铝合金挤压铸造汽车控制臂的开发
2022-01-14 14:46
以某量产车型的钢制下控制臂为研究对象，通过轻量化设计，开发了以铝合金铸件为核心的钢铝混合结构控制臂，通过挤压铸造工艺得到铝合金铸件，实现了减重25%的设定目标。设计和试验表明，铝合金铸件为核心的钢铝混合结构控制臂能够满足下控制臂的使用需求，并大幅度降低质量，满足整车轻量化的需求。
随着汽车多功能性需求的上升，电子设备和高品质安全系统等设备不断增加，导致乘用车重不断增加。与此同时，在全球范围内，对于提高燃油效率的要求和排放的法规逐步苛刻。通过提高发动机效率，减小空气和轮胎滚动阻力，车身小型化以及减轻车身质量都可以实现提高燃油效率和减小排放的目标。基于降低整车质量以实现燃油效率和排放目标是目前最容易实现的技术手段。因而如何降低整车质量成为目前工程开发的热点之一。
铝合金具有轻量化，比强度高以及耐腐蚀性好等一系列特点，已经被广泛地应用于前轴和横梁部件的制造。出于轻量化设计方面的考虑，为减轻质量，通常会改变零件的形状和尺寸，而这些变化有能引起零件的强度和韧性的变化，并导致零件失效。因此，作为全新设计的轻合金悬挂部件，对结构设计和材料应用予以慎重的考虑，将合适的材料赋予恰当的功能，并经过多轮次的结构拓扑优化分析和成形过程模拟才有可能获得成功。
本课题以某量产车型的钢板冲焊下控制臂为轻量化目标，基于铝合金及铸造工艺，通过集成化设计，试图实现轻量化控制臂的开发，以满足整车轻量化的需求。
1目标的选取与分析
某量产车型钢板冲焊下控制臂见图 1，选取该控制臂作为轻量化开发的目标，以铝合金铸件取代原有部件。主要要求如下，铝合金控制臂的碰撞性能与基准部件相当。铝合金的绝对强度低于钢板，但是可以充分利用铸造工艺过程的优势，通过结构优化，设置肋板和加强筋的方式保证结构满足碰撞性能要求；与取代部件相比，更改材料后质量降低20%以上；满足OEM的耐蚀性要求，与原有钢制部件的耐蚀性能相当。安装要求：要求满足原有的安装条件，可实现直接替换。在局部结构更改过程中不涉及与其他部件有装配关系的部分，结构调整后，部件原有装配关系不变，可实现直接替换装配；在满足使用需求和轻量化目标的同时，部件成本增加不超过20%。
图1:钢板冲焊下控制臂
随着整车轻量化的要求，已经有多种铝合金控制臂投入了批量生产，主要采用铸造和锻造两种工艺方法。尽管锻造是目前产品力学性能最高的成形方法，但是其生产成本高。与锻造相比，铸造是一种相对较为经济的成形方法。用于控制臂生产的铸造方法主要有重力铸造，低压铸造，差压铸造，挤压铸造和半固态铸造等方法。综合考虑生产投资，产品性能以及生产效率等因素，选取了与锻造性能较为接近，工艺稳定性较好的挤压铸造工艺作为开发过程中的铸造成形方法。
2产品的设计与分析
2.1 产品的概念设计
图 2为铝合金控制臂的概念设计方案说明。考虑到挤压铸造工艺特点，无法应用砂芯形成空腔结构。决定将原有的空腔结构的钢板冲焊控制臂改为“H”型结构铝合金铸件，通过增加肋板和加强筋来提高铸件的整体刚度，实现铸造一次成形，并针对不适于铸造的部分进行结构更改和连接方式的确认。
图2:铝合金控制臂的概念设计方案
图 2中1处，将控制臂改为铝合金铸件后，球头组件与控制臂的连接方式将由原有的焊接方式改为螺栓连接。为满足更改后的连接方式，球头锻件的结构必须重新进行设计，并通过机械加工完成样件制作。只允许更改连接部分与球头相关的部件包括轴，防尘、球碗、卡环、球头销，夹子和球套结构则不允许更改。
为保证铸件的结构完整性，铸造工艺性能以及铸件的整体性能，确认将原有冲焊的减震器支座分为两体设计。减震器主支座改为铝合金设计，并与控制臂主体完成集成设计。减震器副支座仍然为冲焊结构，在通过对原有部件切割的基础上增加底座，通过焊接的方式形成组件，组件通过螺栓连接的方式与铝合金控制臂连接，组件的结构示意见图 2中2处。在铝合金控制臂上要设计副支座的安装限位，保证安装到位。
图 2中3处在原有设计中所有部件均为钢制部件，更改为铝合金后，轴部位材料为铝合金，与之配合的是钢制部件，在通常情况下铝合金部件不能够与其发生直接的摩擦配合。考虑有两种解决方案，其一通常是采用增加钢制垫片的方式解决铝制部件与钢制部件的配合问题，在增加钢制垫片后，原有设计中轴的尺寸将发生改变，需要重新设计；其二是借用原有的钢制部件，重新设计连接部分结构，通过螺栓连接实现部件的装配。
2.2 产品的设计方案
图 3铝合金控制臂的设计方案。基于原有冲焊部件设计，无法对原有周边的装配环境进行更改，必须仔细考虑原有部件的结构与装配。总体设计方案是采用集成设计“H”型的铝合金挤压控制臂取代原有的上板，下板，连接上板，连接下板，衬套套管和减震器支架形成一个整体控制臂。
图3:铝合金控制臂设计方案
图 3中1处，球头组件采用原有结构，但取消原有焊接连接方式，在球头锻件上增加连接平面设计，通过螺栓连接的方式与控制臂主体连接，在控制臂主体上也相应的设计出连接平面和连接螺栓孔。2处将冲焊结构中控制臂主体中的减震器之间分为两个部分，主体部分与控制臂为铸件，其余部分设计为一个钢板部件，通过螺钉与控制臂主体连接。3处在概念设计中试图将该部分集成至铝合金铸件中，但是在CAE分析中发现，该部分的载荷较大，加之无法对结构进行更改，因而决定保留此部分的钢制部件，在钢制部件和控制臂主体上设计出连接结构，然后通过螺栓与控制臂主体连接。4处在原有设计中的高度传感器支架无法集成入铝合金铸件中，所以需维持钢板部件设计，通过螺钉与控制臂主体连接。
2.3 产品的结构分析
为保证结构分析结果的正确性，获取了原有钢板冲焊的控制臂的相关材料信息。原有控制臂由15个不同材料的钢板部件通过焊接构成。通过相关钢板标准的查询，获取了用于冲焊控制臂制造的不同钢板材料的屈服强度、断裂强度、断后伸长率和杨氏模量，用于CAE对比分析。控制臂共有VERTICAL_BUMP，CORNERING，BRAKIING_REARWARD，MAX_BRAKING，MAX_ACCELERATION，LATERAL_SHOCK，CURB_PUSH 7种工况条件。考虑到挤压铸造铝合金AlSi7Mg-T6的断裂强度为220 MPa。在分析过程中，要求任何区域内的应力分布不能够大于200 MPa。对于局部应力集中区域，可参考原有钢板冲焊设计中的对比应力，确保全新结构设计结构与原有结构进行CAE对比分析时，相同部位铝合金部件的应力不得超过钢制部件的1/3。
图 4为6种工况条件的应力分析结果，发现其应力水平能能够满足部件的使用需求。图 4中VERTICAL_BUMP，MAX_BRAKING和CONERING工况为非破坏工况，其最大应力都未超过200 MPa，经过对高应力部位的分析，主要为应力集中，且位于螺栓孔和减振器支座根部，同时对比了原有钢制部件同样位置的应力，其数值未超过钢制部件同样位置应力的1/3，故而判定合格。为安全考虑，加大了减振器支座根部的圆角，以便于降低应力集中。
装配检查表明，全新设计结构没有超出原有结构包络面内，能够满足安装条件。部件在局部结构更改过程中，没有涉及与其他部件有装配关系的部分，结构调整后，部件的装配关系不变，可实现直接替换装配。据此，确定设计数据。
图4:6种工况条件下的CAE应力分析结果
2.4 产品设计总结
表 1为原有结构与全新设计结构部件质量对比。通过采用集成控制臂铸件取代了原有的上板，下板及连接上板等6个部件，并借用原有的连接套管。由表 1中的被替代的钢制部件和集成铝合金控制臂质量数据可见，采用铝合金集成铸件后，质量下降31%。球头总成和轴借用了原有结构，但重新设计了连接部分的结构，并采用了螺栓连接方案。
原有设计结构的总质量为4.358 kg，全新设计结构质量为3.268 kg。可见通过应用铝合金金集成铸件并借用部分原有结构设计形成的钢铝混合结构可以实现部件总成减重25%的效果，实现了预定的减重目标。
表1:原有结构与全新设计结构部件质量对比
3工艺开发与试制
铝合金控制臂铸造工艺的基本设计见图 5。采用立式挤压机进行挤压铸造生产，浇注系统由料饼和“Y”字型的浇道组成，在铸件上方设置溢流槽。通过左侧的抽芯形成铸件上与原有结构轴的安装孔。通过设置抽芯形成在铸件上部的连接孔，可以通过设置油缸的动作，在开模前插入，或是在充填过程中插入，当作挤压针，消除铸造缺陷。控制臂铸件质量为2.282 kg，控制臂料饼及浇注系统质量为4.250 kg，溢流槽及排气通道质量为0.660 kg，总质量为7.192kg，工艺出品率为31.7%，工艺出品率偏低。考虑到为试制开发部件，未对工艺出品率进行优化，在实际生产时可以考虑采用一模两件的方式提高工艺出品率。
图5:铝合金控制臂铸造工艺示意
采用ESI-ProCAST对铸造过程进行模拟分析，图 6为不应用局部挤压和应用局部挤压两种方式铸件缺陷的模拟结果。可以看出，在未应用局部挤压的情况下，将局部挤压针插入作为型芯使用；在应用局部挤压的情况下，局部挤压针先不插入模具内，待完成充填后，插入模具内，对尚未完成凝固的铸件进行局部挤压，消除铸件内部缺陷。由图 6a可知，在不应用局部挤压的情况下，远离浇口部位以及加强筋部位还存在一定数量的缺陷。由于铸件凝固顺序的原因，无法通过增加保压时间和增压压力的方式消除此类缺陷。通过应用局部挤压技术，可以有效地消除通过增加保压时间和增压压力无法消除的缺陷，见图 6b。
图6:铸造过程的缺陷模拟分析结果
在卧式挤压铸造机（SCH-1000A）上进行铝合金控制臂生产，模具分为动模和静模两个部分。在完成料杯充填以后，活塞自下向上运动，完成金属熔体的充填。在动模部分通过一个抽芯和一个局部挤压和抽芯两用的结构分别形成连接孔和连接轴安装面处的结构。采用两种方式进行铸造生产，其一是无局部挤压，即挤压针预先插入模具内作为型芯使用；其二是采用局部增压，即挤压针预先不插入模具，原来形成连接孔的部位将被金属熔体充填，随后在油缸的作用下，挤压针插入模具，作用在铸件上，通过其挤压作用减少铸件的缺陷，随后油缸卸压，收回挤压针，打开模具，取出铸件。图 7为挤压铸造生产的铝合金控制臂铸件。
图7:挤压铸造生产的铝合金控制臂铸件
受铸件尺寸和结构的限制，本体取样时按客户要求，在多个铸件上指定位置分别取若干非标试样（基于GB T 228.1-2010），拉伸试验结果见图 8。抗拉强度为293.2 MPa、屈服强度为226.48 MPa、伸长率为9.01%，且全部高于设定值。后期在主机厂进行的台架试验、NVH测试、装车试验、碰撞试验、耐久性试验等多项检测，全部通过，由此可见挤压铸造铝合金控制臂的性能不低于钢板冲焊下控制臂，由于涉及关键技术，主机厂并未透露相关试验的具体数据和照片。
图8:挤压铸造控制臂力学性能
图9为无和有局部挤压铸造铸件的CT照片。由图9a可见，在无局部挤压的条件铸件的安装孔处出现了明显的缩松缺陷，通过应用局部挤压可以消除此类缺陷,见图9b。需要注意的是，在局部挤压过程挤压针的插入深度不仅取决于局部挤压油缸的压力，还取决于插入的时间和铸件的凝固情况。尽管在本课题中通过局部增压消除了铸造缺陷，但是挤压针插入的深度不够，对于安装孔的形成贡献不大，后续还要通过机械加工才能够完成。
图9:局部挤压铸造对铸件质量的影响
4结论
（1）通过结构拓扑优化设计，在原有钢制控制臂的基础上开发了轻量化铸造铝合金控制臂，实现了减重25%的设定目标，且通过主机厂测试，其他性能未降低。
（2）采用挤压铸造工艺完成了铸件的开发，并引入了局部挤压技术，有效消除了通过增加保压时间和增压压力无法消除的缺陷，抗拉强度为293.2 MPa、屈服强度为226.48 MPa、伸长率9.01%。
（3）设计和试验表明，铝合金铸件为核心的钢铝混合结构控制臂能够满足下控制臂的使用需求，并大幅度降低质量，满足整车轻量化的需求。
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