摘要：能源短缺及环境污染问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。汽车轻量化技术是汽车节油的重要手段，试验表明：汽车质量每下降10%，油耗约下降3%～5%。本文通过具体的汽车上盖壳体例证给以说明铝合金模具在设计、制作过程中要注意事项。 
关键词：节能、环保     轻量化 压铸模   镁合金   溢排系统   热平衡
1、汽车轻量化技术发展现状
能源短缺及环境污染问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。汽车轻量化技术是汽车节油的重要手段，试验表明：汽车质量每下降10%，油耗约下降3%～5%。 
    自上世纪70年代以来，随着材料技术和设计制造技术的进步，汽车自身质量逐年减少。以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车的平均质量为1520kg；90年代初下降至1475kg;90年代末下降至1230kg；1985～1995年期间，轿车质量平均每年减少0.9%。20世纪末和本世纪初世界各国先后出现了百公里油耗3L的汽车，这类汽车的质量基本上处在750～850kg之间，比现今同类车轻50%。1998年德国大众推出的路波3LTDI，汽车自身质量只有800kg。奥迪公司最近开发的紧凑型全铝轿车AudiA2，汽车自身质量只有895～990kg。商用车的自身质量也在逐年减少，以意大利依维柯商用车为例，2004年其驾驶室的质量已降为960kg，减少了40%。 
随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加。从90年代开始，汽车材料向轻量化、环保型方向发展的趋势日益明显，其中铝、镁合金是应用日渐广泛的材料之一。
　  早在20世纪20年代中期，德国就出现了镁合金压铸件。长期以来，德国一直处于世界领先地位，而北美和日本汽车行业镁合金的开发与应用起步于20世纪80年代。我国在上世纪80年代末引进了汽车变速器壳体壳盖大型铝合金压铸技术，开始了中国大型汽车铝合金压铸件制造之路。
　 铝合金是一种较轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，铝工业界着手开发民用铝合金产品，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。
2、 汽车材料轻量化进程
　  铝的密度为钢的1/3，用铝代替钢可以减少重量50％左右。镁合金的强度比铝合金高、而与高强合金结构钢相近，密度只有铝的2/3。所以，用铝、镁合金制造汽车零部件，是使汽车减轻重量和节约能源的有效途径之一。
　  专家认为，在未来几年，车用铝合金的需求将逐步增加，非承载元件的重量将因此减少2/3，承载元件重量将减少1/3～1/2。汽车轻量化的迫切需要使有色金属在汽车上的应用得以快速发展。据预测，2016～2025年，铁基合金与轻质的铝、镁合金相比，在汽车上的应用将明显处于下风。
　  2.1  国内外研究方向
    美国汽车委员会(USCAR)与欧洲汽车研究委员会(EUCAR)研究认为，减轻车辆重量一个必不可少的手段是将铝、镁铸件逐步替代钢铁零部件。
　　中国在“十五”期间启动了“十五”国家科技攻关重大项目之一“镁合金开发应用及产业化”项目。全国共有21个省、自治区、直辖市的4个研究院所、7所高校、20多家企业直接参与了项目实施。目前已初步建立了从镁合金前沿高科技研发到产业化技术开发的技术研发体系，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术，并培育组建了十几家有关镁合金及制品的股份制公司，建立了一批镁合金产业化基地。该项目已申请有关专利33项，其中发明专利15项；启动了镁合金标准体系建设工作，并已完成一批标准的制定。
　　国内各大汽车集团都建立自己的铝、镁合金生产基地与产品开发项目。铝、镁合金材料生产研究单位形成并发展了轻合金的压铸、半固态铸造、低压铸造、挤压、轧制、热冲成形、热锻、热冲锻、等温锻造、超塑成形技术。
　　EUCAR也制订了铝零件生产技术的研发项目。
　　欧美对铝合金研究的重点课题有：抗蚀能力、浇注工艺与浇口/浇道设计、基础结构设计数据库、成本模式、微观结构、焊接、微观组织工艺过程数学模型、过程传感器设计、射线探伤、疲劳强度、成型工艺技术与经济评价和有限元设计等等。
　　欧美研究、解决的铝合金铸件课题有：开发预测微观结构的数学模型、预计重力浇铸、金属型倾斜浇注、低压、挤压、半固态Alcoa＇s VRP/VRC工艺浇铸件的机械性能、材料/机械性能数据库、开发铸造轻合金结构件的设计向导、开发用于工艺过程监控和模具条件的快速反应温度传感器、开发铸件量子/数字的X射线标准。
　　国内对铝镁合金研究的课题有：压铸材料、稀土添加剂、金相、缺陷分析、后续热处理、表面防氧化、真空压铸工艺、阻燃镁合金、虚拟化设计、CAD、CAM、CAE、浇口浇道设计、基础结构设计数据库、压铸模设计技术。
2.2  近年来发展成功或正在研制的新型铝合金及技术，见表1。 
 

　　我国的ZL205A，抗拉强度为510 MPa，延伸率可达13％。
　　北京航空材料研究院研制出一种与ZL205A成份相近、韧性特别好的铸造铝合金，其延伸率达19％～23％，冲击韧性为ak181～304kJ/m2。
　　2.3  轻金属在汽车上应用现状
　　镁合金正在汽车制造中被大量使用。目前在北美生产的汽车，平均每辆含镁合金4.08 kg。德国大众生产的帕萨特和奥迪A6轿车上的镁合金压铸件分别为13.6kg和14.6 kg。　　全球车用铝合金占整车重量的平均比例已由2002年的2.6％上升至2006年的6％。表2是各国铝、镁合金铸件产量。 

　　福特汽车公司宣称2020年单车镁合金用量由目前的2 kg上升到90kg。
　　德国大众汽车公司要在每一辆轿车上设计含有80kg以上的镁合金零件。
　3. 铝、镁合金材料的成形形式及汽车零部件的制造
　　3.1  轻金属的成形形式
　　根据合金成分和生产工艺，将工业用铝、镁合金分为变形合金和铸造合金。
　　变形合金指合金铸锭经热塑性变形或冷塑性变形加工后再使用，有良好的成形性能，有挤压、轧制、热冲成形、热锻、热冲锻、等温锻造、超塑成形工艺。
　　变形合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两种。若其固溶体成分不随温度变化，不能借助于时效处理强化，称为不可热处理强化的铝合金。若其固溶体成分随温度发生变化，可进行时效沉淀强化处理，称为可热处理强化的铝合金。
　　铸造合金指直接浇铸或压力下铸造成形，有良好的铸造性能。铸造形式有高压铸造、重力铸造、低压铸造、半固态压铸。
　　3.2  铝、镁合金材料制造的汽车零部件
　　用铝合金板可制造发动机罩、行李箱盖、保险杠、车身内外饰板件、散热器。铝合金铸件已经替代了部分铁铸件，如活塞、轮毂、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。在美国和欧洲，保险杠、油箱也由钢板改为铝合金。未来汽车的材料构成比例中，欧美地区铝合金使用率将大大增加。如在德国的试验车中，铝合金使用率已达到全部材料的30％。铝合金仍将是汽车轻量化的首选材料。
　　镁合金材料比铝更轻，且在我国资源丰富。由于已开发出高效且安全的制造工艺，使镁合金及其产品的制造成本下降，镁合金已大量应用于仪表板骨架、座椅骨架、操纵杆托架、大梁、离合器壳和变速器壳等汽车零部件的制造。表3是近几十年来铝合金的应用范围。
 
4、铝合金在汽车工业生产中的应用及发展
　 4.1　汽车铝合金铸件的应用
　 国际上，用铝合金代替铸铁制造汽车零件的历史可以追溯到20世纪40年代。欧洲的汽车生产厂家，例如意大利菲亚特汽车公司研究出用铝代替铸铁制造进气歧管和气缸盖后，因其具有很多优点而开始少量生产。同时，金属型铸造工艺用于汽车工业产品生产的优点也逐步表现出来。50年代，澳大利亚引进了英国Alumasc公司的低压铸造技术，用于汽车铝铸件生产。联邦德国Kartl Schrmiolt公司对低压铸造技术作了进一步改进，用于生产结构复杂的零件，包括戴姆勒-本茨汽车公司的镶嵌铸铁衬套的铝制动鼓。美国通用汽车公司在Massena铸造厂大量生产Corvair Certainly轿车铝铸件如气缸盖、曲轴箱、发动机后盖及滤清器接头。60年代以后，以汽车工业为产业支柱的工业国家，将电子、机械制造技术与汽车制造溶为一体，追求高效率的生产方式，因此压铸技术获得了较大发展，压铸工艺成为汽车工业扩大轻金属应用的主要生产手段之一。同时，也确立了现代汽车（其中主要是轿车）广泛应用铝铸件来减轻自身质量的基础。
　
　　铝合金作为汽车零件特别是用于制造汽车发动机产品的结构材料有两个突出的优点：一是质量轻，美国克莱斯勒公司和通用汽车公司采用压铸法生产铝气缸体来代替铸铁气缸体，汽油发动机（4缸机）可以减轻质量42.7 kg，较大幅度地减轻了汽车自身质量；二是它的导热性比铸铁好。根据发动机工作原理，使用铝制气缸盖和气缸体可以改善发动机的工作状态，提高其热效率，这就意味着能够改善和提高发动机的功率。
　　用于发动机的铝铸件，不仅要求合金具有良好的高温性能、耐磨性、热膨胀系数小，同时在铸造成型时合金的流动性要好。众所周知，内燃机气缸盖是一种内腔结构复杂、形状多变，并且壁厚不均匀的铸件，而现代轿车用某些高性能发动机气缸盖水套壁厚只有3.2 -3.5 mm，在进气管道最薄处仅2.5-3 mm。所以，保证产品铸造成型状态的完整性是对铸铝合金的严重考验。由于缸体和缸盖的冷却通道与水接触，缸盖燃烧室表面受到高温燃气侵蚀，故又要求合金具有一定的耐腐蚀性。由于气缸体和气缸盖铸件工作环境差，故又要求合金有较好的热疲劳强度，以承受抗热冲击所产生的疲劳破坏情况。
　　国外常用于发动机气缸盖的铝合金为ASM319（美），AC4B（日），而中国为ZL101（或ZL101A）合金，其铸造方法为金属型重力铸造和低压铸造工艺。国外在生产发动机气缸体方面常选用390合金（欧美），而日本则为ADC 12合金，我国使用ZL104合金，其铸造方法为压铸，亦有采用低压铸造。　　
5、例:

     如下图该产品原为铸铁件，且已经大量生产用于重型卡车上，为了适应市场的需要提高产品的竞争力，，低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。 
     应用MARC软件进行三维有限元分析后得到了上盖壳体的位移和应力分布规律，根据三维有限元分析，应力分析、位移分析、固有频率分析、根据上盖壳体受力情况、根据汽车理论及铝合金的铸造特性和模具成型的特点，结合汽车厂家提供的有关资料，我们完成了铝合金上盖壳体模具设计制造。在具体的运作上我们按照以下程序进行。

     确立产品工艺流程：
     1  根据所选用的镁合金的铸造性能对产品的结构进行确认。
     2.  进行零件的毛坯图的确认。
     3  建立零件的三维模型，分析模具的充填情况及模具温度场的分布情况。
     4 完成模具制造后进行生产调试确立最佳的生产方式。
     一 对产品的结构进行确认
     1．1 建立变速箱壳体有限元模型
     变速箱壳体采用UG进行造型。由于壳体形状非常复杂（见图1），并且受力不均匀，因此取其整体作为分析对象，并将部分与材料强度无关的结构(如倒角、螺纹孔等)，进行拉直，填平等结构上的简化。

     有限元前处理部分进行网格划分，受力情况，在变速箱与发动机及底盘相连接处施加位移边界条件，其中自重属于均布体力，在MARC有限元分析软件中，自动转化为节点载荷。根据汽车理论，当变速箱位于一档即起步档位置时，所受到的牵引力最大，所以选取一档时变速箱壳体所受外力作为外载荷。为了计算出上盖壳体内所受的力，须先得到上盖内各齿轮对间的力，这些力通过齿轮和齿轮轴传到轴承上，再由轴承传到壳体上。轴受力时，力经过轴承传到壳体上。当壳体的有限元模型建立好以后，也就是将壳体划分为若干单元和节点以后，这些力就转化为节点力。
     1.2 应力分析
     应用MARC软件进行三维有限元分析后，得到了上盖壳体位移和应力分布规律。从主应力的计算结果中可以看出，壳体轴承位置处与齿轮轴相接触部位及其附近的应力值普遍比其他部位偏高，,此处也即变速箱最易发生开裂的地方。
     1.3 位移分析
     位移变形图。可见，在壳体后部及与一档齿轮轴相接的部位变形量较大，最大位移值为0.01096mm.，其他部位的位移值较上述部位的位移值要小。因为壳体前部与发动机相连，而壳体后部悬空，并且在壳体受力分析中后部受力相对较大。
     1.4  产品结构的确认
     此上盖壳体是汽车发动机组件中结构受力件，要求所做的产品外观接受100%的通过检查，外观的粗糙度<1.6Ra,表面无拉伤、冷隔、欠铸、裂纹、缩孔、对应性冷纹等缺陷，通过500小时/台架和25000KM的道路可靠性考核，同时产品的改进不能影响到发动机的装配，产品的零件图由原来的铸铁零件图改制。对于压铸铝合金而言，铸件的理想产品结构是:壁厚均匀不要有过高的筋槽，合适的壁厚。压铸件的质量除受到铸造条件的影响外，压铸件自身的结构工艺性也是十分重要的，合理的产品结构不但能简化铸型的结构，同时也能改善铸件的质量提高生产效率。
     二．汽车变速箱壳体的改进及零件的毛坯的确认
     根据以上汽车上盖壳体的力学分析，对壳体薄弱部位及壳体的抗振动性能进行了改进。
     在产品改制过程中充分考虑铝合金充填时速度快的特性，适当增大铸件的一些铸造圆角以改善铸件的铸造工艺性。
     三.  压铸模结构的确认
     压铸模是压铸生产中重要的工艺装备，生产能否顺利进行,压铸件质量有无保证和压铸模结构是否具有合理性和先进程度有关，对铸件质量的优劣起着极为重要作用，它与压铸工艺、生产操作互相影响互为制约.对镁合金因其有独特的合金性能，因在模具设计制作时有其不同的特点，如何避免合金在铸造性能上的劣势，又能充分发挥合金的优良特性，是模具设计过程中要求面对的问题。
通过对产品结构和技术要求的分析及以往的生产经验作如下设计：
     1.  乙方根据甲方提供产品图完成铸件毛坯图和模具设计图后，通知甲方及甲方的用户会审，并按甲方所提供的会审意见修正零件铸件图和模具图，待最终确认方可开始模具制造。
     2.  模具压铸所有型芯部分（包括所有镶块）材料，均采用进口模具钢（钢材牌号为瑞典8407或DIVA），模架采用优质锻钢（钢材牌号1050号钢）
     3.  模具使用寿命大于10万模次（甲方按乙方提供模具使用、维护、保养规定等进行工作）。
     4   为充分发挥机器的性能，注意适当增加了分流锥的高度以减少冲头的行程，以改善产品的质量。
     5.  模具的热平衡是模具设计制做时要求特别关注的部位，对于大中型模具的热平衡的情况直接影响模具的寿命，而且和铸件的质量有直接的关系。对于铝合金模具,合理的冷却和加热系统生产时要求能把把模具的温度控制在150˚C --- 180˚C之间。为此对于模具中某些重要的部位，采用点冷却方式，以便于生产时模具各部位温度的控制。并借助于流道填充软件进行温度场和铸件填充缺陷分析。
     3．1     模具的浇道部分的控制:
     直浇道引导金属液以一定的方式充填型腔，对金属液流动方向、压力传递、充填速度、排气条件、模具的热平衡都能起到控制和调节作用。
     1. 直浇道尺寸的确定 ：
     直浇道要求有利压射力传递和金属液充填平稳，直浇道尺寸的确定是根据铸件结构和重量等要求来选择确立。设计时要注意压室的充满度，压室的充满度对铸件气孔影响很大，当充满度小于50%时则压室中的气体就多于模具型腔中的气体，无论大小压室中的卷气现象都相同。据日本铃木宗南等人通过对压室中的气体含量的测定，得出压室的充满度和气体的关系，压室的充满度在50%以上,以60%---70%为宜。考虑镁合金的比热容小的原因我们选择压室的充满度在40%左右。
     模具设计时对于横浇道是对金属液起稳流和导向作用。我们在设计时要求减少金属液的流动阻力，保证金属液等截面积流动，不突然收缩或扩张，防止涡气。由于镁合金材料不能直接返回熔炉熔炼，因此，我们在设计时考虑尽量减少模具浇道部分的容积，以减少镁合金材料的损耗。同时，在设计模具充填浇道时，尽量考虑使合金液直接充填铸件区，以减少铸件表面的缺陷. 
     2. 模具内浇口的尺寸控制 :
     要求内浇口使金属液以最佳的流动状态充填型腔，应先充填型腔深腔部位，最后流向分型面，避免先封闭分型面，以免排气不良。同时避免金属液对型芯等薄弱部位冲击，防止型芯变形。据以往镁合金模具设计制造经验
内浇口的位置选择我们主要把握以下几方面：
     (1) 内浇口选布在金属液填充流程最短铸件壁厚最厚的部位。
     （2）为防金属液流进型腔起旋涡及不顺畅部位而采取搭边浇口。
     （3） 内浇口 选布取为防金属液流正面冲击型芯设置分流岛。
     （4） 内浇口布置为使铸件不易变形破损而采用前模直角结构。
     （5） 对于不充许有气孔存地方，保证内浇口的压力最终都能保持
     3．2 模具的溢排系统方面：
     在设置溢流槽形状和位置时我们主要从以下几方面考虑：
     （1）金属液最后充填部位设溢流槽。
     （2）金属液的汇合处及容易产生涡流卷气和氧化夹渣的区域设溢流槽。
     （3）在需要防止涡流和紊流改善液态金属流动状态的部位设溢流槽设。
     （4）用溢流槽提高型腔温度。
     3．3．加热和冷却系统：
     压铸模具在压铸生产前应进行充分地预热，并在压铸过程中保持在一定温度范围内。压铸生产中模具的温度由加热与冷却系统进行控制和调节，以保持模具的热平衡。
     本套模具加热和冷却的方法,采用目前国内先进的以点冷却为主体集进集出的加热和冷却系统。用模具温度控制装置加热、冷却。
具体总装图如下：


     按此系列方法`设计制造的镁合金压铸模具在力劲DCC1600型压铸机上压铸生产，生产的产品取得成功，特别是铸件的重量较原来减低了三分之一,产品质量有了很大的提高，不仅汽车的性能上有改善，而且降低了生产成本。致使变速箱的重量较原来减少几百公斤，在节能、环保方面做出重要贡献。
     铸件如图，铸铁、铝合金、镁合金材料的单件压铸生产成本对比核算如下：



     铸铁铝合金镁合金
     材料名称铸铁ADC12AZ91D
     材料价格(元/吨)50001260019000
     铸件重量(KG)19.96.53.2
     成本费用(元/件)97.581.960.8
     张英文(1969--)  男 大学本科力劲集团技术支援部经理模具高级工程师,长期从事压铸模具的设计.制造和压铸技术研究工作
参考文献：
1 ．R．FINK，W。BECK （OSKAR  FRENCH  GMBH+CO）       铝合金压铸工艺的优化。
2 ．机械工业出版社。                                           模具设计手册。
3 ．上海交通大学                                        铝合金三维有限元分析 
4 ．R．AMBAT，N。N。AUNG，W。ZHOU                   压铸ADC12合金的腐蚀性研究
5 ．东芝公司、压铸技术研究。                                  东芝机械株式会社