基本信息
- 项目名称：
- 高性能复杂薄壁镁合金汽车发动机支架
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品为高性能复杂薄壁镁合金汽车发动机支架，在采用微量多元方法成功研发了一种新的高性能镁合金的基础之上，同时利用计算机辅助设计能够优化铸件结构，以确定支架结构的可行性。利用理论计算与计算机数值模拟软设计并优化铸件的浇注系统及压铸工艺参数，并进行了试验验证。利用力学性能试验、压缩试验和无损探伤等手段对铸件性能进行评估，为镁合金在汽车发动机支架上的应用提供试验依据。
- 详细介绍：
- 本作品为高性能复杂薄壁镁合金汽车发动机支架，其主要用于固定发动机，同时减少发动机运行时的震动，是汽车的主要结构件之一。 目前，汽车发动机支架的主要材料是钢和铝合金，难以满足21世纪汽车轻量化、合理化、环保化的要求。而镁合金凭借其密度小，比强度高，比刚度高，减震性能好，优异的铸造、切削加工性能，易于回收利用以及丰富的资源等一系列优点夺得了“21世纪最轻的绿色金属结构材料”的美誉。因此，镁合金作为汽车发动机支架的材料其优越性相当可观（相比钢和铝合金）。然而AZ91、AM60, AM50合金的强韧性偏低，压铸件的缩松较多，致使镁合金在汽车结构件上的应用难以实现。 因此，我们在采用微量多元方法成功研发了一种新的高性能镁合金的基础之上，利用UG造型软件对零件进行建模，根据支架检验标准，采用ANSYS有限元分析软件对支架结构进行分析，以确定支架结构的可行性。利用理论计算与计算机数值模拟软件Anycasting设计并优化铸件的浇注系统及压铸工艺参数，并进行了试验验证。利用力学性能试验、压缩试验和无损探伤等手段对铸件性能进行评估，为镁合金在汽车发动机支架上的应用提供试验依据。 有限元分析结果表明，镁合金发动机支架的结构满足设计要求，在加载条件下，支架四个底座部位变形量较小，其中最大变形量为0.010457mm，最大应力为58.885MPa。通过理论计算结合计算机数值模拟能够设计出合理的发动机支架浇注系统，并通过充型模拟试验确定了合适的排溢系统位置；通过正交模拟试验对支架的压铸工艺参数进行了优化，获得最佳的工艺参数为浇注温度690℃，模具温度220℃，压射速度为4.8m/s。在此工艺参数下，支架成形良好，表面光洁，组织致密，铸件力学性能可以达到：抗拉强度254.44MPa，屈服强度232.71MPa，伸长率为7.33%。压缩试验结果表明，底座最大变形量0.08mm，其满足检测标准要求。剖切试验结果表明，在支架上端厚壁部位存在较小的缩孔缺陷，其模拟结果基本吻合。 本作品的研制和推广，实现了镁合金汽车发动机支架的应用，解决了镁合金难以成为结构件的重大难题；同时，采用计算机模拟辅助优化过程的设计方法，缩短了研发时间，减少了资金消耗，增强了产品开发的技术附加值，冲破了环保制约汽车行业发展的“瓶颈”，最终实现了汽车行业的利益和环保的“共赢”，以此推动汽车行业可持续发展的进程。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 为了推动汽车轻量化进程，实现汽车行业的发展和环保共赢的目标。本作品以汽车发动机支架为研究对象，根据其结构特点及性能要求，利用微量多元合金化技术开发出一种低成本高强韧镁合金（其性能达到：σb≥250MPa，σs≥145MPa，δ5≥10%）。采用有限元分析软件优化铸件结构，并利用计算机数值模拟优化铸件的浇注系统及工艺参数，成功试制出高性能镁合金汽车发动机支架。
科学性、先进性
- 目前，强韧性及制造工艺是制约镁合金在汽车上广泛应用的主要因素。镁合金在汽车上的应用主要是强韧性要求不高且易于压铸成形的非结构件。本作品开发出的高强韧镁合金材料能够满足汽车结构件的性能要求，同时利用计算机辅助设计能够优化铸件结构，浇注系统及工艺参数，缩短产品研发周期，降低试制成本，提高产品开发的可靠性，这些对于开发复杂镁合金汽车结构件具有重要的指导意义。本作品实现了高性能镁合金在汽车结构件上的应用，对加快汽车轻量化进程，实现汽车行业的可持续发展具有划时代意义。同时，镁合金汽车发动机支架的应用也标志着我国镁合金产品正在逐渐由一些室温下强韧性要求不高且易于压铸成形的非结构件向高强韧复杂薄壁结构件方向转型，这对于提高我国镁合金产品的档次，促进我国汽车工业赶超国际先进水平都具有重要的战略意义。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 可以通过“专利权转让”或“专利实施许可”方式进行
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 汽车发动机支架主要用于固定发动机，同时减少发动机运行时的震动，是汽车的主要结构件之一。本作品利用优化的压铸工艺和微量多元合金化的方法，在降低成本的同时增加其强韧性、减震性、抗冲击性能，实现了镁合金汽车发动机支架的应用。在汽车时代的中国，镁合金汽车发动机支架在市场上将会有很大的发展空间。而且按照中国汽车行业发展态势，汽车产量会继续大幅增加，而镁合金发动机支架的节能、环保、经济效益将能更加明显。
同类课题研究水平概述
- 1国外发展动态 近年来，北美、欧洲和日本等发达国家相继出台了各自的镁研究计划，投资数十亿美元，组织联合各方面的研究力量，实施大型的综合性镁合金材料及工艺研究，并取得一批研究成果。美国汽车材料公司和美国能源部在 2001年启动了用于动力系统的镁合金铸件开发课题，目标是开发耐热镁合金以应用于汽车发动机系统，拟开发V6 发动机的缸体，油底盘和前阀盖。德国大众(VW) Passat，Audi A2，A4和A6的镁合金用量达到了14kg。奔驰公司最早将镁合金铸件用于汽车座支架。而 BMW全面使用镁合金轮毂，比铝制品轻3.85kg，同时抗震能力也有很大提高。BMW推出的镁合金发动机，使镁合金在汽车上的应用达到一个新台阶。日本丰田汽车的方向盘加装安全气囊后质量增加，而采用AM60B合金压铸件后，质量比过去的钢制品和铝制品分别减少45%和15%，并降低了转向系统的振动。三菱公司与澳大利亚工业科技部合作，开发出镁合金超轻量发动机。目前日本的各家汽车公司都生产和应用了大量的镁合金壳体类压铸件。 2国内发展动态 我国目前在镁工业方面拥有三项“世界冠军”。第一是镁资源大国，储量居世界首位。在青海盐湖蕴藏着氯化镁32亿吨，硫酸镁16亿吨。在辽宁、山西、宁夏、内蒙、河南等省区菱镁矿均有很大储量，仅辽宁大石桥一带的储量就占世界菱镁矿的60%以上，矿石品位高40%。 目前，国内镁合金在汽车上的应用主要是一些非结构件（如壳体类），其中上海乾通汽车附件公司引进德国技术，为上海大众汽车公司配套生产镁合金变速箱壳体、壳盖铸件；南京华宏有限公司压铸厂生产微型车镁合金变速箱铸件等。目前上汽的桑塔纳轿车使用镁合金量约为8.5kg的变速器外壳，年用镁量达2000t以上，另外镁合金踏板支架压铸件也已开始批量生产供货。目前已正式应用于生产JM1大马力柴油发动机气门室罩盖总体来说，目前镁合金研究几乎都围绕应用中出现的问题，或以应用为背景的基础研究。镁合金在汽车上的应用远远没有达到人们预想的程度，无论从产量还是从质量上与国外工业发达国家相比都存在较大差距。
