輕質結構件的關鍵壓鑄工藝過程中磊教育

什么是輕質結構件？

       在很多技術領域內(nèi)輕質結構件的使用不斷增加。汽車和飛機的設計中，通過輕質結構件的使用，質量更小，效能更高，而不影響其舒適性和安全性。汽車制造業(yè)中為了減少CO2排放，輕質結構件顯得更為重要。輕質結構件技術中的汽車行業(yè)范例是布勒-太陽能汽車（圖1）。在2013年澳大利亞世界太陽能競賽中，用225kg（包括司機）的總重量，在60-80km/h的速度下，形式2980km所需能耗僅為1,6kwh/100km。也就是每百公里0,176升柴油。目前大約1,5頓重量的中性汽車需要的能耗是平均每百公里5,5升，也就是66kwh/100km。由此可見，汽車的重量對能耗的影響非常大。 

       另外一個汽車工業(yè)的發(fā)展點是空氣動力學。但是針對空氣動力學的優(yōu)化會影響整體舒適感。

       在汽車工業(yè)中，發(fā)動機的效率，也就是將燃料轉化成動能的過程非常重要。在發(fā)動機和傳動器的領域內(nèi)進行了很多研究，目前傳動器的功率已經(jīng)達到較高水平，發(fā)動機領域內(nèi)仍然具有很大優(yōu)化空間。

法律規(guī)定

       在未來的幾年，大多數(shù)需要排放CO₂的行業(yè)需要付出更多成本。到2015年，CO₂排放量的允許范圍是120-160g/km，到2025年，排放目標為80-100g/km。這給汽車行業(yè)帶來了很大挑戰(zhàn)：很多汽車配置了混合動力，其中電池和額外的單子發(fā)動機增加了汽車重量。為了平衡這種增加，必須降低車身總重量。這給汽車前面，側面，以及頂部防撞保護等同樣增加車身重量的零件帶來了挑戰(zhàn)。這些原因形成了對結構組件的需求。

輕質結構件和連接技術

       對于組件的需求非常多樣化。最重要的是機械參數(shù)。分為碰撞相關和操作相關結構件。其中碰撞相關結構件能夠以10%旋轉，在其生產(chǎn)過程中需要進行第二階段熱處理過程。操作相關結構件需要以7%旋轉，需要加入合金進行制造。

       對于結構件防腐蝕的要求主要有兩方面的影響因素：一方面，汽車必須經(jīng)常處在鹽性的環(huán)境影響之下，另一方面，現(xiàn)代的汽車制造業(yè)中，車身材料以多種材料構成，在多種不同材料之間的連接技術也不相同。各種鋁板，鋁制鑄件，鋼件，DFC和多種塑料材料通過焊接，粘貼，沖壓鉚接，或者螺絲等方式進行固定。

       為了滿足這些要求，對于鑄造零件，需要注意零件的冶金，鑄造過程和其余流程，并互相精確配合。其中必須注意制件的幾何形狀-對于料片形式的較薄制件，需要進行穩(wěn)固的支撐和較厚材料的連接（如上圖）

       最后，機箱，傳動器和發(fā)動機組件會被安裝在車身上。這次需要進行最大大約M12的螺絲連接，對于壁厚為30mm的連接點，需要跟大的力或者更厚的壁厚。

       其中壓鑄件的優(yōu)勢明顯：這種不同的組件厚度和組件性質，在生產(chǎn)過程中，可以在同樣的時間內(nèi)通過簡單的流程進行生產(chǎn)。有的結構件可以在一個工作流程中替代有20個單獨零件構成的結構組件。目前和未來的壓鑄結構件顯示處理非常高的功能集成性。上述的優(yōu)勢以及其經(jīng)濟效益是的壓力鑄造的需求不斷增加。

       對于鑄件使用方面的要求同時和相應的連接方式有關。結構組件必須能夠焊接。也就是說，在焊縫處的構件在融化過程中，不能出現(xiàn)氣體，因為會造成焊縫的孔隙和脆化。所以合金和鑄體生產(chǎn)過程都需要進行優(yōu)化。另外，零件必須能夠被互相連接。為了避免與粘貼材料之間發(fā)生相互作用，噴涂材料尤其重要。未被考慮到的噴涂材料殘留物會產(chǎn)生不可預計的后果，所以必須使用由最終收貨方批準的噴涂材料。除此之外還有鉚接和沖壓鉚接等連接技術，它們在過去幾年和粘貼技術一樣，都非常重要。如果使用螺絲連接技術，在壁厚區(qū)域會形成重量增加點。

       在鋁件壓鑄流程之后，還需要進行下一步的加工步驟。比較廣泛的是化學處理，比如去脂和/或者涂層?；瘜W處理過程中會有很多附加物。比較廣泛使用的是陰極電浸涂底漆。

對于熔化流程的要求

       為了滿足化學特性以及舒適性的高要求，在合金和金屬處理流程中尤其需要注意的是高度清潔狀態(tài)。對敏感和金進行加工，其中，鐵含量是0.15-0,2%，銅含量為0.03-0.05%。這種比例比常規(guī)使用的標準鑄件合金少8-100倍。因此，在對合金進行處理的過程中，需要嚴格按照標準鑄件流程進行，保證由鋁含量所影響的耐腐蝕性能在所需的范圍內(nèi)。

       對于結構組件的鑄件，回收料百分比達到70%。原因在于為了達到大面積“鋁板板料”而采取的大型的澆道流程。

       除此之外還需要尤其注意化學元素鎂、 鍶，錳。在元件設備制造商處的公差范圍相對較大。會在鎂元素的情況下，對機械數(shù)據(jù)拉長率和拉伸應力進行調(diào)整。所以在生產(chǎn)過程中，這些公差必須進行界定。在融化過程中，一些損耗是不可避免的。在實踐過程中，必須持續(xù)加入鎂鍶合金。

       在合金清理過程中，常用的是傳統(tǒng)方式葉輪。目前特別推薦的是，整體的控制流程，對每個加載進行有目的地確認和清理。使用葉輪方式所耗費的時間據(jù)統(tǒng)計達到5-8分鐘。在清理過程中需要使用氮氣或者氬氣。流程中需要注意，清理過程需要在已經(jīng)預加熱或者已經(jīng)加熱的爐內(nèi)進行，因為溫度損耗較大，而這會對能源平衡產(chǎn)生消極影響。

       因為在結構組件壓鑄過程中，主要使用的流路又細又長，所以金屬溫度需要達到690度，也就是比標準壓鑄流程溫度要高。使用葉輪的過程中，不僅是沉積物，氫氣也會隨之到達表面

       密度也會對融化過程和熱處理中泡沫過程形成很大影響。因此在排氣之后需要對密度指數(shù)進行抽樣檢查。指數(shù)數(shù)值最大不能超過2.

鋁液輸送

       壓鑄機的每次壓鑄最優(yōu)重量可以通過配量爐或者吸取設備進行設置。在歐洲，配量爐的使用非常廣泛。90%的生產(chǎn)過程會使用配量爐。配量爐是一個高度密封的封閉系統(tǒng)。它的優(yōu)勢是良好的隔離性，因為沒有開放的沖洗面，流失熱能，降低能源利用率。

       另一個質量相關因為是壓鑄室的填充槽。鋼制的標準槽有一個很大的缺點：金屬會快速冷卻并形成一個氧化殼。陶瓷質槽導熱能力非常有限，所以比較推薦使用。最近有出現(xiàn)了新的長型連接有短槽的加熱管，在其中，金屬與氧氣接觸的時間極短，只有幾毫秒。但是對于長配量管的維護和保養(yǎng)要比標準爐費用更高。

       在吸取設備中的配量要比在配量爐中更為精確。金屬在從爐運輸?shù)綁鸿T室的運輸過程中，緊密接觸，之后會通過一定的漩渦填入至壓鑄室中，這種作用比短配量槽內(nèi)的作用要強。但是最大的劣質在配置爐本身：抽取設備匙中的必要浸入過程中會出現(xiàn)一個較大的開放沖洗面。這又會造成較大的熱能散發(fā)，從而造成能源損失（圖2）。

 

    在壓鑄室內(nèi)持續(xù)保持同樣金屬量會對鑄件參數(shù)的重復精確性產(chǎn)生積極影響。不同的金屬含量會造成加速或者制動點。如今很多系統(tǒng)都具有1,5-2,5%的變動寬度，其中有可能形成5-10mm的沖壓余量。對于這個范圍的制件處理沒有任何問題，沖壓余量可以通過機器人抓取。如果沖壓余量較小，在托盤上不能進行固定擺放，則會造成故障。

       對配量爐的維護特別重要。隨著時間推移，在爐子清洗表面會形成氧化物，多種污漬會作為殘渣漂浮起來。不能忽視的是，需要將合金內(nèi)拍出的殘余金屬收集在爐子底部。如對錳的排出。長期對配量爐進行清理和保養(yǎng)會極大加強流程穩(wěn)定性。

       在對壓鑄室進行配量之后，金屬會相對損失很多熱能，這會再一次造成-如果制件較薄-鑄體外殼凝結，這會對機械性能產(chǎn)生不良影響。為了減輕這個過程，需要對壓鑄室保溫。預凝結除了有其優(yōu)點之外，也會影響溫度水平的提升。對于鐵含量較低的合金，壓鑄室在填充開口區(qū)域會產(chǎn)生化學磨損。上訴結構合金的鐵含量非常有限，鋁熔液在沒達到飽和點之前就與鐵分離。在這種情況下，熔液會“消耗”壓鑄室內(nèi)的熱能工具鋼，并或早或晚析出大量的鐵。目前的研究尚未對此問題找出根本的解決辦法。尤其是填充量較大，達到10-20kg時，壓鑄室的承擔時間降低，只能承擔6000-12000次壓鑄（圖3）。之后，壓鑄室必須經(jīng)過清理或者更換。也有產(chǎn)品可以替換使用填充入口區(qū)域，但是有可能會出現(xiàn)壓鑄室密封不夠，影響真空流程。

 

成型澆注

       總體來說結構組件大多為大面積，較薄的制件。這也意味著對于制件外表面大小來說，金屬用量相對較小。但是在結構件中，也有材料堆積的較厚區(qū)域。對于型面來說，一方面具有熱度冷卻區(qū)域，另一方面存在熱度超載區(qū)域。為了平衡這兩方面，需要注意壓鑄成型的熱度平衡。較厚區(qū)域需要進行冷卻，因為合金需要進行盡快冷卻，達到所需結構。通過噴射流程的冷卻會對周期時間和成型時間產(chǎn)生不良影響。因為鑄件必須灌注。因此比較推薦的做法是大型的壓鑄系統(tǒng)，進行制件寬度的形成。由于合金中鐵含量不高，成型速度也不能過快。平均速度在25-35m/s范圍內(nèi)（圖4）。對于互相相鄰面對的面，已經(jīng)凝結的材料必須分開。對此過渡段和真空通道會吸收多余材料并將其移出組件。 

 

       對于成型過程中的溫度控制通常會使用油溫控制器或者壓力水溫控器。將成型表面溫度控制在190-240攝氏度范圍內(nèi)，并且必須對各個區(qū)域的油或者壓力水溫控器的使用重量進行稱重。對于較厚區(qū)域的能量引離，有更多種處理方式。在這個領域在未來需要通過激光技術的應用進行革新，為了能夠實現(xiàn)均勻的溫度同時保證盡快的成型噴射過程。

       如果合金中鐵的含量較低，只有0.15-0.2%含量，則會造成在壓鑄室章節(jié)提出的，鋁溶液會溶解成型模具中的鐵。通過錳的加入只能部分解決這個問題。所以需要計算鋼的化學腐蝕量。但是還是不能避免腐蝕和粘連。因此采取的措施是，與標準壓鑄流程相比，只壓倒了成型標準時間的80%。

真空和排氣

       結構組件通常要經(jīng)過熱處理過程，一般是一組兩階段的T7熱處理流程。在此過程中會發(fā)生460-490攝氏度的固溶退火。如果制件之后需要進行焊接，則他們在吹氣測試中在約500攝氏度時不能排氣。所以通過噴射物殘余或者已經(jīng)存在的過量空氣在成型過程中形成的氣體，必須在合金進入之前被排出。成型壓力在遇到合金之前在壓鑄通道內(nèi)已經(jīng)達到小于100mbar的范圍內(nèi)。此時預加熱的氣體溫度達到200-280攝氏度范圍，壓鑄室內(nèi)達到約400攝氏度。這種氣體必須派出，同時不能有金屬被提前吸入到壓鑄室內(nèi)。所以使用了兩階段真空系統(tǒng)，它可以一邊將壓鑄室，另一邊將成型腔體直接與真空容器連接。所以上述氣體中的大部分會在合適的時間段內(nèi)被排出。

       在所有材料中都必須避免，在成型時進入不能被排出的液體。在結構成型過程中就需要注意。此外還有注意，油管內(nèi)不能將傳熱介質油漏入成型內(nèi)。如果與合金混合，會立刻形成細小的氫氣泡，在熱處理或在焊接中會形成氣泡（所謂的氣泡形成）。

       真空系統(tǒng)的兩個基本要求是，成型腔內(nèi)氣體的排出和避免液態(tài)金屬進入真空系統(tǒng)。對此總體來說共有三個方法：液壓-機械閥，自動鎖死-機械閥或者熱度-自動鎖死系統(tǒng)。這三個系統(tǒng)都可以應用到布勒壓鑄設備中。

       機械控制的裝配可以控制所有閥門變動。同時可以從鑄造腔排氣。真空流程的操作和監(jiān)控會通過只能Vac-系統(tǒng)實現(xiàn)。為了簡化真空設備的操作，布勒將真空設備的操作和控制系統(tǒng)直接集成在壓鑄設備上。這個集成系統(tǒng)的優(yōu)勢是，終端操作人員只需要了解操作界面的功能，而不用對額外的操作系統(tǒng)進行調(diào)整。

填充和壓實

       壓鑄生產(chǎn)的流程簡單的描述就是在鑄造室內(nèi)將金屬人融化，并壓入特定的腔體內(nèi)。其中，最重要的就是壓入盡可能少量的氣體。鑄體曲線的編程中需要注意，給真空過程預留出足夠時間，但不能使合金流失太多溫度。最好采用精確控制的壓鑄塞；實時控制的重復精度幾乎會直接線性反應在質量穩(wěn)定性上(圖5)。   

       上面所提及的所有措施，從多方面的融化準備工作到實際模擬，如果設備不能進行準確調(diào)整或者不能保證壓鑄曲線重復精度，都會失去其意義。

       壓鑄塞應該根據(jù)設置進行加速，在切面之前短時間內(nèi)達到填充階段的最優(yōu)速度。壓鑄過程中的填充速度相對較快，只延續(xù)幾毫秒。此時必須確保金屬融化體必須保持液態(tài)并能達到腔體的填充地點。在腔體完全填充之前，壓鑄塞需要進行制動，為了使設備和成型模具不受到不必要的極大負載。

       這種設備調(diào)試的可能性和高度的再生產(chǎn)能力造就了布勒集團很多優(yōu)秀組件產(chǎn)品，比如CARAT等。這個機械組建的鋼度也同樣非常突出，因為生產(chǎn)設備采用了液壓雙板模式。打磨單元的鋼度較強，打磨力非常平均的分布在四個柱上，可以保證壓鑄成型中密封良好。在大型壓鑄組件中，這種特性非常重要。因為它可以避免毛刺的形成。

       對于較薄組件的生產(chǎn)流程，快速建立了壓力非常重要。如果在第一次壓力行程過程中壓力不能達到腔內(nèi)流通管道，則會對結構產(chǎn)生不良影響。后續(xù)的凝固過程會馬上完成。在較薄區(qū)域（壁厚約2-3mm）內(nèi)的凝固過程會在幾毫秒內(nèi)完成，避免后續(xù)壓實壓力對壁厚其余產(chǎn)生作用。

       此外較厚區(qū)域在結構組建上也存在功能集成。壁厚會達到20mm或更高。對于較厚區(qū)域凝固過程緩慢，可以持續(xù)6-12秒。在這個區(qū)域需要尤其注意，材料積累不能在橫截面上凝結。對此可以采取額外協(xié)助凝結銷（凝結銷），它會直接或間接對凝結量產(chǎn)生影響。或者將凝結銷作為核心，直接插入鑄體內(nèi)，直至合金也凝結在這個位置。

       由于溫度會從520攝氏度冷卻至脫模時220-280攝氏度，會產(chǎn)生內(nèi)部的應力，這可能會造成形變。

       在脫模之后制件會進行自由冷卻收縮。脫模后可以用水或者吹風輔助冷卻。用水冷卻時，將脫模后的制件直接浸入水中，可以將溫度快速降到200攝氏度左右以下。

落料

       如上所述，結構件通常為較大面積組件，大部分會通過輪廓剪切與鑄體系統(tǒng)和余料分開。輪廓剪切的意思是整體輪廓的剪切落料，除了分離鑄體系統(tǒng)和余料之外，可以去除多余毛刺。因為結構組件合金的強度和延伸性較好，所以與標準壓鑄相比，落料壓機的剪切力要更大。

鑄件處理

       半數(shù)已經(jīng)脫模的鋁制壓鑄件會通過全自動輔助如運送桿或者機器人，從壓鑄設備總取出。為了進行接下來的步驟，比如取件，冷卻和剪切，制件會通過機器人手柄系統(tǒng)固定并防止在對應位置。對于取件流程，必須注意，制件尺寸非常大。很多結構件的尺寸大于1000mm，在此構成中必須預留足夠的空間和半徑（圖6） 

 

       根據(jù)元件制造商的要求，制件必須達到100%可追溯性。比較推薦的是，在自動流程中直接集成一個標識工位。其他刻入的數(shù)據(jù)矩陣可以對制件進行識別。在服務器內(nèi)保存的每個數(shù)據(jù)矩陣的數(shù)據(jù)組可以對質量進行監(jiān)控，并在數(shù)年之后，都可以對壓鑄曲線的目標值和實際值進行查詢。

噴涂流程

       噴射流程的主要任務是在液態(tài)合金和鋼制型面制件形成分離膜。并且對移動元件進行潤滑，比如取件器，內(nèi)芯或者推動器，以及避免壓鑄件在腔體內(nèi)的粘連。噴射流程的副作用是，表面會被冷卻。根據(jù)不同結構組件的厚度，一些區(qū)域的冷卻是符合要求的，一些不是。但是在目前市場中，噴射流程的主要功能被定義為冷卻，因為很多設備不具有足夠的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)。

熱處理

       汽車車身沖撞相關，延伸率超過10%的制件在壓鑄之后都必須經(jīng)過熱處理。為了測試長時間穩(wěn)定性，會對鑄件進行抽檢，短時間加熱到190到200攝氏度一個小時，然后再較長時間內(nèi)（500-1000小時）保持120-150攝氏度。

       熱處理的目的是，將制件延伸強度和延展性根據(jù)要求進行調(diào)整。這會通過不同的熱處理類型實現(xiàn)。這種兩階段熱處理流程包括固溶退火，淬火，和緊接著的延展。

       大部分的結構組件會通過T7熱處理流程進行處理。其中包括450-490攝氏度左右的灼燒，持續(xù)50-90分鐘，之后在空氣中進行淬火。

       灼燒后的冷卻率需要保持精確：只有冷卻率達到3攝氏度/秒以上，合金結構能夠達到所需的微結構。兩關的溫度范圍從450-490攝氏度到200攝氏度以下的水平，在這個過程中必須嚴格遵守冷卻率（圖7）。隨后的過老化會在230攝氏度左右在100-150分鐘內(nèi)完成。

 

       為了將機械值調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)，會和鎂含量一同處理。元件設備制造商的說明中有很大開放范圍。鎂可以根據(jù)需求在0.15-0.5%區(qū)域內(nèi)進行調(diào)整。通過兩個措施鎂元素含量的調(diào)整和熱處理，調(diào)整了延展性和拉伸應力。已經(jīng)確定的鎂含量在生產(chǎn)過程中必須嚴格遵守，不能出現(xiàn)波動。

總結

       對于結構壓鑄件的斷裂延伸度，延伸極限值和壓身應力的要求非常高，標準合金鑄體不需要達到這個水平。在加工過程中，結構合金件還需要進行特別處理-以合金準備開始，隨后是熱處理，直到表面打磨。組件壓鑄后所有的工序流程生效的前提是，確保無缺陷的壓鑄流程。非常明確的是，經(jīng)過多種冷卻流程和氣體滲入的鋁制組件，需要熱處理過程中的各種作用。

       結構組件的組合成型過程，對于功能集成也有重要影響，它對壓鑄流程提出了很高的要求。噴射流程，真空技術，填充階段，成型溫控和壓鑄投入必須進行完美調(diào)試。重復精度幾乎會直接線性反應在質量穩(wěn)定性上。為了滿足這一需求，布勒集團提供了CARAT設備，閉合力為1000-4400（約10500-44000kN）噸和一個集成真空系統(tǒng)（圖8）。 用雙板技術以，力的引入直接到導柱上，CARAT能夠提供非常深入的在實踐中可以良好保證的閉合單元。帶有實時操控的動態(tài)壓鑄設備可以實現(xiàn)固體曲線的盡可能再生產(chǎn)性。重精度保證了較高的設備利用率。經(jīng)過測試的布勒結構流程會根據(jù)其經(jīng)濟型安裝在標準元件模塊上。布勒不僅提供必要的流程知識，并且還提供操作者培訓。