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鎂合金汽車發(fā)動機支架，你值得擁有 |
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目前，強韌性及制造工藝是制約鎂合金在汽車上廣泛應用的主要因素。鎂合金在汽車上的應用主要是強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開發(fā)出一種高強韌鎂合金材料能夠滿足汽車結(jié)構(gòu)件的性能要求，同時利用計算機輔助設計能夠優(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，這些對于開發(fā)復雜鎂合金汽車結(jié)構(gòu)件具有重要的指導意義。
利用這種低成本高強韌鎂合金，專家成功試制出高性能復雜薄壁鎂合金汽車發(fā)動機支架，其主要用于固定發(fā)動機，同時減少發(fā)動機運行時的震動，是汽車的主要結(jié)構(gòu)件之一。該鎂合金支架實現(xiàn)了高性能鎂合金在汽車結(jié)構(gòu)件上的應用，對加快汽車輕量化進程，實現(xiàn)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有劃時代意義。同時，鎂合金汽車發(fā)動機支架的應用也標志著我國鎂合金產(chǎn)品正在逐漸由一些室溫下強韌性要求不高且易于壓鑄成形的非結(jié)構(gòu)件向高強韌復雜薄壁結(jié)構(gòu)件方向轉(zhuǎn)型，這對于提高我國鎂合金產(chǎn)品的檔次，促進我國汽車工業(yè)趕超國際先進水平都具有重要的戰(zhàn)略意義。
近年來，北美、歐洲和日本等發(fā)達國家相繼出臺了各自的鎂研究計劃，投資數(shù)十億美元，組織聯(lián)合各方面的研究力量，實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。美國汽車材料公司和美國能源部在 2001年啟動了用于動力系統(tǒng)的鎂合金鑄件開發(fā)課題，目標是開發(fā)耐熱鎂合金以應用于汽車發(fā)動機系統(tǒng)，擬開發(fā)V6 發(fā)動機的缸體，油底盤和前閥蓋。德國大眾(VW) Passat，Audi A2，A4和A6的鎂合金用量達到了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，同時抗震能力也有很大提高。BMW推出的鎂合金發(fā)動機，使鎂合金在汽車上的應用達到一個新臺階。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。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)動機。目前日本的各家汽車公司都生產(chǎn)和應用了大量的鎂合金殼體類壓鑄件。
我國是鎂資源大國，儲量居世界首位。目前，國內(nèi)鎂合金在汽車上的應用主要是一些非結(jié)構(gòu)件(如殼體類)，而鎂合金研究幾乎都圍繞應用中出現(xiàn)的問題，或以應用為背景的基礎研究。鎂合金在汽車上的應用遠遠沒有達到人們預想的程度，無論從產(chǎn)量還是從質(zhì)量上與國外工業(yè)發(fā)達國家相比都存在較大差距。
就汽車發(fā)動機支架而言，目前主流材料還是鋼和鋁合金，難以滿足21世紀汽車輕量化、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)點奪得了“21世紀最輕的綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”的美譽。因此，鎂合金作為汽車發(fā)動機支架的材料其優(yōu)越性相當可觀(相比鋼和鋁合金)。
然而AZ91、AM60, AM50合金的強韌性偏低，壓鑄件的縮松較多，致使鎂合金在汽車結(jié)構(gòu)件上的應用難以實現(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之上，利用UG造型軟件對零件進行建模，根據(jù)支架檢驗標準，采用ANSYS有限元分析軟件對支架結(jié)構(gòu)進行分析，以確定支架結(jié)構(gòu)的可行性。利用理論計算與計算機數(shù)值模擬軟件Anycasting設計并優(yōu)化鑄件的澆注系統(tǒng)及壓鑄工藝參數(shù)，并進行了試驗驗證。利用力學性能試驗、壓縮試驗和無損探傷等手段對鑄件性能進行評估，為鎂合金在汽車發(fā)動機支架上的應用提供試驗依據(jù)。
有限元分析結(jié)果表明，鎂合金發(fā)動機支架的結(jié)構(gòu)滿足設計要求，在加載條件下，支架四個底座部位變形量較小，其中最大變形量為0.010457mm，最大應力為58.885MPa。通過理論計算結(jié)合計算機數(shù)值模擬能夠設計出合理的發(fā)動機支架澆注系統(tǒng)，并通過充型模擬試驗確定了合適的排溢系統(tǒng)位置;通過正交模擬試驗對支架的壓鑄工藝參數(shù)進行了優(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，鑄件力學性能可以達到：抗拉強度254.44MPa，屈服強度232.71MPa，伸長率為7.33%。壓縮試驗結(jié)果表明，底座最大變形量0.08mm，其滿足檢測標準要求。剖切試驗結(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。
高性能復雜薄壁鎂合金汽車發(fā)動機支架的研制和推廣，實現(xiàn)了鎂合金汽車發(fā)動機支架的應用，解決了鎂合金難以成為結(jié)構(gòu)件的重大難題;同時，采用計算機模擬輔助優(yōu)化過程的設計方法，縮短了研發(fā)時間，減少了資金消耗，增強了產(chǎn)品開發(fā)的技術附加值，沖破了環(huán)保制約汽車行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，最終實現(xiàn)了汽車行業(yè)的利益和環(huán)保的“共贏”，以此推動汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的進程。
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