一、 历史背景

随着汽车工业的飞速发展, 汽车的速度越来越快,外形越来越漂亮,内部装饰越来越复杂多样,内在的科技含量越来越高。方向盘也发生了不小的变化。镁合金是最轻的金属结构材料,具有比强度高,阻尼、吸震及降噪性能优越,铸造成形、机加工和表面装饰性能好,易回收等优点。镁合金应用于方向盘可实现轻量化,又可降低路面和控制系统的震动,同时发生意外时,镁合金方向盘可吸收更多能量,保证驾驶员安全,因此具有低碳钢、工程塑料等传统方向盘无法比拟的性能优势。因此, 利用镁合金取代钢铁、铝合金等其他传统材料制造汽车方向盘骨架,将是一种必然的趋势。

二、 技术方案

1. 合金材料选用

以铝作为主要合金化元素,随着含铝量的减少,合金的韧性逐渐增加,因此,低铝型AM 系列镁合金比较适合于方向盘等安全部件。但是,随着铝含量的降低,一定程度上降低了合金的铸造性,所以,在选择能够达到所需力学性能的合金时,应确保较高的含铝量以保证其铸造性,因此,选用具有较高强度和良好韧性同时具有一定铸造性能的AM60 作为该方向盘的材料。

根据从网上搜索到的资料分析,该系列镁合金力学性能良好,弹性模量E 可达到45 GPa ,泊松比ε为0. 35 ,抗拉强度σb≥200MPa,屈服强度σs≥130MPa,延伸率δ≥6%(50mm标距)。在重量上,比传统铁、铝合金在材料减轻30%以上;镁合金方向盘的工艺合格率与铝合金方向盘相当,达到85%以上;性能完全符合方向盘的要求。

2. 零件图

3. 模型设计及制造工艺

方向盘主要承受因扭转而产生的交变应力。根据方向盘力学性能试验标准要求,静扭破坏力矩应大于300 N ·m , 方向盘本体结构应以有限元分析得到的方向盘再设计三维结构数据模型为基础。

压铸成型过程具有高压力和高速度充型的特点,可以压铸壁薄、形状复杂以及具有很小孔和螺纹的铸件,还可压铸镶嵌件,压铸件的强度和表面硬度较高,是生产镁合金零部件有效方法。

针对方向盘的整体结构,结合镁合金本体材料疲劳性能对内在缺陷非常敏感的特点,对新材料结构的成形工艺因素进行分析,在获得最佳性能结构的同时获得能确保铸件质量的最佳工艺结构及工艺参数组合,满足构件对铸件内在质量及相关疲劳性能的需求,为实现新材料在方向盘上的合理应用奠定生产基础。针对上述情况,根据压铸工艺要求,初步设计方向盘压铸模浇注系统。镁合金压铸成型技术主要包括镁合金熔化及保护、压铸设计、工艺过程控制,承力零部件的后续热处理等。

用数值模拟软件对设计的压铸工艺方案进行压铸过程模拟,通过对充型过程、凝固过程及压铸过程中铸造缺陷进行分析,进一步优化方向盘浇注、排溢系统和工艺参数组合。最终的方案为生产出品质优良的方向盘压铸件提供重要的参考。可利用现有普通冷压室压铸机生产镁合金压铸件。

充型温度为700 ℃,压铸模温度为220 ℃,冲头速度为2. 34 m/ s 时,能够获得理想的方向盘骨架。按照计算工艺优化结果试生产出了合格的AM60 镁合金方向盘骨架。采用万能试验机测试了方向盘骨架的疲劳性能及力学性能。结果表明,其平均疲劳寿命达到了11 万次,抗拉强度为220 MPa ,伸长率为5 %。

4. 镁合金方向盘骨架的试制及性能测试

按照Flow23D 的模拟结果,采用优化的工艺参数,在8 000 kN 压铸机上对方向盘进行了试生产,获得了合格的产品。对所生产的AM60 镁合金方向盘骨架在万能方向盘测试仪上进行了疲劳性能测试。测试时将方向盘中心固定, 在轮缘处的垂直方向反复施加±250 kN的力,直到方向盘断裂,所测得的循环次数即为方向盘骨架的疲劳寿命。所生产的方向盘骨架的疲劳寿命平均为11 万次,其断裂位置见图4 ,而企业标准为10 万次,说明方向盘骨架的疲劳性能已达到了企业要求。

图4

图5 为方向盘骨架疲劳断口的宏观及微观组织

从图5a 中可以看出,疲劳裂纹产生于轮缘的外侧,这是由于方向盘骨架在凝固过程中,由于轮缘外侧安放有较多的集渣包,因此其相对于轮缘内侧最后凝固,因此缺陷相对较多,这是疲劳裂纹源产生于轮缘外侧的可能原因。而轮缘断裂位置是其在加载过程中受到交替的拉、压应力最大的部位。图5b 为疲劳裂纹扩展区,具有典型的疲劳辉纹特征。疲劳瞬断区见图5c ,显示出穿晶断裂特征。图5d 为断口区域的疏松组织照片,从图5d中可知,在疲劳断口上存在疏松组织,这是由于在压铸过程中压力波动所引起的。对方向盘骨架进行了力学性能测试,抗拉强度为220 MPa ,伸长率为5 %。虽然取样位置不同,但测试结果显示其力学性能区别不大,这说明了方向盘骨架经过计算工艺优化后的压铸组织比较均匀。

三、 市场预测及价格分析

据国外预测,未来汽车都将安装安全气囊。因镁合金方向盘轻、减震和安全。汽车安装安全气囊后,几乎所有汽车都要100%地换成镁合金方向盘。因私人轿车需求的增加和西部大开发等原因,今后几年对汽车总需求量的平均增长率为10%左右。

利用镁合金取代钢铁、铝合金等其他传统材料制造汽车方向盘骨架,建成镁合金压铸汽车方向盘生产线。采用一片压铸工艺,可以减低生产成本。