原標題：擠壓鑄造鋁合金控制臂的開發與生產

摘要：以某量產車型的鋼制下控制臂為研究對象，通過輕量化設計，開發了以鋁合金鑄件為核心的鋼鋁混合結構控制臂，通過擠壓鑄造工藝得到鋁合金鑄件，實現了減重25%的設定目標。設計和試驗表明，鋁合金鑄件為核心的鋼鋁混合結構控制臂能夠滿足下控制臂的使用需求，并大幅度降低質量，滿足整車輕量化的需求。

隨著汽車多功能性需求的上升，電子設備和高品質安全系統等設備不斷增加，導致乘用車重不斷增加。與此同時，在全球范圍內，對于提高燃油效率的要求和排放的法規逐步苛刻。通過提高發動機效率，減小空氣和輪胎滾動阻力，車身小型化以及減輕車身質量都可以實現提高燃油效率和減小排放的目標。基于降低整車質量以實現燃油效率和排放目標是目前最容易實現的技術手段。因而如何降低整車質量成為目前工程開發的熱點之一。鋁合金具有輕量化，比強度高以及耐腐蝕性好等一系列特點，已經被廣泛地應用于前軸和橫梁部件的制造。出于輕量化設計方面的考慮，為減輕質量，通常會改變零件的形狀和尺寸，而這些變化有能引起零件的強度和韌性的變化，并導致零件失效。因此，作為全新設計的輕合金懸掛部件，對結構設計和材料應用予以慎重的考慮，將合適的材料賦予恰當的功能，并經過多輪次的結構拓撲優化分析和成形過程模擬才有可能獲得成功。

本課題以某量產車型的鋼板沖焊下控制臂為輕量化目標，基于鋁合金及鑄造工藝，通過集成化設計，試圖實現輕量化控制臂的開發，以滿足整車輕量化的需求。

1、目標的選取與分析

某量產車型鋼板沖焊下控制臂見圖 1，選取該控制臂作為輕量化開發的目標，以鋁合金鑄件取代原有部件。主要要求如下，鋁合金控制臂的碰撞性能與基準部件相當。鋁合金的絕對強度低于鋼板，但是可以充分利用鑄造工藝過程的優勢，通過結構優化，設置肋板和加強筋的方式保證結構滿足碰撞性能要求；與取代部件相比，更改材料后質量降低20%以上；滿足OEM的耐蝕性要求，與原有鋼制部件的耐蝕性能相當。安裝要求：要求滿足原有的安裝條件，可實現直接替換。在局部結構更改過程中不涉及與其他部件有裝配關系的部分，結構調整后，部件原有裝配關系不變，可實現直接替換裝配；在滿足使用需求和輕量化目標的同時，部件成本增加不超過20%。

圖1:鋼板沖焊下控制臂

隨著整車輕量化的要求，已經有多種鋁合金控制臂投入了批量生產，主要采用鑄造和鍛造兩種工藝方法。盡管鍛造是目前產品力學性能最高的成形方法，但是其生產成本高。與鍛造相比，鑄造是一種相對較為經濟的成形方法。用于控制臂生產的鑄造方法主要有重力鑄造，低壓鑄造，差壓鑄造，擠壓鑄造和半固態鑄造等方法。綜合考慮生產投資，產品性能以及生產效率等因素，選取了與鍛造性能較為接近，工藝穩定性較好的擠壓鑄造工藝作為開發過程中的鑄造成形方法。

2、產品的設計與分析

2.1 產品的概念設計

圖 2為鋁合金控制臂的概念設計方案說明。考慮到擠壓鑄造工藝特點，無法應用砂芯形成空腔結構。決定將原有的空腔結構的鋼板沖焊控制臂改為“H”型結構鋁合金鑄件，通過增加肋板和加強筋來提高鑄件的整體剛度，實現鑄造一次成形，并針對不適于鑄造的部分進行結構更改和連接方式的確認。

圖2:鋁合金控制臂的概念設計方案

圖 2中1處，將控制臂改為鋁合金鑄件后，球頭組件與控制臂的連接方式將由原有的焊接方式改為螺栓連接。為滿足更改后的連接方式，球頭鍛件的結構必須重新進行設計，并通過機械加工完成樣件制作。只允許更改連接部分與球頭相關的部件包括軸，防塵、球碗、卡環、球頭銷，夾子和球套結構則不允許更改。

為保證鑄件的結構完整性，鑄造工藝性能以及鑄件的整體性能，確認將原有沖焊的減震器支座分為兩體設計。減震器主支座改為鋁合金設計，并與控制臂主體完成集成設計。減震器副支座仍然為沖焊結構，在通過對原有部件切割的基礎上增加底座，通過焊接的方式形成組件，組件通過螺栓連接的方式與鋁合金控制臂連接，組件的結構示意見圖 2中2處。在鋁合金控制臂上要設計副支座的安裝限位，保證安裝到位。

圖 2中3處在原有設計中所有部件均為鋼制部件，更改為鋁合金后，軸部位材料為鋁合金，與之配合的是鋼制部件，在通常情況下鋁合金部件不能夠與其發生直接的摩擦配合。考慮有兩種解決方案，其一通常是采用增加鋼制墊片的方式解決鋁制部件與鋼制部件的配合問題，在增加鋼制墊片后，原有設計中軸的尺寸將發生改變，需要重新設計；其二是借用原有的鋼制部件，重新設計連接部分結構，通過螺栓連接實現部件的裝配。

2.2 產品的設計方案

圖 3鋁合金控制臂的設計方案。基于原有沖焊部件設計，無法對原有周邊的裝配環境進行更改，必須仔細考慮原有部件的結構與裝配。總體設計方案是采用集成設計“H”型的鋁合金擠壓控制臂取代原有的上板，下板，連接上板，連接下板，襯套套管和減震器支架形成一個整體控制臂。

圖3:鋁合金控制臂設計方案

圖 3中1處，球頭組件采用原有結構，但取消原有焊接連接方式，在球頭鍛件上增加連接平面設計，通過螺栓連接的方式與控制臂主體連接，在控制臂主體上也相應的設計出連接平面和連接螺栓孔。2處將沖焊結構中控制臂主體中的減震器之間分為兩個部分，主體部分與控制臂為鑄件，其余部分設計為一個鋼板部件，通過螺釘與控制臂主體連接。3處在概念設計中試圖將該部分集成至鋁合金鑄件中，但是在CAE分析中發現，該部分的載荷較大，加之無法對結構進行更改，因而決定保留此部分的鋼制部件，在鋼制部件和控制臂主體上設計出連接結構，然后通過螺栓與控制臂主體連接。4處在原有設計中的高度傳感器支架無法集成入鋁合金鑄件中，所以需維持鋼板部件設計，通過螺釘與控制臂主體連接。

2.3 產品的結構分析

為保證結構分析結果的正確性，獲取了原有鋼板沖焊的控制臂的相關材料信息。原有控制臂由15個不同材料的鋼板部件通過焊接構成。通過相關鋼板標準的查詢，獲取了用于沖焊控制臂制造的不同鋼板材料的屈服強度、斷裂強度、斷后伸長率和楊氏模量，用于CAE對比分析。控制臂共有VERTICAL_BUMP，CORNERING，BRAKIING_REARWARD，MAX_BRAKING，MAX_ACCELERATION，LATERAL_SHOCK，CURB_PUSH 7種工況條件。考慮到擠壓鑄造鋁合金AlSi7Mg-T6的斷裂強度為220 MPa。在分析過程中，要求任何區域內的應力分布不能夠大于200 MPa。對于局部應力集中區域，可參考原有鋼板沖焊設計中的對比應力，確保全新結構設計結構與原有結構進行CAE對比分析時，相同部位鋁合金部件的應力不得超過鋼制部件的1/3。

圖 4為6種工況條件的應力分析結果，發現其應力水平能能夠滿足部件的使用需求。圖 4中VERTICAL_BUMP，MAX_BRAKING和CONERING工況為非破壞工況，其最大應力都未超過200 MPa，經過對高應力部位的分析，主要為應力集中，且位于螺栓孔和減振器支座根部，同時對比了原有鋼制部件同樣位置的應力，其數值未超過鋼制部件同樣位置應力的1/3，故而判定合格。為安全考慮，加大了減振器支座根部的圓角，以便于降低應力集中。

裝配檢查表明，全新設計結構沒有超出原有結構包絡面內，能夠滿足安裝條件。部件在局部結構更改過程中，沒有涉及與其他部件有裝配關系的部分，結構調整后，部件的裝配關系不變，可實現直接替換裝配。據此，確定設計數據。

圖4:6種工況條件下的CAE應力分析結果

2.4 產品設計總結

表 1為原有結構與全新設計結構部件質量對比。通過采用集成控制臂鑄件取代了原有的上板，下板及連接上板等6個部件，并借用原有的連接套管。由表 1中的被替代的鋼制部件和集成鋁合金控制臂質量數據可見，采用鋁合金集成鑄件后，質量下降31%。球頭總成和軸借用了原有結構，但重新設計了連接部分的結構，并采用了螺栓連接方案。

原有設計結構的總質量為4.358 kg，全新設計結構質量為3.268 kg。可見通過應用鋁合金金集成鑄件并借用部分原有結構設計形成的鋼鋁混合結構可以實現部件總成減重25%的效果，實現了預定的減重目標。

表1:原有結構與全新設計結構部件質量對比

3、工藝開發與試制

鋁合金控制臂鑄造工藝的基本設計見圖 5。采用立式擠壓機進行擠壓鑄造生產，澆注系統由料餅和“Y”字型的澆道組成，在鑄件上方設置溢流槽。通過左側的抽芯形成鑄件上與原有結構軸的安裝孔。通過設置抽芯形成在鑄件上部的連接孔，可以通過設置油缸的動作，在開模前插入，或是在充填過程中插入，當作擠壓針，消除鑄造缺陷。控制臂鑄件質量為2.282 kg，控制臂料餅及澆注系統質量為4.250 kg，溢流槽及排氣通道質量為0.660 kg，總質量為7.192kg，工藝出品率為31.7%，工藝出品率偏低。考慮到為試制開發部件，未對工藝出品率進行優化，在實際生產時可以考慮采用一模兩件的方式提高工藝出品率。

圖5:鋁合金控制臂鑄造工藝示意

采用ESI-ProCAST對鑄造過程進行模擬分析，圖 6為不應用局部擠壓和應用局部擠壓兩種方式鑄件缺陷的模擬結果。可以看出，在未應用局部擠壓的情況下，將局部擠壓針插入作為型芯使用；在應用局部擠壓的情況下，局部擠壓針先不插入模具內，待完成充填后，插入模具內，對尚未完成凝固的鑄件進行局部擠壓，消除鑄件內部缺陷。由圖 6a可知，在不應用局部擠壓的情況下，遠離澆口部位以及加強筋部位還存在一定數量的缺陷。由于鑄件凝固順序的原因，無法通過增加保壓時間和增壓壓力的方式消除此類缺陷。通過應用局部擠壓技術，可以有效地消除通過增加保壓時間和增壓壓力無法消除的缺陷，見圖 6b。

圖6:鑄造過程的缺陷模擬分析結果

在臥式擠壓鑄造機（SCH-1000A）上進行鋁合金控制臂生產，模具分為動模和靜模兩個部分。在完成料杯充填以后，活塞自下向上運動，完成金屬熔體的充填。在動模部分通過一個抽芯和一個局部擠壓和抽芯兩用的結構分別形成連接孔和連接軸安裝面處的結構。采用兩種方式進行鑄造生產，其一是無局部擠壓，即擠壓針預先插入模具內作為型芯使用；其二是采用局部增壓，即擠壓針預先不插入模具，原來形成連接孔的部位將被金屬熔體充填，隨后在油缸的作用下，擠壓針插入模具，作用在鑄件上，通過其擠壓作用減少鑄件的缺陷，隨后油缸卸壓，收回擠壓針，打開模具，取出鑄件。圖 7為擠壓鑄造生產的鋁合金控制臂鑄件。

圖7:擠壓鑄造生產的鋁合金控制臂鑄件

受鑄件尺寸和結構的限制，本體取樣時按客戶要求，在多個鑄件上指定位置分別取若干非標試樣（基于GB T 228.1-2010），拉伸試驗結果見圖 8。抗拉強度為293.2 MPa、屈服強度為226.48 MPa、伸長率為9.01%，且全部高于設定值。后期在主機廠進行的臺架試驗、NVH測試、裝車試驗、碰撞試驗、耐久性試驗等多項檢測，全部通過，由此可見擠壓鑄造鋁合金控制臂的性能不低于鋼板沖焊下控制臂，由于涉及關鍵技術，主機廠并未透露相關試驗的具體數據和照片。

圖8:擠壓鑄造控制臂力學性能

圖9為無和有局部擠壓鑄造鑄件的CT照片。由圖9a可見，在無局部擠壓的條件鑄件的安裝孔處出現了明顯的縮松缺陷，通過應用局部擠壓可以消除此類缺陷,見圖9b。需要注意的是，在局部擠壓過程擠壓針的插入深度不僅取決于局部擠壓油缸的壓力，還取決于插入的時間和鑄件的凝固情況。盡管在本課題中通過局部增壓消除了鑄造缺陷，但是擠壓針插入的深度不夠，對于安裝孔的形成貢獻不大，后續還要通過機械加工才能夠完成。

圖9:局部擠壓鑄造對鑄件質量的影響

4、結論

（1）通過結構拓撲優化設計，在原有鋼制控制臂的基礎上開發了輕量化鑄造鋁合金控制臂，實現了減重25%的設定目標，且通過主機廠測試，其他性能未降低。

（2）采用擠壓鑄造工藝完成了鑄件的開發，并引入了局部擠壓技術，有效消除了通過增加保壓時間和增壓壓力無法消除的缺陷，抗拉強度為293.2 MPa、屈服強度為226.48 MPa、伸長率9.01%。

（3）設計和試驗表明，鋁合金鑄件為核心的鋼鋁混合結構控制臂能夠滿足下控制臂的使用需求，并大幅度降低質量，滿足整車輕量化的需求。

作者：

徐世文 劉海峰 李鑫磊 韓星
中信戴卡股份有限公司 工程技術研究院

崔曉鵬
長春工業大學材料科學與工程學院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第08期