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新汽车设计上的轻量铸件

很高兴能在这里发表这篇我们最近为电动和混合动力汽车技术写的一篇文章….

电气化的热潮正在为轻量化、复杂化的铸件创造出激动人心的新应用。此外,传统的发动机设计仍在快速发展,并对浇铸的金属盖和缸体的需求不断增加。因此,铸件制造的创新者用其专业知识的机会正在扩大,创新的设计和制造技术知道如何推动下一代车辆解决方案。格兰杰和沃勒尔的技术总监 Keith Denholm 这样解释到:

电动汽车和混合动力传动的发展并没有像很多第一次预测的那样具有破坏性。事实上,设计的基本原理和铸造缸盖、缸体和传动部件的要求并没有改变。然而,在新的内燃机动力系统的工程中出现了巨大的挑战。

立法改革是这一行业的巨大推动力。现代发动机必须比以往任何时候都具有更高的热效率,并推动复杂铸件和设计的新技术。缩小尺寸具有多种优势,但对传统铸造方法提出了真正的挑战。现实存在的问题意味着壁厚不可能无限量地减少。液态金属的流动性是其冷却速度的一个应变量,所以如果壁很薄,金属液在凝固前无法到达复杂的空间区域。加速充型似乎是一个显而易见的答案,但这样金属液无法稳流,并且很难控制整个浇铸过程。

很细的砂模也会造成问题,因为需要更高质量的铸件来确保疲劳寿命是可以接受的,所以不管零部件更小,更薄,还是需要承受更高载荷,都需要达到要求的疲劳寿命。材料本身就经常需要被检查:用于汽车应用的铝合金通常在200°C以上的性能并不高,在极端情况下,临界发动机可能会超过200°C。

这种压力促使格兰杰和沃勒尔与原始设备制造商更加紧密地合作,在发动机设计上取得质的飞跃;尤其是在高速燃烧、进气口、可变气门控时和冷却废气再循环,以实现百分之40-50范围内的热效率。这都是通过探索新的合金、涂层、工艺和添加剂制造及砂打印技术而实现的。

例如,在高温下运行的发动机不能使用铝合金,我们发现铁和蠕墨合金是一种有效的替代品。考虑到这些材料的重量,这似乎是一个退步,但它们确实让我们为更小巧、更轻便的车辆生产出更小、更完整的整箱发动机。我们还与汽车制造商密切合作,寻找替代传统汽缸钢衬里的方法。这种材料需要很大空间,会让动力系统增加很大的重量。这就是为什么一些小批量的发动机项目使用气缸内径涂层来代替,用来制造更小巧的发动机,在减少摩擦和改善温度控制方面都有潜在的好处。

现代汽车设计

除了推动铸造可能性的极限外,电动和混合动力汽车还有其他领域的设计需要与传统铸造零部件有相同的设计考虑。例如,从现在开始将我们的模具和制造策略应用于电力驱动装置(EDU)的概念,那么下一代电池盒就是另一个重要的领域。在电池盒里,所有的东西都要像在空调房间一样,以确保电池始终保持在合适的温度中。在某些情况下,电池可以通过浸在液体中来控制它们的温度,使用压力密封结构。这些结构是相当大的,因为在只有电池的环境中,不是只有一个电池而已,而是有数千个电池组成。在现代汽车设计中,电池座正在成为汽车内的脚踏板。

我们在这些大型和潜在的重型铸件的工程中起着关键作用,我们生产的样机部件在本质特性上与预期的生产部件非常相似。减少生产一个样机部件的天数意味着上市时间的压力,它与最后部分几乎没有共同之处,因此不再生产这样的样机。样机从原始设备上生产制造,使其尽可能接近批量生产的部件。

“样机” 标签一直存在,因为它是一次成型,所有其实就是字面上的意义。但现在的期望是,你已经做了大量的工作,并在电脑模拟中投入了大量的精力,生产出的这些样机就是可证明的零部件。

样机生产的力量

样机零件的有效工程在新技术和创新设计进入批量生产中发挥着重要作用。

我们的任务就是从样机中复制一个零件,研究此零件在批产状态下如何展现性能和特点。我们必须使性能,壁厚和重量相同,无缺陷,并可以以一种方式进行批量生产。

有时,这意味着在同步工程环境中与客户一起工作,共同创造一个部件,来实现为其设定的所有目标。

我们往往不得不使用无法进行大规模生产的工艺。例如,铸件需要进入批量生产应用时可能需要使用高压金属模工艺铸造。这种模具耗资100万英镑,需要6个月的时间才能完成,那么每个零件的成本效益都会大大提高。

这显然不是我们要做样机的方法,因为我们既没有时间、金钱,也没有确定设计不会改变的把握。

制作一个太好的样机可能会适得其反:如果生产的样机可以撞击墙面,通过所有的测试,这不代表批量生产的部件同样可以通过这些测试,所以样机永远不能用批量生产来复制。

我们必须弄清楚成功是什么样的;如果这是发动机缸体或电力驱动装置传递大量扭矩的能力,这意味着材料在温度下的性能就变得重要,那么这就是一种材料的探讨。但对于电池座来说,它可能完全不同,电池座必须承受侧面冲击,而不是弯曲让液体泄漏出去,或者允许火灾发生。为此,我们必须生产完全不同的合金,并使其功能完全不同。

应用技术

考虑到原始设备制造厂商面临着将新的电动汽车和混合动力车型推向市场的巨大压力,我们正在迅速采用创新的新技术来加快样机的生产,如数字化砂打印制造。这是一种利用喷墨打印系统将沙粒融合在一起的制造工艺。该技术比传统工艺更快、更灵活,目前仅限于样机和定制生产,但在未来有更大的使用潜力。

展望未来,高精度铸造的应用将在新兴的电动汽车和混合动力汽车市场中发挥关键作用。虽然我们正在推动物理和化学的界限,以实现下一代缩小的内燃机,但我们的技术范围已经显著扩大。

我们还可以看到,3D打印、CT扫描和在铸造过程中使用新型材料在电力驱动装置和其他关键结构部件的开发中起着至关重要的作用。显然,铸造在未来的汽车设计中仍有一席之地,但它的改进程度和复杂程度要比以往高得多。

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