新能源汽車擠壓鋁型材擠壓模具案例解析

陳勇慧

（瑞安江南鋁業(yè)有限公司，溫州 325000）

0 前言

隨著環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，全世界對新能源的開發(fā)和倡導(dǎo)使新能源汽車的推廣應(yīng)用迫在眉睫，同時對汽車材料輕量化發(fā)展、鋁合金的安全應(yīng)用及其表面質(zhì)量、尺寸和力學(xué)性能等要求也越來越高[1]。以一臺整車重量為1.6 t的新能源汽車為例，鋁合金的用料大約450 kg，占比約為30%。擠壓生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的表面缺陷，尤其是內(nèi)外表面粗晶問題，嚴(yán)重影響了新能源汽車鋁型材的生產(chǎn)進(jìn)度，成為其應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。對于擠壓型材來講，擠壓模具的設(shè)計與制造是重中之重，所以新能源汽車鋁型材的模具研發(fā)勢在必行。提出科學(xué)合理的模具解決方案，從而進(jìn)一步提高新能源汽車鋁型材合格率和擠壓生產(chǎn)率，才能滿足市場需求。

目前，傳統(tǒng)的擠壓模設(shè)計、制造工藝不能達(dá)到生產(chǎn)合格新能源汽車鋁型材的需求，而國內(nèi)市場對該模具的開發(fā)尚處于起步階段[2]。本公司與多家鋁企業(yè)合作，經(jīng)過數(shù)十次的試驗，開發(fā)了一系列新能源材料。本文介紹了其中一款研發(fā)成功并大批量投入生產(chǎn)的新能源汽車電池組安裝梁鋁型材擠壓模具解決方案，可供大家參考和借鑒。

1 產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）零部件材料、表面處理及防腐按ETS-01-007《鋁合金型材零件技術(shù)要求》、ETS-01-006《陽極氧化表面處理技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

（2）表面處理：陽極氧化，表面不能有粗晶。

（3）零件表面不允許有裂紋、起皺等缺陷。氧化后零件不允許被污染。

（4）產(chǎn)品禁用物質(zhì)滿足Q/JL J160001—2017《汽車零部件和材料禁用、限用物質(zhì)要求》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

（5）力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度≥210 MPa，屈服強(qiáng)度≥180 MPa，斷后伸長率A50≥8%。

（6）新能源汽車鋁合金成分要求如表1所示。

表1 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

新能源汽車配件電池組安裝梁組件尺寸如圖1所示。

圖1 汽車配件電池組安裝梁

2 擠壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對比分析

（1）傳統(tǒng)方案1#即改進(jìn)前擠壓模設(shè)計如圖2所示。按常規(guī)設(shè)計思路，如圖中箭頭指向所示，加工中間筋位處，舌下引流處，上下引流單邊20°，引流高度H15 mm往筋部供鋁水，舌下空刀直角過度，鋁水殘留在拐角處，容易產(chǎn)生死區(qū)存在鋁渣，生產(chǎn)后經(jīng)氧化驗證表面極其容易出現(xiàn)粗晶問題[1]。

圖2 改進(jìn)前的擠壓模具設(shè)計

對該傳統(tǒng)模具制造工藝方案進(jìn)行以下初步優(yōu)化：①在此模具基礎(chǔ)上，嘗試打供料增加筋部的鋁供給量；②在原基礎(chǔ)上加深舌下空刀深度，即在原來的15 mm上再增加5 mm；③舌下空刀寬度在原來14 mm的基礎(chǔ)上加寬2 mm。優(yōu)化后實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 初步優(yōu)化后的擠壓模具結(jié)構(gòu)

驗證結(jié)果表明，通過以上3項初步改進(jìn)后，型材在氧化處理后，粗晶缺陷依然存在，沒有得到合理的解決，這說明本次的初步改進(jìn)前方案仍然不能滿足新能源汽車鋁合金材料生產(chǎn)要求。

（2）在初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上提出新方案2。新方案2#的模具設(shè)計如圖4所示。根據(jù)“金屬流動性原理”和“最小阻力定律”[2]，改進(jìn)后的汽車配件模具2#采用“開背孔”式設(shè)計方案，筋部位置起到直沖作用，減少摩擦阻力；進(jìn)料面設(shè)計成“鍋蓋狀”，橋位加工成幅度型，目的在于減少摩擦阻力，提高融合度，降低擠壓力；盡量沉橋防止橋底產(chǎn)生粗晶問題，橋底舌下空刀寬≤3 mm；公頭工作帶與下模工作帶階差≤1.0 mm；上模舌下空刀順滑，均勻過渡，不留阻流包，盡量直沖成型孔部位；中間內(nèi)筋條處兩公頭之間工作帶盡量短，一般取值為壁厚的1.5～2倍；引流槽過渡平緩，滿足足夠金屬鋁水流進(jìn)型腔，呈充分融合狀態(tài)，各處不留死區(qū)[3](上模后空刀不超2～2.5 mm)。改進(jìn)前后擠壓模具架構(gòu)對比如圖5所示。

圖4 改進(jìn)后2#擠壓模具設(shè)計

（3）注意加工細(xì)節(jié)方面改進(jìn)。橋位打磨接順，上下模工作帶平整，降低變形阻力，改善金屬流動以減小不均勻變形量，能有效抑制粗晶、焊合等問題，從而保證筋出料位置和橋根部快慢與其他部位同步，合理科學(xué)地抑制鋁型材表面粗晶焊合等表面問題。模具引流改進(jìn)前后對比如圖6所示。

3 擠壓工藝

對于新能源汽車6063-T6鋁合金而言，按分流模擠壓比在20～80計算，此鋁材在1 800 t機(jī)擠壓的擠壓比為23，符合該機(jī)臺生產(chǎn)性能需求[4]。擠壓工藝如表2所示。

表2 新能源汽車電池包安裝梁鋁型材擠壓生產(chǎn)工藝

擠壓時注意以下幾點(diǎn)[5]：

（1）禁止在同一個爐內(nèi)模具疊加加熱，否則將導(dǎo)致模具溫度不均、易出現(xiàn)結(jié)晶。

（2）若擠壓過程中出現(xiàn)異常停機(jī)，停機(jī)時間不得超過3 min，否則必須卸模具。

（3）禁止卸模后直接回爐加熱再擠壓。

4 修模措施以及成效

經(jīng)過數(shù)十次的模具修模和試模改進(jìn)，提出以下合理的修模方案。

（1）針對原有1#模具進(jìn)行修正及調(diào)整：①盡量沉橋，橋底寬≤3 mm；②公頭工作帶與下模工作帶階差≤1.0 mm；③不要留阻流包；④內(nèi)筋條處兩公頭之間工作帶盡量短，引流槽過渡平緩，盡量大并光滑；⑤下模工作帶盡量短；⑥各處不留死區(qū)(后空刀不超2 mm)；⑦內(nèi)腔粗晶修上模，外表面粗晶減下模工作帶和打平阻流包，或者不要阻流包，減短下模工作帶[6]。

（2）在上述1#模具的進(jìn)一步修模與改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對2#模具進(jìn)行如下修模：①消除兩公頭死區(qū)；②鏟平阻流包；③減小公頭和下模工作帶落差；④減短下模工作帶。

（3）修模并改進(jìn)后，所得成品表面質(zhì)量達(dá)到理想狀態(tài)，表面光亮，無任何粗晶，極好地解決了此類新能源汽車鋁型材表面存在的粗晶、焊合等缺陷難題。

（4）擠壓量由原來的5 t/d提高到15 t/d，生產(chǎn)效率大大提高。

改進(jìn)前后對比如圖7所示。

圖7 修模改進(jìn)前后結(jié)果對比

5 結(jié)論

通過對原模具反復(fù)優(yōu)化和改進(jìn)，徹底解決了有關(guān)于新能源汽車鋁型材表面粗晶、焊合等一大難題。

（1）對原模具薄弱環(huán)節(jié)--中間筋位線處進(jìn)行合理優(yōu)化，通過消除兩公頭死區(qū)、鏟平阻流包、減小公頭和下模工作帶落差、減短下模工作帶等改進(jìn)措施，成功克服了此類汽車所用6063鋁合金存在的粗晶、焊合等表面缺陷問題。

（2）擠壓量由原來的5 t/d提高到15 t/d，生產(chǎn)效率大大提高。

（3）此擠壓模具設(shè)計與制造成功案例在同類型材生產(chǎn)中具有代表性和參考性，值得推廣。