汽车零部件材料成形工艺的调研分析报告

coffee-2003

作者：T433－5－29　coffee_2003@126.com

摘要：汽车整体的零部件数量基本保持在3万个左右 ，这些零部件的功能不一、形状不同、使用的材料和成形方法也各有特色。按成形工艺来分类有：液态金属铸造成形、金属塑性成形、粉末冶金成形、金属焊接成形和塑料件成形等 。通过一些典型零件的成形工艺的研究，将促进我们对材料成形工艺特点的总体把握。

关键词：汽车零部件  材料成形工艺   

1.引言

汽车零部件材料成形工艺种类繁多，通过对其工艺特点的调研分析有利于对材料成形工艺的学习。对照我系汽车零件展示厅对汽车零件的介绍结合生产实习的现场观察后按材料成形工艺类型来对汽车典型零件的成形工艺进行研究，能较全面的反映材汽车零部件料成形的工艺特点和要求。

2液态金属铸造成形

2.1砂型铸造

铸造是液态金属充填型腔成形。凡是要求耐磨、减震、价廉、必须用铸铁制造的零件以及一些形状复杂的零件，几乎只能用铸造工艺来制造。

发动机缸体缸盖的制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一,进而也在很大程度上代表了一个国家汽车工业的发展水平。

在汽车铸造生产中，砂型铸造所产生的铸件占汽车铸件的90%以上。通常发动机缸 体为砂型铸件。因为砂型铸造可以铸出形状复杂、质量和尺寸大的零件此外它的生产效率高。随着铸造技术的提高和汽车轻量化的发展，铸件的壁厚也设计得更小,轿车缸体最小壁厚可达 MM；最大轮廓尺寸为最小壁厚可达 MM。

在这种情况下缸体材料应具有足够的强度、良好的浇铸性、切削性和经济性，因此常用的缸体材料是铸铁、合金铸铁 。蠕墨铸铁件，作为一种发动机新材料，蠕墨铸铁与普通灰口铸铁相比，抗拉强度提高了约75％，弹性模量增加近40％，疲劳强度几乎是灰口铸铁的2倍，用蠕墨铸铁取代灰口铸铁生产的发动机缸体至少可减轻重量10％，同时大大降低了疲劳变形和柴油机的污染物排放量。国外已在大功率柴油机发动机件上普遍采用蠕墨铸铁材料。它具备接近球墨铸铁的强度，有类似普通灰铸铁的防振、导热能力及铸造性能，而又较普通灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能。但在轿车上铝合金缸体材料的使用也越来越普遍，因为铝合金缸体重量轻，导热性良好，冷却液的容量小。

2.2消失模铸造

铝合金材料的选用使发动机乃至整车的重量得到了有效减轻，促进了汽车工业的发展。用消失模铸造工艺来生产铝合金发动机缸盖、进气歧管以改善发动机乃至整车的综合性能并取得了显著的效果。 卡车的齿轮箱和壳体都使用了消失模 铸造。 消失模铸造的基本原理是采用与所需铸件形状完全相同的泡沫塑料模添加合金缩水率后代替铸模行造型，泡沫模样不取出呈实体铸型，浇入金属液使其汽化形成铸件。

消失模铸件的尺寸和形状准确，不用型芯、不用合模、不用取模，免除了庞大复杂的砂处理系统，还消除了普通湿砂型所引起的气孔沙眼等缺陷。

消失模铸件的外观与金属型铸件外观相比是没有优势的。因为铸件的泡沫模样是靠多个泡沫片粘接而成的，其表面有泡沫珠粒融合纹理以及明显的泡沫片粘胶痕迹。但发动机铸件重内在质量和功能的发挥，消失模铸造的优势体现在取代复杂的砂芯并将细小的油路铸出，在铸体的外观上不要求尽善尽美。

2.3金属型铸造

铝合金活塞以及缸盖、进气管要求高的表面质量，现已大量的使用金属型铸造。在成型中为形成铸件的内腔，即可以用抽出活块式金属芯，也可以使用普通砂芯。它冷却速度快，改善了铸件凝固条件，具有激冷效果，使铸件晶粒细化，组织细密，能改善铸件的力学性能且尺寸准确，表面光洁；缺点是金属型寿命短，模具费用高。

2.4液态模锻

液态模锻是加工铝轮毂的常用方法之一。由于凝固在50Mpa以上的压力之下故铸件的组织致密，可防止缩松裂纹等缺陷；由于晶粒细化，可进行淬火处理，力学性能高于其他普通铸件。所以常用于要求力学性能好、致密度要求高的厚壁铝铸件生产中。

3.属塑性成形

金属胚料受外力作用产生塑性变形，以此获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯零件的加工方式称为金属塑性成形，包括锻造、冲压、轧制等工艺方法。

据统计大约60%以上的锻件为汽车工业应用。与机械工业相比，汽车工业更注重锻件的精度、锻件细微结构和中空部位的成型以及最大程度的减轻重量。由于锻件的高强度和高可靠性，汽车的重要零件一直采用锻件作毛坯，典型锻件有发动机的曲轴、连杆，变速箱的齿轮、轴类零件，操纵系统中的轮架、拉杆、转向节零件等。轿车典型锻件的锻造可分两大类，即普通模锻和特种模锻。普通模锻采用小飞边、无飞边工艺在锻锤和热模锻压力机上进行，特种模锻采用楔横轧工艺、摆动辗压工艺和径向锻造工艺。  

3.1.1发动机连杆锻造工艺

汽车发动机连杆锻造工艺主要有两种，一是采用热模锻压力机生产线，二是采用电液模锻锤生产线。前者适用于大批量生产，后者则适应中小批量、多品种生产方式。热模锻压力机生产线采用一模两件的锻造工艺，生产率可高达800-1200件/小时，材料利用率为95%以上。。电液模锻锤生产线生产轿车发动机连杆锻件，采用一模一件的锻造工艺，将棒料剪切成坯料后加热再进行锻造。随着控制技术的发展，电液模椴锤可控制和调整打击能量、打击次数、打击间隔时间等工艺参数，以最佳打击力满足锻件成形的能量要求，不仅能提高锻件的质量，而且延长了模具的寿命。

3.1.2圆盘齿坯锻造工艺

圆盘齿坯是汽车盘类锻件的典型代表，由于数量大，要求采用高精度、高效率、低成本的工艺方法生产。早期的生产工艺采用锻锤、机械压力机、螺旋压力机或热模锻压力机。现在普遍使用高速热镦机自动生产线生产圆盘齿坯最理想的选择。加热的棒料进入高速热镦机后，依次完成毛坯切断、整形、预锻、终锻、冲孔等全部工序，锻件在各工位之间的转送由机械手自动完成。高速热镦机自动生产线可实现真正的毛坯精化，锻件的尺寸、形状接近机加工零件，提高材料利用率并节省机加工工时，锻件具有更理想的金相组织和机械性能，生产率是普通锻造方法的数倍甚至十倍，其综合经济效益是十分显着的。  

3.1.3汽车齿轮轴锻造工艺

汽车齿轮轴是变速箱的重要零件，是典型的汽车轴类件，具有细长和多台阶的特点。楔横轧工艺是高效、节能、节材的新技术，加热的棒料进入楔横轧机，楔横轧模在一个工作循环中对金属连续挤压分布，形成满足形状和尺寸要求的阶梯轴锻件，而且可以用管材作坯料生产空心轴锻件。楔横轧工艺的特点是，一次行程可获得一个或一对零件，生产效率高；金属连续变形、变形力小、模具寿命高；锻件尺寸精度、高加工馀量小、材料利用率高。

3.2车身覆盖件成形工艺

汽车车身外形是由许多轮廓尺寸较大且具有空间曲面形状的覆盖件焊接而成，因此对覆盖件的尺寸精度和表面质量有较高要求。汽车车身一般由外覆盖件、内覆盖件和骨架件组成， 覆盖件的钢板厚度一般为0.8-1.2mm，骨架件的钢板厚度多为1.2-2.5mm，也就是说它们大都为薄板件，常见材料为08AL。采用高强度钢板，既可以减少汽车由 身的质量，又可以提高汽车的安全性和可靠性，含磷深冲压高强度钢板主要应用在车身、驾驶室上的深冲压件，双相钢板其有较低的屈服强度和高的加工硬化能力，比较适宜于制造变形程度大的冲压或拉延深件，含锌、铬的高分子化合物涂层钢板，主要用于防腐蚀要求高和不便于涂装的车身、驾驶室零件。

车身覆盖件要求表面平滑、按线清晰，不允许有皱纹、划伤、拉毛等表面缺陷，此外还要求具有足够的刚性和尺寸稳定性。车身表面质量的好坏取决于覆盖件拉伸的结果，而拉伸模是拉出合格覆盖件的关键。 由于影响拉伸件质量的因索主要是起皱、开裂、拉毛和回弹，所以从编制冲压工艺到模具设计都必须认真考虑。其主要使用的模具类型有拉延模、修边模和翻边模。

拉延模是是保证制成合格覆盖件最主要的装备。其作用是将平板状毛料经过拉延工序使之成型为立体空间工件。修边模用于将拉延件的工艺补充部分和压料凸缘的多余料切除，为翻边和整形准备条件。在小批量生产时，可以用手工和其他简单装备代替。修边模修边往往兼冲孔。翻边模是将半成品工件的一部分材料相对另一部分材料发生翻转，根据翻边的冲压方向不同，翻边模可分为垂直翻边模和水平翻边模两大类。水平翻边（含倾斜翻边）则需要斜楔结构完成翻边成型工作。翻边模也是制成合格覆盖件的必要装备。

4. 粉末冶金成形

汽车进、排气门座,同步器锥环,曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮,机油泵主、从动齿轮,减震器零件,烧结铜合金-钢背双金属轴承大量使用了粉末冶金加工。

4.1粉末冶金工艺的优点有

1）大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。

2）于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本。

3）于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。

4）末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。

5）末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成．

4.2不同类型的零件粉末冶金加工的特点：

发动机正时凸轮轴带轮、典轴带轮、水泵皮带轮等。这类形状较复杂、精度要求较高的零件通常用Fe-C-Cu材料，密度在6.4 ~ 6.8 g/cm3之间。所用原材料通常采用还原铁粉；合金元素通过机械混合形式加入。

变速器同步齿毂、同步环等，这种类型零件具有形状复杂、精度高、硬度强度高等特点，因此综变速箱同步器齿毂合技术难度较高，零件材料相当于DIN标准中的D39。生产该类零件原材料通常采用扩散合金粉的方法，如Distaloy AE、DB-48等。

发动机连杆、变速箱齿环等零件采用粉末锻造法生产，以达到全致密状态，如SGM齿环的密度要求≥7.82g/cm3。生产该类零件的原材料通常采用预合金化的低合金钢粉。虽然这种粉末在常温下压缩性较差，但在热锻条件下，坯件进行热加工后可以达到全致密程度。

高温、高耐磨性的粉末冶金零件汽车发动机的排气阀座等高温、高耐磨性的粉末冶金零件。在恶劣的工况条件下，零件要求具有足够的长寿命、耐磨性，因此对材料性能要求较高，通常选择耐热、耐磨高合金材料，如Fe-C-Cr-Mo-Ni或Fe-C-Cu-Ni-Mo及粉末高速钢材料等。

5.金属焊接成形

接成形具有非常灵活的特点：能以小拼大。焊接件不仅强度与刚度好且质量轻；还可以进行异种材料的焊接，材料利用率高。汽车零件中多采用铸－焊、锻－焊或冲－焊联合工艺，其优点十分明显。

车架、车厢的焊接多采用 保护焊。 保护焊属于MAG焊，它的电弧穿透能力强、生产效率高、材料利用率是焊条电弧焊的1-4倍。 保护焊焊接钢铁材料时焊缝含氢量低，冷裂倾向减小，抗锈能力强。 　　　　　　　　　　　　（罐体焊接缺陷）

汽车覆盖件采用点焊焊接。点焊时两个电机把工件压紧后通电加热，在焊件之间生成熔化核心，断电后并不除去压力，熔化核心冷却后形成熔核将焊件连接上。缝焊实际上是连续的点焊，广泛用于焊接薄壁容器，如水箱、油箱。

6.汽车塑料件加工方法　　　　　　　　　　　　　　

当今，汽车的发展方向是：节约能源、防止环境恶化、改善安全性能。由于塑料的优越特性，在汽车设计中大量采用塑料，不仅可以实现汽车结构轻量化设计，而且可以综合地反映对汽车设计性能的要求，即轻量化、安全、防腐、造型和舒适性等。另外，还有利于降低成本，节约材料资源。 　　　　

塑料在汽车上的应用主要分为三类：内饰件、外装件、功能结构件。外装件：以塑代钢，可减轻汽车重量，达到节能的目的；内饰件：以安全、环保、舒适为应用特徵，用可吸收冲击能量和震动能量的弹性体和发泡塑料制造仪表板、座椅、头枕等制品，以减轻碰撞时对人体的伤害，提高汽车的安全系数；功能结构件：多采用高强度工程塑料，减轻重量，降低成本，简化工艺，如用塑料燃油箱、发动机和底盘上的一些零件。

下面是汽车部分塑料件的材料和加工方法：
零件名称

使用材料

加工方法


保险杠表层

PUR  改性PP  PC

PIM R-RIM注射成形


保险杠内层

PUR  PP  PE

RIM珠粒发泡


保险杠骨架

PP-GMT

冲压成形


散热器格栅

ABS  PC  PMMA  AES  PA

注射成形


装饰件

ABS  PC  PMMA  AES  PA  PBT  

注射成形 SMC模压成形


轮罩

改性PPE  PA

注射成形


仪表板

PP-F  PP-G  ABS  ASG

注射成形 真空吸塑 搪塑


扶手头枕

PVC+PUR  PP

搪塑＋RIM注塑 吹塑成形


座椅垫

PVC

挤出成形


转向盘

PVC+PUR  PVC  PP

注射成形



7.总结

通过本次调研加深对汽车零部件材料成形工艺的认识。工艺方案的制定要紧扣提高质量、增加效率、降低成本的原则。在实际生产中要注意修改成品结构工艺，以降低生产成本，提高质量；改变材料及成形工艺，解决缺乏专用设备的问题；降低废品率，节约工时及原材料消耗。 积极的改进工艺方案，大胆进行技术革新是汽车零部件成形发展的必由之路。

8.参考资料

〔1〕肖生发　刘少康编.汽车工程概论.武汉：湖北人民出版社，2001.9

〔2〕周述积　侯英玮　茅鹏编.材料成形工艺.北京：机械工业出版社，2005.8

〔3〕汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册.北京：人民交通出版社，2001.5

〔4〕叶开平　吴志超编.消失模铸造图片集.武汉：华中科技大学出版社，2006.5

〔5〕罗启全编.铝合金熔炼与铸造.广州：广东科技出版社，2002.9

〔6〕汽车覆盖件的特点和要求　http://www.moldbbs.com/模具设计论坛

〔7〕王春生　浅谈汽车工业中锻压机械的应用　http://www.e-works.net.cn

〔8〕http://www.pm-china.com.cn/index.ycs中国粉末冶金网