中国压铸杂志

压铸车间的变化——从发动机部件生产到车身结

作者:admin 来源:原创 发表时间:2016-03-24

 
       位于兰茨胡特的宝马集团在这几年兴起轻金属铸造,采用铝来制造四和六气缸曲轴箱,铝-镁复合式曲轴箱在同行中十分受到重视。在2004年10月到2014年2月期间宝马生产的复合式曲轴箱数量超过165万。铸造中出现的次品率大约为3%,机械加工中出现的次品约为1%,是由46000吨铝镁浇铸而成。这十年间所产零件逐渐磨损,开始了宝马在压铸加工方面的结构转变即轻型金属铸造,这也是在这篇文章中想向读者阐述的。
 
轻型结构是减少车辆CO2排放的关键因素
       2008年12月欧盟代表对减少轿车CO2排放的规定达成一致:欧盟有责任到2020年温室气体的排放量为1990年的20%。交通作为第三大“肇事者”贡献的CO2排放量也不容忽视。尤其是汽车在此排放量中占有12%的比重。
       2020年的目标要达到新车的CO2排放量为95g/km。这个排放量对应的是一台柴油发动机燃油消耗3.6L以及汽油发动机消耗4.1L的。
       为了实现这个虽然野心勃勃,但也并非不可能的目标,必将付出巨大的努力。在这种情况下,宝马集团为了实现既定的目标,选择了两个方向:
>进化-坚持不懈地改进现有车型的油耗和废气排放
>革命-发展新型概念汽车例如宝马i3和宝马i8
       除空气动力和滚动阻力外,汽车重量和大型调整杆的传动效率能有效减轻CO2的排放负担,因此汽车确实要减轻重量。最主要应用于新概念的电动机传动装置,目前这类装置的高电压蓄电池仍存在不利的功率密度,需要特别减轻车身重量,用于补偿车辆中电池超重的部分。
       为了达到与重量有关的目标,需要进行极高比例的材料替换,由纯钢结构置换为轻型结构材料和钢制混合型结构,铝和合成材料也是必要的。随之一些铝制和镁制的合金铸件也会用于在不同的构件中。
       通过这些合金铸件灵活多样的可适用性,可以推断,它们在结构上的应用又增加了。而压铸工序在这方面能够贡献什么呢?
       举个例子:在新式电动汽车宝马i3中优化了驾驶模块的后桥部分(图1中有所描述)。产品发展的早期就已经看出压铸方案有显著的优势,跟挤压型材的焊接结构相比,压铸方案可以在后期实现与其它功能的协调。
 

小型化
       有一种可能性,能够达到预想的CO2目标排放值,即对传统的驱动装置小型化。如今为了提高的内燃机效率,出于重量的考虑都会减小发动机尺寸。气缸的数量也会减少,以至于能够降低摩擦功率和重量。推进器的升功率会随之提高,这其实导致了一种负面影响,一些零件-曲轴箱的下部会有极高的负荷。为了使较高的气缸内压仍具有足够的刚性,曲轴箱常会舍弃开盖式结构,这种结构也可以通过压铸获得。(图2)


 
       其次,开发者要挑战减小结构空间和发动机贮存器,充分利用新方法和几何自由度(造型),用压铸通常无法成型的方案。在这种情况下,低压-金属型浇铸提供一种必要的设计自由,便于满足铸造中变动的要求。
       通过新的制造概念,例如已有专利的中央供给装置方案,可以实现曲轴箱的经济生产方式。从压铸件壳体变为低压铸件壳体在技术上已经可以实行。所有新的发动机发展如今都在朝这个方向进行。
车身结构部件-新式产品投资组合
       宝马集团的轻金属铸造意味着新式曲轴箱加工技术的变迁以及组合式曲轴箱制造的惯性运转,现在大型的2800吨至4000吨的压铸机已经不再运用于这部分的加工上了。同时也出现了大量关于车身结构部件的研发活动,于是逐渐地释放出机器生产率给这类部件使用。为了充分利用轻型结构的潜力,铸造的零件组成一幅广泛的汽车型谱。(图3)
       镁压铸件的应用目前局限于汽车内部空间的部件,比如最常见的各类汽车的仪表板支架。
       其次,铝压铸件在新的调整中,被大量用于车身和底盘的零件上。
构件的费用分析
       为了与有竞争力的方案和材料匹敌,优化重量固然重要,持续降低压铸技术的费用也同样不容忽视。对构件进行费用分析,其主要因素-材料以及合金材料费用占据将近50%,随之就是生产和模具费用。
       合金材料费用是由非常多不同的因素决定的(图4)。科技的发展对零件的研发也产生了莫大的影响,比如影响了铸造装置的大小和铸件重量。为了优化两者,铸造进程的有效保证必不可少。
 


计算机化的铸造装置优化
       压铸结构零件的变化,改变面积和体积的比例关系对其有巨大的影响,也与铸造装置的设计有关。铸造装置的重量可以与一些铸件的重量相当,甚至超过它们。仔细考量尺寸也是值得的。铸造装置的材料应该循环利用,一定是能源成本中重要的一部分。
       由于曲轴箱很厚,通常需要的运转系统比较大,铸造装置必须设计成能够使材料可以在宽敞的范围内分布。大规格零件如果壁厚不足,会导致浇口过细。为了使可支配的面积能被零件本身利用,减小喷洒面积显得尤为重要。挑战在于,在较少温度损耗下,熔液同时流过零件棱边的所有截面(图5)。如果没有规划一个CFD-支撑(CFD:计算流体动力学)以及优化它的尺寸,特别是要考虑到在下降运行中补偿重力,将不会达到理想状态。
零件重量,虚拟配置和保证
       为了使零件重量持续降低,设计师必须使材料性能发挥到极限。以便汽车里的部件要求具备的性质能够得到保障,对于增加的尺寸将引入虚拟技术。

零件重量,虚拟配置和保证
       为了使零件重量持续降低,设计师必须使材料性能发挥到极限。以便汽车里的部件要求具备的性质能够得到保障,对于增加的尺寸将引入虚拟技术。
       传统钢结构车身的碰撞性能计算通过“高性能计算”建立以及基于现有技术状况。车身结构中铸造部件的采用给零件设计带来了新的挑战。
       作为原材料的钢板组成了车身结构的平面,而3-D结构则是通过改型和焊接单独的薄片实现的。计算时,可以从一个稳定的钢板厚度近似值开始。若要进行钢片设计,可以有远见地,根据条件通过制造工序,各向同性的性质采用合适的厚度。因此人们会将有限元计算法应用于二维铸型元素。
       对于铸件而言,这些假设已经不再适用。单是加工进程就根据不同条件要求模型斜度。因此一个恒定的壁厚是不可能的。在铸造中,创新的自由会允许根据负载情况出现不同的壁厚。壁厚出现差距有不同的原因,例如凸起,可以使部件得到局部加强。添加厚壁的范围,例如装配旋紧孔,产生一个3-D结构,这种可能性使得计算铸型不再那么简单。
       铸件另外的一个挑战在于,不同的壁厚会导致局部的冷却速度差异较大,另一方面,接缝和局部材料属性需要重新确定。压铸进程中产生的涡流空气以及极小的氧化物颗粒通过填充被传送到不同的位置,之后会随着不同位置的零件负荷或多或少地接近临界状态。
       为了使计算结果更有说服力,计算工程师在处理局部的零件属性时采用可靠数据。这个信息能够提供铸造模型。大量的计算参数对工序规划提供了保证,例如空气涡流、氧化物势能、流道长度以及填充过程,可以获得估值和优化。
       铸造模型所提供的每一个标准,相互之间的关系,以及例如自然频率受到镁制支撑结构的影响或者碰撞中由于高速改型产生的影响,这都是与宝马集团研发工程师和各个大学合作的实时的铸造研究基础。
       公开宣称的目标和挑战是为了完成一个可以普遍使用的模拟链,通过这个模拟链可以处理铸造模型的数据结果以及传达,以至于实现和改进汽车中铸件性能的预测。
降低生产费用
       除了材料和合金费用,生产费用也是不可忽视的一个要素。
       尽管单独的板材制件数目减少了,但是接合处理与传统的工序(例如薄板成型法)相比,尤其是在极多零件数的背景下,相对于改型工具替换品的一次性投入,使用集成化的铸造件显得十分必要的,只有少数情况不太适用。因此大面积和厚壁部分的铸造技术必须持续研发和优化。特别是铸造工具的使用寿命要从本质上延长,这样后续接替的工具费用便可以减少。因为模具钢已经具备稳定的高品质几乎没有潜在的裂缝,新研发的可能性很小,所以必须提高模具在耐用度上的应力。
       通过加工工序对车身结构部件改造的联系来看,传统的分离介质喷雾工艺也会使浓缩物的喷射有所改变。传统的喷射技术中,分离剂以1:100的比例与水混合加料,如果浓缩物不加水作为基底材料,微不足道的剂量却是浓度极高的,会出现“雾化”的情况。在浓缩物喷射下,模具表面缺乏水的汽化会减少温度变化作用以及防止产生烧制裂纹(图6)。宝马集团
 

的轻型金属铸造模具已经可以感受到了成功:所达到的压射次数是2至2.5倍,远于一般的传统喷射技术能达到的数值。除了耐用度的提高之外,浓缩物喷射也会使设备的可支配性、生产周期以及水的消耗量/废水负荷大大改善(图7)。
       然而喷涂概念的变化,为压铸模引导了一种完全不同的热量供应,因为传统方法中模具的极大一部分能量被汽化的水带走了。这一热量现在可以在浓缩物喷射下通过模具冷却散发。模具的恒温处理目前必须从本质上规划和详细设计。按照尺寸的比例和使用地点得到不同的答案,例如充填式冷却,轮廓式冷却或者喷射冷却。
 
       同样为了使表面均匀地进行恒温处理,浇铸道的数量也会显著增加。(图8)
       模具精确的温度设计要求对工序参数有深刻的认识,同时需要借助于铸造模型的循环和能量平衡计算。
 

铝和镁铸件的灵活加工间
       制造6缸复合式曲轴箱以及3.0L双涡轮发动机的铸造模腔是高度专业化的一个制造单元,根据一样产品而特别设计和规划,在这个设备上铸造的运行时间也是固定的。制造加工的末期也必须对车身结构部件铸造模腔的基本构造有新考虑和规划。
       因为之前已经提到过,压铸法相对于薄板成型法在针对较少和适中零件数的时候可以发挥价格上的优势,目前非常多的压铸件被用在各种生产批次规模较小的设备上,用来进行手操纵。模具调试时间现在显著下降,因此快换方案虽然昂贵,但却比较高效。
       为了应对小数目和一直是个难题的零件数规划,现在的铸造模腔必须设计并发展得高度灵活。未来也必须适应在铝和镁合金之间的变化。车身结构部件会导致复杂的工作程序,因此,在制造加工间里,刚完成的零件要加盖能够区别的标志。
       为保持和达到生产费用具有竞争性的目的,必须尽可能地降低新产品的一次性投入费用。铸造模腔的变化必须与跟尺寸有关的部件适配,例如去毛边刀具、零件保护套管和压缩程序编制费用。
结论
       通过降低废气排放的必要性,轻型结构在汽车技术中的地位会日益提高。铸造零件可以在汽车结构中发挥出色的表现。
       由于传动装置的小型化以及在创新上增加的需求量,再加上对材料强度的要求提高,压铸法渐渐不再适合用于曲轴箱制造。
       优化使用铸造工艺的优点体现在其用于现代汽车设计和结构的比重日益增加。随之出现的大挑战是,压铸工艺要能够与优异成熟的技术去抗衡甚至去超越。
 
标签:

新浪微博推荐
更多相关文章

本文观点对你有何启发?如果你有更独到的见解,请在下面的评论栏与更多同行分享:

发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
注册 登录
订阅《中国压铸》杂志