(yè)發(fā)達國家的汽車鑄件生產(chǎn)技術(shù)先進，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，環(huán)境污染小。鑄造原輔材料已形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，整個生產(chǎn)過程已經(jīng)實現(xiàn)了機械化、自動化和智能化。隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，采用快速制模技術(shù)、CAE技術(shù)、三維建模、數(shù)控技術(shù)等技術(shù)，為縮短鑄件生產(chǎn)準(zhǔn)備周期和降低新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險提供可靠的支持。

汽車鑄造技術(shù)

1、鑄造工藝

鑄造主要有砂型鑄造和特種鑄造兩大類。

● 普通砂型鑄造，利用砂作為鑄模材料，又稱砂鑄，翻砂，包括濕砂型、干砂型和化學(xué)硬化砂型3類，但并非所有砂均可用以鑄造。優(yōu)點是成本較低，因為鑄模所使用的沙可重復(fù)使用；缺點是鑄模制作耗時，鑄模本身不能被重復(fù)使用，須破壞后才能取得成品。

● 特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產(chǎn)砂石為主要造型材料的特種鑄造（如熔模鑄造、泥型鑄造、殼型鑄造、負壓鑄造、實型鑄造、陶瓷型鑄造等）和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造（如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續(xù)鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等）兩類。

圖1 鑄造工藝分類

在汽車領(lǐng)域，主要應(yīng)用的鑄造工藝有以下兩大類：

1.1 重力鑄造（GDC）

重力鑄造是指金屬液在地球重力作用下注入鑄型的工藝，也稱重力澆鑄。將融化的金屬倒入模具中，融化的金屬在重力的作用下占據(jù)了腔內(nèi)的空間。如果零件必須是空心的，那么也需要在模腔中設(shè)置砂芯。有時，為了確保適當(dāng)?shù)慕饘倭鲃樱瑵沧⒀b置可能會傾斜，而這種裝置被稱為“傾斜GDC”。廣義的重力鑄造又包括砂型澆鑄、金屬型澆鑄、熔模鑄造、消失模鑄造，泥模鑄造等，而其中，砂型鑄造在汽車工業(yè)應(yīng)用最為廣泛。

1.1.1 砂型鑄造

目前對于鑄鐵材質(zhì)的汽車部件，應(yīng)用最廣的仍然是濕砂造型，尤其是氣流預(yù)緊實的靜壓或氣沖造型的出現(xiàn)，體現(xiàn)出更多的優(yōu)越性 – 能耗低、噪聲小、污染少、效率高、運行可靠。

近來，國外設(shè)備制造廠家對造型機又不斷改進，先后出現(xiàn)氣沖壓實，氣流增益氣沖加壓實，靜壓加壓實、主動多觸頭壓實、成型擠壓壓實等改進方式，使砂型硬度更加均勻化。

圖2 砂型鑄造流程

隨著大功率半導(dǎo)體元器件及計算機，微電子技術(shù)的發(fā)展，采用電伺服系統(tǒng)代替造型線慣常所用的液壓、氣動驅(qū)動，使造型線節(jié)拍進一步加快，并且運行可靠性大大提高，同時明顯地簡化了液壓控制系統(tǒng)，使維護保養(yǎng)工作量也相應(yīng)減少。

造型線采用雙筒式落砂機，則可使鑄件和澆口在落砂的同時得到預(yù)清理。造型線的澆注往往制約全線的開動率，應(yīng)采用自動澆注設(shè)備。有的廠家采用氣壓澆包和接觸式澆注工藝，有利于節(jié)約鐵水，保證質(zhì)量和保護砂箱，澆注過程中采用隨流孕育的較多，有的采用型內(nèi)孕育與過濾相結(jié)合。

鑄造過程中，對于砂芯的采用，依各廠條件不同，分別采用冷芯盒制芯，熱芯盒制芯或殼芯制芯外，其它的砂芯包括曲軸箱砂芯、缸筒與頂端砂芯、前后端面前砂芯等大多采用冷芯盒制芯，以保證尺寸精度和節(jié)能，冷芯盒應(yīng)用越來越廣泛。冷芯制芯以ISO CURE 三乙胺硬化法居多（美國又開發(fā)出更先進的ISO MAX）。

為提高鑄件內(nèi)表面質(zhì)量和內(nèi)腔清潔度，砂芯應(yīng)涂料，用水基涂料取代醇基涂料有利于防污染。涂料后采用微波烘干效率高、節(jié)能，砂芯質(zhì)量也比傳統(tǒng)的用煤氣、天燃氣烘干好。采用KCY-CORE工藝，利用砂芯上開設(shè)的工藝孔，二次填砂固化，使多個砂芯為一個整體組合砂芯，然后整體涂料、烘干，這樣鑄件尺寸精度可大大提高，總體尺寸誤差<0.3mm。

在型砂系統(tǒng)中，有舊砂磁選設(shè)備、砂塊破碎設(shè)備和篩分設(shè)備及舊砂冷卻設(shè)備來保證回用舊砂的質(zhì)量。同時對新砂、煤粉、膨潤土等添加材料，準(zhǔn)確定量，按工藝確定的比例給料,并根據(jù)實時控制的數(shù)據(jù)隨時調(diào)整加水量，確保型砂性能。也有采用對全系統(tǒng)型砂的性能進行閉環(huán)實時控制或型砂質(zhì)量計算機在線專家系統(tǒng)控制的。應(yīng)注意，型砂系統(tǒng)的型砂周轉(zhuǎn)量較大，惰性較強，型砂性能的調(diào)整應(yīng)以趨勢來判斷，采用有預(yù)見性的調(diào)整措施，以保證型砂系統(tǒng)的質(zhì)量穩(wěn)定。

常見鑄件有：發(fā)動機缸體、缸蓋，變速箱殼體，進氣歧管等。

1.2 壓鑄

當(dāng)所需鑄件的截面相當(dāng)復(fù)雜，或某些特定地方的壁厚非常薄時（如圖3），僅在重力的影響下，無法保證金屬液完全填滿模腔。在這種情況下，金屬液可在壓力的作用下壓入模腔，保證金屬液能完全填滿模腔，設(shè)置可以是高壓壓鑄（HPDC）或低壓壓鑄（LPDC）。采用HPDC工藝生產(chǎn)的鑄件尺寸一致性好，公差相近，大約+/-0.2mm。這種精度在GDC甚至LPDC中都是無法企及的。隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，高壓壓鑄技術(shù)也成為了當(dāng)前汽車鑄造的熱點之一。

圖3 復(fù)雜壁薄零件

1.2.1 高壓鑄造

高壓鑄造是在高壓作用下將液態(tài)或半液態(tài)金屬快速壓入鑄型中，并在壓力作用下結(jié)晶凝固而獲得鑄件的方法。高壓鑄造的主要工序可分為：合型、壓射、頂出三個階段。

圖4 高壓鑄造工藝流程

在壓鑄過程中，壓射參數(shù)對壓鑄件氣孔的影響頗大，必須合理進行調(diào)整。采用閉合壓射結(jié)束時間控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)無飛邊壓鑄。壓鑄件質(zhì)量的檢測可采用X光探傷、超聲波測試等。

在高壓鑄造工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的真空鑄造、充氧壓鑄，旨在消除鑄件缺陷，提高內(nèi)部質(zhì)量，并擴大壓鑄件的應(yīng)用范圍。擠壓鑄造過程中，熔體在壓力下充型和凝固，具有平穩(wěn)、無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節(jié)能、操作安全和減少鑄件孔洞類缺陷等優(yōu)點，在鋁合金副車架等高性能鋁合金鑄件的開發(fā)與應(yīng)用方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

● 真空壓鑄

為了減少或避免壓鑄過程中氣體隨金屬液高速卷入而使得鑄件產(chǎn)生氣孔和疏松，壓鑄前采用對鑄型抽真空壓鑄最為普遍。根據(jù)壓室和型腔內(nèi)的真空度大小又可將真空壓鑄分為普通真空壓鑄和高真空壓鑄。

圖5 真空壓鑄工藝流程圖

高真空壓鑄的關(guān)鍵是能在很短的時間內(nèi)獲得高真空。圖6為吸入式高真空壓鑄機的工作原理圖，它采用真空吸入金屬液至壓室內(nèi)，然后進行快速壓射，可獲得較高的壓鑄真空度。

高真空壓鑄的原理：壓鑄工作前，先從抽真空管將整個壓室和型腔中的空氣抽出，這個抽真空過程速度一定要盡可能快，使得坩堝中的金屬液和壓室產(chǎn)生較大的壓力差，從而使得坩堝中的金屬液體沿著升液管進入壓室，接著壓射沖頭開始進行壓射。

圖6 吸入式高真空壓鑄機

● 充氧壓鑄

充氧壓鑄是將干燥的氧氣充入壓室和壓鑄模型腔內(nèi)，以取代其中的空氣和其他氣體。充氧壓鑄工藝原理圖如圖7所示。

充氧壓鑄僅適用于鋁合金。當(dāng)鋁合金液體壓入壓室和壓鑄模型腔時與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)，生成AL2O3，形成均勻分布的AL2O3小顆粒（直徑在1um以下），從而減少或消除了氣孔，提高了鑄件的致密性。這些小顆粒分散在鑄件中，約占總質(zhì)量的0.1%-0.2%，不影響機械加工。

圖7 充氧壓鑄原理圖

2、鑄造設(shè)備

汽車鑄造業(yè)所用的設(shè)備必須是快節(jié)拍、高效率、高可靠性的適應(yīng)連續(xù)工作的設(shè)備。由于轎車鑄件的高質(zhì)量要求，這些鑄造設(shè)備又必須是較高精度的。

主要的鑄造設(shè)備有：造型機，混砂機，制芯機，造型設(shè)備，除塵設(shè)備，熔煉爐，壓鑄機，機加設(shè)備，拋丸機，清洗機，檢測設(shè)備等，其中對壓鑄機和熔煉爐進行介紹。

2.1 熔煉爐

熔煉爐利用中頻電源建立中頻磁場，使鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)渦流并發(fā)熱，達到加熱材料的目的。中頻電爐采用 200-2500Hz中頻電源進行感應(yīng)加熱，熔煉保溫，熔煉爐主要用于熔煉碳鋼，合金鋼，特種鋼，也可用于銅，鋁等有色金屬的熔煉和提溫。設(shè)備體積小，重量輕，效率高，耗電少，熔化升溫快，爐溫易控制，生產(chǎn)效率高。

整套熔煉爐設(shè)備包含中頻電源柜，補償電容，爐體（兩個）及水冷電纜、減速機。爐體由爐殼、感應(yīng)圈、爐襯、傾爐減速箱等四個部分組成，爐殼用非磁性材料制成，感應(yīng)線圈是由矩形空心管制成的螺旋狀筒體，熔煉時管內(nèi)通冷卻水。線圈引出銅排與水冷電纜連通，爐襯緊靠感應(yīng)圈，由石英砂打?qū)崯Y(jié)而成，爐體的傾動由傾爐減速箱直接轉(zhuǎn)動。傾爐減速箱系二級渦輪變速，自鎖性能好，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)可靠，出現(xiàn)緊急斷電時看收工傾爐，避免危險?？梢酝ㄟ^選爐開關(guān)對兩臺爐體的傾爐減速箱電動機的控制進行選擇，帶有四芯橡皮線的開關(guān)盒能使操作者站在合適位置對爐體的傾動，復(fù)位進行點動控制。

當(dāng)前許多鑄造工廠還停留在工業(yè)2.0狀態(tài)，在環(huán)保，自動化，智能化及安全上面都急需得到改善。隨著工業(yè)4.0的到來，通過傳感器在極端高溫的環(huán)境中工作，將熔煉中的所有參數(shù)記錄下來，從加熱爐的填充水平到熔池污染程度都將成為實現(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng)熔煉爐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。未來在一個熔煉爐工廠里，清潔工作可由一個機器人完成，機器人知道熔爐的所有參數(shù)，并能在污染達到臨界線之前及時采取行動。

2.2 壓鑄機

壓鑄機就是用于壓力鑄造的機器。包括熱壓室及冷壓室兩種。后都又分為直式和臥式兩種類型。壓鑄機在壓力作用下把熔融金屬液壓射到模具中冷卻成型，開模后可以得到固體金屬鑄件。壓鑄機主要由合模機構(gòu)、壓射機構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電力控制系統(tǒng)等各部分組成。除此之外，壓鑄機還有零部件及機座、其他裝置、輔助裝置等部分。

圖8 壓鑄機基本結(jié)構(gòu)圖

近三十年來, 壓鑄機在大型化，自動化，單元化和柔性化等方面的發(fā)展非常迅速。最近的幾年，汽車壓鑄的集成化，輕量化等高新技術(shù)又不斷地對壓鑄機提出更高和更新的要求。其中車身一體成型技術(shù)作為當(dāng)前的熱點話題，把重噸型壓鑄機推向前沿。

近期特斯拉從意大利DRA又采購了一臺8000噸級壓鑄機，比之前在Model Y上用的6000噸壓鑄機又重了30%，相信這個記錄將會不斷被刷新。在此，我們來分析一下，為什么說重型壓鑄機是未來的發(fā)展方向，它到底有哪些優(yōu)勢。

優(yōu)勢一：單一工位材料成型成本優(yōu)勢

圖9為特斯拉Model Y車架結(jié)構(gòu)圖，黃色部分是車身后部、后橋塔頂輪拱的一體化大型零件。有了大型壓鑄機的幫忙，這個本需要多工位，多工序的復(fù)雜零部件就可一氣呵成。因此在成本上是有絕對的優(yōu)勢。

圖9 Model Y車架結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)勢二：將沖壓、焊接一體化，總體節(jié)拍較為優(yōu)化

特斯拉的目標(biāo)是要做新能源界的豐田大眾，那么生產(chǎn)節(jié)拍就變得異常重要。8000噸的壓鑄機為了提升節(jié)拍，在鑄造零件壓力密封過程中，通過某些技術(shù)能將兩側(cè)的鑄造半膜之間形成空腔，并且向這個空腔中注入帶有溫度保護的熔融金屬。由于這個空腔中是負壓狀態(tài)，能有效消除鑄造湍流產(chǎn)生的氣泡，在壓鑄時對于材料的一致性，和鑄造速度非常有幫助。根據(jù)特斯拉公布的數(shù)據(jù)來看，每次鑄造會將80公斤左右的鋁合金液體，以每秒10米的速度注入冷室模具中，節(jié)拍為85秒左右，算下來每小時42件，算是優(yōu)化了目前的節(jié)拍。

優(yōu)勢也伴隨著一些不足的地方，比如，鍛煉力學(xué)角度目前在該工藝之下仍有挑戰(zhàn)，模具設(shè)計也具有很大的挑戰(zhàn)。在發(fā)展大型壓鑄機的道路上，這都是我們未來要攻克的技術(shù)難題。

3、鑄造材料

3.1 缸體

傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機缸體材料是鑄鐵，當(dāng)今仍舊占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著發(fā)動機性能的逐步提高和輕量化的需求，發(fā)動機缸體材料也在進行著快速革新。主要有三個方向：

● 提高鑄鐵牌號，以提高缸體強度和性能；

● 采用蠕墨鑄鐵生產(chǎn)發(fā)動機缸體，具有高強度、疲勞性能好的優(yōu)勢，利于薄壁化設(shè)計的優(yōu)點，可承受更大的爆發(fā)壓力，減少缸筒變形，功率提高10％～20％；

● 鋁合金缸體，發(fā)展勢頭最為迅速，代表乘用車缸體的重點發(fā)展方向。通常需鑲套處理，質(zhì)量明顯減輕，汽車能耗降低。但受鋁合金強度和熱疲勞性能的限制，在大馬力發(fā)動機缸體上還不能夠滿足要求，且成本也比較高。

3.2 缸蓋

發(fā)動機缸蓋是鋁合金應(yīng)用的主要領(lǐng)域，尤其在乘用車缸蓋市場，基本被鋁合金材料所壟斷。在載重車市場，大馬力發(fā)動機缸蓋也已很少使用鑄鐵，取而代之的是蠕墨鑄鐵缸蓋，可以解決灰鑄鐵缸蓋的使用開裂問題。

3.3 曲軸

汽車發(fā)動機利于節(jié)能減排的重要性能升級工藝是發(fā)動機的增壓技術(shù)應(yīng)用，無論是汽油發(fā)動機還是柴油發(fā)動機，尤其在載重車市場，由于發(fā)動機爆發(fā)壓力增大，致使以往采用的珠光體球鐵曲軸的使用性能已不能滿足要求，而轉(zhuǎn)用40Cr等鍛鋼材料來制造。但隨著珠光體球鐵曲軸圓角滾壓、感應(yīng)淬火等技術(shù)的發(fā)展，球墨鑄鐵曲軸在乘用車和中低馬力發(fā)動機載重車市場占有大量市場份額。此外，采用等溫淬火球墨鑄鐵制造發(fā)動機曲軸在國內(nèi)外也進行了較深入的應(yīng)用研究。

3.4 其他

其它汽車鑄件如各類發(fā)動機、底盤的支撐件、結(jié)構(gòu)件，如各類支架、盤體、殼體、轉(zhuǎn)向零件等，依據(jù)使用性能需求，大量采用鑄鐵材料來制造。隨著汽車環(huán)保要求的發(fā)展，灰鑄鐵、鑄鋼的應(yīng)用比例逐步呈下降趨勢，而高性能球墨鑄鐵、Mg合金、Al合金及特種鑄鐵材料呈進一步增加的趨勢。

3.5 發(fā)展趨勢

以鑄鐵件為代表的鑄件目前是汽車用鑄件的主體部分，尤其是球墨鑄鐵件的應(yīng)用取代了很多鑄鋼和灰鑄鐵件，并導(dǎo)致可鍛鑄鐵在汽車零部件應(yīng)用上基本接近消失，其優(yōu)異的強韌性能和易控的生產(chǎn)方式使其應(yīng)用比重逐步增加，高強高韌性球墨鑄鐵的研發(fā)生產(chǎn)將成為球鐵持續(xù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

另一種優(yōu)異的工程材料——等溫淬火球墨鑄鐵具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在國外取得迅速發(fā)展并應(yīng)用良好，在曲軸、齒輪、支架、結(jié)構(gòu)件等方面的應(yīng)用研究取得可喜成果，并得到實際應(yīng)用。

蠕墨鑄鐵自1948年發(fā)明以來，由于穩(wěn)定的生產(chǎn)范圍較窄，且性能未引起人們的關(guān)注，應(yīng)用一直較少。直至先進的生產(chǎn)控制技術(shù)研究成功并有效地投人使用，蠕墨鑄鐵用于復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)才有了可能。蠕墨鑄鐵材料由于具有比鑄鐵和Al更高的抗拉強度(高75％) 、彈性模量(高40％) 和疲勞強度(高100％) ，成為目前發(fā)動機缸體缸蓋設(shè)計的理想材料。

汽車輕量化的要求是采用Mg、Al合金來制造汽車鑄件。汽車每減重10%，油耗降低5.5%，排放減低10%左右，而Al合金密度僅為Fe的1/3，而強度與灰鑄鐵相當(dāng)，成為取代灰鑄鐵制造發(fā)動機缸體缸蓋的理想材料。Al合金鑄件在世界范圍內(nèi)近年來取得快速增長，而具有更輕密度的Mg合金伴隨研究應(yīng)用的深入，在汽車方向盤、座椅骨架、儀表盤、罩蓋等零件上也得到快速應(yīng)用。

汽車鑄造發(fā)展方向

1、鑄件的發(fā)展方向

● 汽車鑄件的集成化設(shè)計

隨著汽車節(jié)能環(huán)保以及降低生產(chǎn)成本的要求不斷增加，充分利用鑄造成形的優(yōu)勢，將原有沖壓、焊接、鍛造和鑄造成形的數(shù)個零件，通過合理的設(shè)計以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)集成零件的鑄造成形，可以有效地降低零件的重量和減少不必要的加工工藝過程，從而實現(xiàn)零件的輕量化和高性能化。

汽車鑄件集成化的發(fā)展趨勢在有色合金鑄件方面的發(fā)展更為明顯。為了充分利用鑄造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件生產(chǎn)的特點，出現(xiàn)了集成設(shè)計的車門內(nèi)板、座椅骨架、儀表板骨架、前端框架和防火墻等集成設(shè)計的高壓鑄件，其尺寸顯著大于目前生產(chǎn)的鑄件，需要4 000~5000t甚至更大噸位的壓鑄機進行生產(chǎn)。

圖10 特斯拉Model Y 一體鑄造車身

● 汽車鑄件的輕量化

在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備重量，實現(xiàn)輕量化，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車整備重量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3~0.6L，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%。隨著環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流，汽車鑄件的輕量化也成為汽車鑄件的重要發(fā)展方向之一。輕量化的實現(xiàn)主要會從以下三點進行發(fā)展：

1）輕量化設(shè)計

等厚設(shè)計的主要弊端是無法充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)性能，并導(dǎo)致鑄件重量的增加。采用CAE分析、拓撲優(yōu)化等手段，對零部件進行優(yōu)化設(shè)計，使零部件各個部位的應(yīng)力值接近，即各個部位的壁厚不一致，受力小的部位減薄料厚，從而減輕零件的重量。考慮到鑄造成形可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的成形，可以實現(xiàn)各種不規(guī)則的異型截面。設(shè)計時，采用CAE或拓撲優(yōu)化等手段，對零部件進行應(yīng)力分析。根據(jù)力的分布，確定零部件的形狀和具體局部的材料厚度。通過對鑄件加筋、挖孔和改變截面，可使零部件的重量大大降低。

2）輕合金材料應(yīng)用

使用鋁鎂等輕合金材料是目前各國汽車制造商的主要減重措施。鋁的密度僅為鋼的1/3，且有優(yōu)良的耐蝕性和延展性。鎂的密度更小，只有鋁的2/3，在高壓鑄造條件流動性優(yōu)異。鋁和鎂的比強度（強度與質(zhì)量之比）都相當(dāng)高，對減輕自重，提高燃油效率有舉足輕重的作用。

但是需要注意的是由于鋁鎂等輕合金的原材料價格要遠遠高于鋼鐵材料，限制了其在汽車工業(yè)中更廣泛的應(yīng)用。但是盡管原材料價格較高，目前鎂、鋁鑄件的單車用量卻連年上升。這一方面是通過技術(shù)進步彌補了成本增加，另一方面則是市場競爭迫使汽車廠商降低利潤而采用更多的輕合金。然而，要使輕合金用量得到大幅度提高，降低鎂鋁錠的采購價格，開發(fā)先進成形技術(shù)是關(guān)鍵之一。

3）鑄件材料的高性能化

提高材料的性能，使得單位重量的零件能夠承受更高的載荷，是有效降低鑄件重量的方法之一。支架類結(jié)構(gòu)鑄件占汽車鑄件相當(dāng)大的比例，因而其鑄件的開發(fā)也成為關(guān)注的重點之一。通過熱處理等措施，使材料顯微組織改變，從而提高零件的強度、剛度或韌性，可以有效地降低零件重量。

等溫淬火球墨鑄鐵，不僅強度比普通鑄鋼材料有所提高，而且密度比鋼要低，其密度為7.1g/cm3 ，而鑄鋼的密度為7.8g/cm3 ，是近年來廣泛推薦采用的材料。采用等溫淬火球墨鑄鐵，在鑄件尺寸相同的條件下，比鑄鋼件輕10%。

表1 等溫淬火球墨鑄鐵材料替代的輕量化效果

在鋁合金和鎂合金鑄件方面也采用了高強、高韌的材料進行替代，在原有輕合金減重的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高性能材料進行進一步減重，美國通用汽車公司采用高性能的AE44合金取代原有的鋁合金，采用高壓鑄造的方法生產(chǎn)副車架，在鋁合金減重的基礎(chǔ)上進一步減重6 kg。

● 汽車鑄件開發(fā)數(shù)字化

汽車鑄件開發(fā)與數(shù)字技術(shù)的全面結(jié)合可以顯著地提升鑄造技術(shù)水平，縮短產(chǎn)品的設(shè)計和試制周期。目前數(shù)字制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車鑄件的開發(fā)。在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計及鑄造工藝設(shè)計階段，Pro/E，CATIA，和UG等三維設(shè)計軟件已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，部分先進的鑄造企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了無紙化設(shè)計。MAGMA，ProCAST以及華鑄CAE等軟件已經(jīng)被廣泛用于汽車鑄件凝固過程、顯微組織、成分偏析和材質(zhì)性能等方面的模擬，還可以對鑄造過程中的速度場、濃度場、溫度場、相場、應(yīng)力場等方面的模擬，能夠確保在批量生產(chǎn)前使工藝方案得到優(yōu)化。

為適應(yīng)汽車鑄件快速開發(fā)的需求，在CAD/CAE的設(shè)計與開發(fā)的基礎(chǔ)上，RP （快速原型技術(shù)）已經(jīng)被廣泛用于汽車鑄件的快速試制。在獲得CAD/CAE原始數(shù)據(jù)后，采用逐層堆積的方法，通過粘結(jié)，熔結(jié)或燒結(jié)的方式獲得鑄件原型或形成鑄件所需模具的原型。前者可用熔模鑄造，石膏型鑄造等方法試制鑄件樣件，后者可直接作為模具制造砂芯，通過組芯造型而澆注出鑄件。此外，還可以用粉料激光燒結(jié)法（SLS），直接完成砂芯和砂型的制作，從而獲得鑄件試制所需要的砂型。對于結(jié)構(gòu)相對簡單的外模，還可以采用數(shù)控機床，用可加工塑料進行CAM加工，從而獲得鑄件試制所需的芯盒和模樣，或是直接對砂塊進行加工，直接獲得外模的砂型。

總體上說，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)貫穿鑄件的設(shè)計、開發(fā)以及試制的各個環(huán)節(jié)，有效提高了鑄件的開發(fā)速度和效率。目前主要存在的問題是設(shè)計、分析和快速制造等方面的數(shù)字化技術(shù)各自獨立，當(dāng)開發(fā)過程由一個階段向另一個階段轉(zhuǎn)化時，還需要進行相當(dāng)繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作。希望在將來能夠針對鑄件開發(fā)各個環(huán)節(jié)所應(yīng)用的數(shù)字化技術(shù)開發(fā)出統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口平臺，建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)不同軟件之間數(shù)據(jù)的無縫轉(zhuǎn)換，從而更進一步地提高鑄件的開發(fā)速度。

2、汽車鑄造技術(shù)的發(fā)展方向

● 薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的生產(chǎn)技術(shù)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能減排的需求，汽車零件日趨輕量化，通過薄壁化設(shè)計，實現(xiàn)輕量化是發(fā)動機缸體的重要發(fā)展方向。

針對缸體3mm薄壁特點，組芯立澆工藝對制芯和組芯都提出了苛刻的要求。制芯中心可實現(xiàn)制芯生產(chǎn)的高度智能化、自動化。從原砂、樹脂的加入，混砂、制芯、修芯、組裝、涂料和烘干到造型以及組下芯全過程均可以實現(xiàn)高度自動化，使砂芯制芯質(zhì)量、組裝質(zhì)量即尺寸精度和涂料烘干質(zhì)量等得到了穩(wěn)定的保證，從而避免了因人為因素而造成的質(zhì)量和尺寸風(fēng)險，適應(yīng)大批量汽缸體制芯生產(chǎn)的需要。能夠有效解決大批量生產(chǎn)時，廢品率不穩(wěn)定和居高不下的問題，同時由于砂芯尺寸精度的提高，也極大地降低了清理工作量和成本，并且完全能夠有效保證3mm壁厚尺寸要求。

● 鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)

隨著節(jié)能、環(huán)保以及降低部件成本的要求不斷增加，鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)鑄件已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨勢，其制造技術(shù)也成為目前的開發(fā)熱點。目前鋁鎂合金大型結(jié)構(gòu)件的主要生產(chǎn)技術(shù)有高壓鑄造、擠壓鑄造和低壓鑄造。由于高壓鑄造生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好已經(jīng)成為目前主要的生產(chǎn)工藝，其制造技術(shù)的開發(fā)主要集中在對高壓鑄造過程中容易卷氣，鑄件內(nèi)部容易形成氣孔，不能進行熱處理問題的改進。

上文介紹的高真空壓鑄可有效解決卷氣問題，防止氣孔的產(chǎn)生。真空壓鑄工藝已經(jīng)成功地應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)鑄件的批量生產(chǎn)，為高質(zhì)量的輕合金鑄件的應(yīng)用提供了先進的成形方法與工藝。

● 鑄件精確鑄造成形技術(shù)

隨著汽車鑄件成形技術(shù)的發(fā)展，鑄造精確成形是指一類鑄造成形方法。通過這一類成形方法生產(chǎn)出的鑄件無需經(jīng)過切削或是少切削即可直接使用。隨著對鑄件尺寸精度要求的提高，鑄造精確成形技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了精確砂型鑄造，消失模鑄造、可控壓力鑄造、壓力鑄造等一系列的鑄造成形方法。

在高壓鑄造工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的真空鑄造、充氧壓鑄、半固態(tài)金屬流變或觸變壓鑄等工藝方法，旨在消除鑄件缺陷，提高內(nèi)部質(zhì)量，并擴大壓鑄件的應(yīng)用范圍。擠壓鑄造過程中，熔體在壓力下充型和凝固，具有平穩(wěn)、無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節(jié)能、操作安全和減少鑄件孔洞類缺陷等優(yōu)點，在鋁合金副車架等高性能鋁合金鑄件的開發(fā)與應(yīng)用方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

汽車產(chǎn)量的不斷增長迫切要求鑄造生產(chǎn)向高質(zhì)量、優(yōu)性能、近凈形、多品種、低消耗、低成本的方向發(fā)展。由于一輛整車約15%~20%的零件是鑄件。這就要求鑄造行業(yè)要不斷應(yīng)用各種新技術(shù)、新材料來提升鑄造整體水平。鑄件精確鑄造成形技術(shù)能夠滿足汽車鑄件的上述要求，其應(yīng)用也將涵蓋汽車鑄件的不同鑄造生產(chǎn)過程中。