中国压铸杂志

轻质结构件:一个不断增长的市场

作者:admin 来源:原创 发表时间:2016-11-15

轻量化结构件如何帮助汽车实施转变
轻质结构件概述
在多技术领域内轻质结构件的使用不断增加,尤其是汽车和飞机的设计中,通过轻质结构件的使用,质量更小,效能更高,却不影响其舒适性和安全性。汽车制造业中为了减少CO2排放,轻质结构件显得更为重要。轻质结构件技术中的汽车行业范例是布勒-太阳能汽车(图1)。在2013年澳大利亚世界太阳能竞赛中,用225kg(包括司机)的总重量,在60-80km/h的速度下,行使2980km所需能耗仅为1,6kwh/100km。也就是每百公里0,176升柴油。目前大约1,5顿重量的汽车需要的能耗是平均每百公里5,5升,也就是66kwh/100km。由此可见,汽车的重量对能耗的影响非常大。
 

 
另外一个汽车工业的发展点是空气动力学。但是针对空气动力学的优化会影响整体舒适感。
在汽车工业中,发动机的效率,也就是将燃料转化成动能的过程非常重要。在发动机和传动器的领域内进行了很多研究,目前传动器的功率已经达到较高水平,发动机领域内仍然具有很大优化空间。
法律规定,在未来的几年,大多数需要排放CO2的行业需要付出更多成本。到2015年,CO2排放量的允许范围是120-160g/km,到2025年,排放目标为80-100g/km。这给汽车行业带来了很大挑战:很多汽车配置了混合动力,其中电池和额外的单子发动机增加了汽车重量。为了平衡这种增加,必须降低车身总重量。这给汽车前面,侧面,以及顶部防撞保护等同样增加车身重量的零件带来了挑战。这些原因形成了对结构组件的需求。
轻质结构件和连接技术
对于轻质结构组件的需求非常多样化。最重要的是机械参数。分为碰撞相关和操作相关结构件。其中碰撞相关结构件能够以10%延伸率,在其生产过程中需要进行第二阶段热处理过程。操作相关结构件需要以7%延伸率,需要加入其它合金进行制造。
对于结构件防腐蚀的要求主要有两方面的影响因素:一方面,汽车必须经常处在盐性的环境影响之下,另一方面,现代的汽车制造业中,车身材料以多种材料构成,在多种不同材料之间的连接技术也不相同。各种铝板,铝制铸件,钢件,DFC和多种塑料材料通过焊接,粘贴,冲压铆接,或者螺丝等方式进行固定。
为了满足这些要求,对于铸造零件,需要注意零件的熔炼,铸造过程和其余流程,并互相精确配合。其中必须注意制件的几何形状-对于料片形式的较薄制件,需要进行稳固的支撑和较厚材料的连接(如上图)
最后,机箱,传动器和发动机组件会被安装在车身上。这次需要进行最大大约M12的螺丝连接,对于壁厚为30mm的连接点,需要更大的力或者更厚的壁厚。
其中压铸件的优势明显:这种不同的组件厚度和组件性质,在生产过程中,可以在同样的时间内通过简单的流程进行生产。有的结构件可以在一个工作流程中替代有20个单独零件构成的结构组件。目前和未来的压铸结构件显示处理非常高的功能集成性。上述的优势以及其经济效益是的压力铸造的需求不断增加。
对于铸件使用方面的要求同时和相应的连接方式有关。结构组件必须能够焊接。也就是说,在焊缝处的构件在融化过程中,不能出现气体,因为会造成焊缝的孔隙和脆化。所以合金和铸件生产过程都需要进行优化。另外,零件必须能够被互相连接。为了避免与粘贴材料之间发生相互作用,喷涂材料尤其重要。未被考虑到的喷涂材料残留物会产生不可预计的后果,所以必须使用由最终收货方批准的喷涂材料。除此之外还有铆接和冲压铆接等连接技术,它们在过去几年和粘贴技术一样,都非常重要。如果使用螺丝连接技术,在壁厚区域会形成重量增加点。
在铝件压铸流程之后,还需要进行下一步的加工步骤。比较广泛的是化学处理,比如去脂和/或者涂层。化学处理过程中会有很多附加物。比较广泛使用的是电泳涂底漆。
对于融化流程的要求
为了满足化学特性以及舒适性的高要求,在合金和金属处理流程中尤其需要注意的是高度清洁状态。对敏感合金进行加工,其中,铁含量是0.15-0,2%,铜含量为0.03-0.05%。这种比例比常规使用的标准铸件合金少8-100倍。因此,在对合金进行处理的过程中,需要严格按照标准铸件流程进行,保证由铝含量所影响的耐腐蚀性能在所需的范围内。
对于结构组件的铸件,回收料百分比达到70%。原因在于为了达到大面积“铝板板料”而采取的大型的浇道流程。
除此之外尤其需要注意化学元素镁、 锶,锰。在元件设备制造商处的公差范围相对较大。镁元素会对延伸率和拉伸应力进行调整。所以在生产过程中,这些公差必须进行界定。在融化过程中,一些损耗是不可避免的。在实践过程中,必须持续加入镁、锶合金。
在合金除汽过程中,常用的是传统转子除气方式。目前特别推荐的是,整体的控制流程,对每个加载进行有目的地确认和清理。使用转子除气方式所耗费的时间据统计达到5-8分钟。在除气过程中需要使用氮气或者氩气。流程中需要注意,除气过程需要在已经预加热或者已经加热的炉内进行,因为温度损耗较大,而这会对能源平衡产生消极影响。
因为在结构组件压铸过程中,主要使用的流路细长,所以金属温度需要达到690度,也就是比标准压铸温度要高。使用叶轮的过程中,不仅是沉积物,氢气也会随之到达表面
融化过程和气泡处理过程中会对密度造成很大影响。因此在除气之后需要对密度指数进行抽样检查。
运输和配量
压铸机的每次压铸重量可以通过气压定量炉或者吸取定量设备进行设置。在欧洲,气压定量炉的使用非常广泛。90%的生产过程会使用气压定量炉。气压定量炉是一个高度密封的封闭系统。它的优势是良好的隔离性,因为没有开放的透气面流失热能,提高了能源利用率。
另一个质量相关因素是压室的流槽。钢制的标准槽有一个很大的缺点:金属会快速冷却并形成一个氧化壳。陶瓷材质流槽导热能力非常差,所以推荐使用。最近有出现了新的带加热管流槽,金属与氧气接触的时间极短,只有几毫秒。但是维护和保养费用要更高。
用吸取设备定量要比气压定量炉更为精确。金属在从熔炉运输到压室的过程中,紧密接触,之后会通过气压填入至压室中。最大的缺点在熔炉本身:抽取设备的杯室必须浸入合金熔液内,因此熔炉必须是开放的。这又会造成较大的热能散发,从而造成能源损失(图2)。


 
在压室内持续保持相同金属重量会对铸件参数的重复精确性产生积极影响。不同的金属重量会造成加速或者制动点的变化。如今很多系统都具有1,5-2,5%的变动宽度,其中有可能形成5-10mm的料柄余量。对于这个范围的制件处理没有任何问题,料柄余量可以通过机器人抓取。如果料柄余量较小,在托盘上不能进行固定摆放,则会造成故障。
对定量炉的维护特别重要。随着时间推移,在炉子表面会形成氧化物,多种污渍会作为残渣漂浮起来。不能忽视的是,需要将合金内析出的残余金属收集在炉子底部。如对锰的排出。长期对定量炉进行清理和保养会极大加强流程稳定性。
在对压室进行定量之后,金属会相对损失很多热能,这会再一次造成铸体外壳凝结,这会对机械性能产生不良影响。为了减轻这个过程,需要对压室保温。预凝结除了有其优点之外,也会影响温度水平的提升。对于铁含量较低的合金,压室在填充开口区域会产生化学磨损。上诉结构合金的铁含量非常有限,铝熔液在没达到饱和点之前就与铁分离。在这种情况下,熔液会“消耗”压室内的热作钢,并或早或晚析出大量的铁。目前的研究尚未对此问题找出根本的解决办法。尤其是填充量较大,达到10-20kg时,压室的承载时间降低,只能承载6000-12000次压铸(图3)。之后,压铸室必须经过清理或者更换。也有产品可以替换使用填充入口区域,但是有可能会出现压室密封不够,影响真空流程。
 

 
成型浇注和凝结
总体来说结构组件大多为大面积,较薄的制件。这也意味着对于制件外表面大小来说,金属用量相对较小。但是在结构件中,也有材料堆积的较厚区域。对于模具来说,一方面具有热度冷却区域,另一方面存在热度超载区域。为了平衡这两方面,需要注意压铸成型的热平衡。较厚区域需要进行冷却,因为合金需要进行尽快冷却,达到所需结构。通过压射流程的冷却会对周期时间和成型时间产生影响。因此比较推荐的做法是大型的压铸系统,进行制件宽度的形成。由于合金中铁含量不高,成型速度也不能过快。平均速度在25-35m/s范围内(图4)。对于互相相邻面对的面,已经凝结的材料必须分开。对此过渡段和真空通道会吸收多余材料并将其移出组件。
 

 
对于成型过程中的温度控制通常会使用油温控制器或者压力水温控器。将成型表面温度控制在190-240摄氏度范围内,并且必须对各个区域的油或者压力水温控器的使用进行量化。对于较厚区域的能量引导,有更多种处理方式。在未来需要通过激光3D技术的应用进行革新,为了能够实现均匀的温度同时保证尽快的成型压射过程。
如果合金中铁的含量较低,只有0,15-0,2%含量,则会造成铝溶液会溶解模具中的铁。通过锰的加入只能部分解决这个问题。所以需要计算钢的化学腐蚀量。但是还是不能避免腐蚀和粘连。因此采取的措施是,与标准压铸流程相比,只占到了成型标准时间的80%。
真空和排气
结构组件通常要经过热处理过程,一般是一组两阶段的T7热处理流程。在此过程中会发生460-490摄氏度的固溶退火。如果制件之后需要进行焊接,则他们在吹气测试中在约500摄氏度时不能排气。所以通过喷射物残余或者已经存在的过量空气在成型过程中形成的气体,必须在合金进入之前被排出。成型压力在遇到合金之前在压铸通道内已经达到小于100mbar的范围内。此时预加热的气体温度达到200-280摄氏度范围,压室内达到约400摄氏度。这种气体必须排出,同时不能有金属被提前吸入到压铸室内。所以使用了两阶段真空系统,它可以一边将压室,另一边将成型腔体直接与真空连接。所以上述气体中的大部分会在合适的时间段内被排出。
在所有材料中都必须避免,在成型时进入不能被排出的液体。在结构成型过程中就需要注意。此外还有注意,油管内不能将传热介质油漏入成型内。如果与合金混合,会立刻形成细小的氢气泡,在热处理或在焊接中会形成气泡(所谓的气泡形成)。
真空系统的两个基本要求是,成型腔内气体的排出和避免液态金属进入真空系统。对此总体来说共有三个方法:液压-机械阀,自动锁闭-机械阀或者热度-自动锁闭系统。这三个系统都可以应用到布勒压铸设备中。
机械控制的装配可以控制所有阀门变动。同时可以从铸造腔排气。真空流程的操作和监控会通过只能Vac-系统实现。为了简化真空设备的操作,布勒将真空设备的操作和控制系统直接集成在压铸设备上。这个集成系统的优势是,终端操作人员只需要了解操作界面的功能,而不用对额外的操作系统进行调整。
形状填充和压实
压铸生产的流程简单的描述就是在铸造室内将金属人融化,并压入特定的腔体内。其中,最重要的就是压入尽可能少量的气体。压射曲线的设置中需要注意,给真空过程预留出足够时间,但不能使合金流失太多温度。最好采用精确控制的压射;实时控制的重复精度几乎会直接线性反应在质量稳定性上(图5)。
 
 
 

 
上面所提及的所有措施,从多方面的融化准备工作到实际模拟,如果设备不能进行准确调整或者不能保证压铸曲线重复精度,都会失去其意义。
压射锤头应该根据设置进行加速,在切面之前短时间内达到填充阶段的最优速度。压铸过程中的填充速度相对较快,只延续几毫秒。此时必须确保金属融化体必须保持液态并能达到腔体的填充地点。在腔体完全填充之前,压铸塞需要进行制动,为了使设备和成型模具不受到不必要的极大负载。
这种设备调试的可能性和高度的再生产能力造就了布勒集团很多优秀组件产品,比如CARAT等。这个机械组建的钢度也同样非常突出,因为生产设备采用了液压双板模式。打磨单元的钢度较强,打磨力非常平均的分布在四个柱上,可以保证压铸成型中密封良好。在大型压铸组件中,这种特性非常重要。因为它可以避免毛刺的形成。
对于较薄组件的生产流程,快速建立了压力非常重要。如果在第一次压力行程过程中压力不能达到腔内流通管道,则会对结构产生不良影响。后续的凝固过程会马上完成。在较薄区域(壁厚约2-3mm)内的凝固过程会在几毫秒内完成,避免后续压实压力对壁厚其余产生作用。
此外较厚区域在结构组建上也存在功能集成。壁厚会达到20mm或更高。对于较厚区域凝固过程缓慢,可以持续6-12秒。在这个区域需要尤其注意,材料积累不能在横截面上凝结。对此可以采取额外协助凝结销(凝结销),它会直接或间接对凝结量产生影响。或者将凝结销作为核心,直接插入铸体内,直至合金也凝结在这个位置。
由于温度会从520摄氏度冷却至脱模时220-280摄氏度,会产生内部的应力,这可能会造成形变。
在脱模之后制件会进行自由冷却收缩。脱模后可以用水或者吹风辅助冷却。用水冷却时,将脱模后的制件直接浸入水中,可以将温度快速降到200摄氏度左右以下。
落料
如上所述,结构件通常为较大面积组件,大部分会通过轮廓剪切与铸体系统和余料分开。轮廓剪切的意思是整体轮廓的剪切落料,除了分离铸体系统和余料之外,可以去除多余毛刺。因为结构组件合金的强度和延伸性较好,所以与标准压铸相比,落料压机的剪切力要更大。
制件处理
半数已经脱模的铝制压铸件会通过全自动辅助如运送杆或者机器人,从压铸设备总取出。为了进行接下来的步骤,比如取件,冷却和剪切,制件会通过机器人手柄系统固定并防止在对应位置。对于取件流程,必须注意,制件尺寸非常大。很多结构件的尺寸大于1000mm,在此构成中必须预留足够的空间和半径(图6)


 
根据元件制造商的要求,制件必须达到100%可追溯性。比较推荐的是,在自动流程中直接集成一个标识工位。其他刻入的数据矩阵可以对制件进行识别。在服务器内保存的每个数据矩阵的数据组可以对质量进行监控,并在数年之后,都可以对压铸曲线的目标值和实际值进行查询。
喷射流程
喷涂流程的主要任务是在液态合金和钢制型面制件形成分离膜。并且对移动元件进行润滑,比如取件器,内芯或者推动器,以及避免压铸件在腔体内的粘连。喷涂流程的副作用是,表面会被冷却。根据不同结构组件的厚度,一些区域的冷却是符合要求的,一些不是。但是在目前市场中,喷涂流程的主要功能被定义为冷却,因为很多模具不具有足够的内部冷却系统。
热处理
汽车车身冲撞相关,延伸率超过10%的制件在压铸之后都必须经过热处理。为了测试长时间稳定性,会对铸件进行抽检,短时间加热到190到200摄氏度一个小时,然后再较长时间内(500-1000小时)保持120-150摄氏度。
热处理的目的是,将制件延伸强度和延展性根据要求进行调整。这会通过不同的热处理类型实现。这种两阶段热处理流程包括固溶退火,淬火,和紧接着的延展。
大部分的结构组件会通过T7热处理流程进行处理。其中包括450-490摄氏度左右的灼烧,持续50-90分钟,之后在空气中进行淬火。
灼烧后的冷却率需要保持精确:只有冷却率达到3摄氏度/秒以上,合金结构能够达到所需的微结构。两关的温度范围从450-490摄氏度到200摄氏度以下的水平,在这个过程中必须严格遵守冷却率(图7)。随后的过老化会在230摄氏度左右在100-150分钟内完成。



 
为了将机械值调整到最优状态,会和镁含量一同处理。元件设备制造商的说明中有很大开放范围。镁可以根据需求在0,15-0,5%区域内进行调整。通过两个措施镁元素含量的调整和热处理,调整了延展性和拉伸应力。已经确定的镁含量在生产过程中必须严格遵守,不能出现波动。
总结
对于结构压铸件的断裂延伸度,延伸极限值和压应力的要求非常高,标准合金铸体不需要达到这个水平。在加工过程中,结构合金件还需要进行特别处理-以合金准备开始,随后是热处理,直到表面打磨。组件压铸后所有的工序流程生效的前提是,确保无缺陷的压铸流程。非常明确的是,经过多种冷却流程和气体渗入的铝制组件,需要热处理过程中的各种作用。
结构组件的组合成型过程,对于功能集成也有重要影响,它对压铸流程提出了很高的要求。喷涂流程,真空技术,填充阶段,成型温控和压铸投入必须进行完美调试。重复精度几乎会直接线性反应在质量稳定性上。为了满足这一需求,布勒集团提供了CARAT设备,闭合力为1000-4400(约10500-44000kN)吨和一个集成真空系统(图8)。 用双板技术以,力的引入直接到导柱上,CARAT能够提供非常深入的在实践中可以良好保证的闭合单元。带有实时操控的动态压铸设备可以实现固体曲线的尽可能再生产性。重精度保证了较高的设备利用率。经过测试的布勒结构流程会根据其经济型安装在标准元件模块上。布勒不仅提供必要的流程知识,并且还提供操作者培训。
 
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