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鎂合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架，你值得擁有 |
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目前，強(qiáng)韌性及制造工藝是制約鎂合金在汽車上廣泛應(yīng)用的主要因素。鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要是強(qiáng)韌性要求不高且易于壓鑄成形的非結(jié)構(gòu)件。不過，現(xiàn)在有專家利用微量多元合金化技術(shù)開發(fā)出一種高強(qiáng)韌鎂合金材料能夠滿足汽車結(jié)構(gòu)件的性能要求，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)及工藝參數(shù)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低試制成本，提高產(chǎn)品開發(fā)的可靠性，這些對(duì)于開發(fā)復(fù)雜鎂合金汽車結(jié)構(gòu)件具有重要的指導(dǎo)意義。
利用這種低成本高強(qiáng)韌鎂合金，專家成功試制出高性能復(fù)雜薄壁鎂合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架，其主要用于固定發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)，是汽車的主要結(jié)構(gòu)件之一。該鎂合金支架實(shí)現(xiàn)了高性能鎂合金在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，對(duì)加快汽車輕量化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有劃時(shí)代意義。同時(shí)，鎂合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架的應(yīng)用也標(biāo)志著我國(guó)鎂合金產(chǎn)品正在逐漸由一些室溫下強(qiáng)韌性要求不高且易于壓鑄成形的非結(jié)構(gòu)件向高強(qiáng)韌復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件方向轉(zhuǎn)型，這對(duì)于提高我國(guó)鎂合金產(chǎn)品的檔次，促進(jìn)我國(guó)汽車工業(yè)趕超國(guó)際先進(jìn)水平都具有重要的戰(zhàn)略意義。
近年來(lái)，北美、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼出臺(tái)了各自的鎂研究計(jì)劃，投資數(shù)十億美元，組織聯(lián)合各方面的研究力量，實(shí)施大型的綜合性鎂合金材料及工藝研究，并取得一批研究成果。美國(guó)汽車材料公司和美國(guó)能源部在 2001年啟動(dòng)了用于動(dòng)力系統(tǒng)的鎂合金鑄件開發(fā)課題，目標(biāo)是開發(fā)耐熱鎂合金以應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，擬開發(fā)V6 發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體，油底盤和前閥蓋。德國(guó)大眾(VW) Passat，Audi A2，A4和A6的鎂合金用量達(dá)到了14kg。奔馳公司最早將鎂合金鑄件用于汽車座支架。而 BMW全面使用鎂合金輪轂，比鋁制品輕3.85kg，同時(shí)抗震能力也有很大提高。BMW推出的鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)，使鎂合金在汽車上的應(yīng)用達(dá)到一個(gè)新臺(tái)階。日本豐田汽車的方向盤加裝安全氣囊后質(zhì)量增加，而采用AM60B合金壓鑄件后，質(zhì)量比過去的鋼制品和鋁制品分別減少45%和15%，并降低了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)。三菱公司與澳大利亞工業(yè)科技部合作，開發(fā)出鎂合金超輕量發(fā)動(dòng)機(jī)。目前日本的各家汽車公司都生產(chǎn)和應(yīng)用了大量的鎂合金殼體類壓鑄件。
我國(guó)是鎂資源大國(guó)，儲(chǔ)量居世界首位。目前，國(guó)內(nèi)鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要是一些非結(jié)構(gòu)件(如殼體類)，而鎂合金研究幾乎都圍繞應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，或以應(yīng)用為背景的基礎(chǔ)研究。鎂合金在汽車上的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到人們預(yù)想的程度，無(wú)論從產(chǎn)量還是從質(zhì)量上與國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比都存在較大差距。
就汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架而言，目前主流材料還是鋼和鋁合金，難以滿足21世紀(jì)汽車輕量化、合理化、環(huán)保化的要求。而鎂合金憑借其密度小，比強(qiáng)度高，比剛度高，減震性能好，優(yōu)異的鑄造、切削加工性能，易于回收利用以及豐富的資源等一系列優(yōu)點(diǎn)奪得了“21世紀(jì)最輕的綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”的美譽(yù)。因此，鎂合金作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架的材料其優(yōu)越性相當(dāng)可觀(相比鋼和鋁合金)。
然而AZ91、AM60, AM50合金的強(qiáng)韌性偏低，壓鑄件的縮松較多，致使鎂合金在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。 因此，在采用微量多元方法成功研發(fā)了一種新的高性能鎂合金的基礎(chǔ)之上，利用UG造型軟件對(duì)零件進(jìn)行建模，根據(jù)支架檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以確定支架結(jié)構(gòu)的可行性。利用理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件Anycasting設(shè)計(jì)并優(yōu)化鑄件的澆注系統(tǒng)及壓鑄工藝參數(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。利用力學(xué)性能試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和無(wú)損探傷等手段對(duì)鑄件性能進(jìn)行評(píng)估，為鎂合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架上的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。
有限元分析結(jié)果表明，鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)支架的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，在加載條件下，支架四個(gè)底座部位變形量較小，其中最大變形量為0.010457mm，最大應(yīng)力為58.885MPa。通過理論計(jì)算結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬能夠設(shè)計(jì)出合理的發(fā)動(dòng)機(jī)支架澆注系統(tǒng)，并通過充型模擬試驗(yàn)確定了合適的排溢系統(tǒng)位置;通過正交模擬試驗(yàn)對(duì)支架的壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得最佳的工藝參數(shù)為澆注溫度690℃，模具溫度220℃，壓射速度為4.8m/s。在此工藝參數(shù)下，支架成形良好，表面光潔，組織致密，鑄件力學(xué)性能可以達(dá)到：抗拉強(qiáng)度254.44MPa，屈服強(qiáng)度232.71MPa，伸長(zhǎng)率為7.33%。壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，底座最大變形量0.08mm，其滿足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。剖切試驗(yàn)結(jié)果表明，在支架上端厚壁部位存在較小的縮孔缺陷，其模擬結(jié)果基本吻合。
高性能復(fù)雜薄壁鎂合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架的研制和推廣，實(shí)現(xiàn)了鎂合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架的應(yīng)用，解決了鎂合金難以成為結(jié)構(gòu)件的重大難題;同時(shí)，采用計(jì)算機(jī)模擬輔助優(yōu)化過程的設(shè)計(jì)方法，縮短了研發(fā)時(shí)間，減少了資金消耗，增強(qiáng)了產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)附加值，沖破了環(huán)保制約汽車行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，最終實(shí)現(xiàn)了汽車行業(yè)的利益和環(huán)保的“共贏”，以此推動(dòng)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程。
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