車身鋁合金零件關(guān)鍵制造技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀

王濤

摘 要：在《中國制造2025》中關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中強調(diào)了輕量化是節(jié)能和新能源汽車的核心技術(shù)，新材料和新技術(shù)的推廣應(yīng)用是汽車輕量化領(lǐng)域的重點工作之一。鋁合金是一種綜合性能優(yōu)異的輕質(zhì)材料，車身輕量化設(shè)計非常理想的材料。文章重點介紹了鋁合金零件關(guān)鍵制造技術(shù)在輕量化車身中的應(yīng)用，包括真空壓鑄、型材擠壓和板材沖壓成形技術(shù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;真空壓鑄;型材擠壓;板材;輕量化

Abstract： Lightweight is the core technology of energy-saving and new energy vehicle， is emphasized in the overall plan for automotive development in “Made in China 2025”， the promotion and application of new materials and technologies is one of the key tasks in the field of automotive lightweight. Aluminum is an excellent lightweight material for automotive body design. This article focuses on the application of key manufacturing technologies for aluminum alloy parts in light -weight bodywork， including vacuum die casting， profile extrusion and sheet stamping.

引言

隨著能源安全和環(huán)境保護要求日益嚴(yán)苛，汽車節(jié)能減排已經(jīng)成為我國汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要策略。在《中國制造2025》關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中強調(diào)了輕量化是節(jié)能和新能源汽車的核心技術(shù)，汽車輕量化重點工作領(lǐng)域包含推廣應(yīng)用鋁合金、鎂合金、高強度鋼、塑料及非金屬材料以及核心部件的輕量化設(shè)計[1]。

鋁合金是輕質(zhì)材料中的佼佼者[2]，鋁合金汽車零部件在兼顧汽車質(zhì)量、成本、安全性，可有效減輕整車重量，降低燃油消耗量，增加續(xù)航里程。特斯拉Model S采用大量鋁合金材料，蔚來ES8鋁合金材料應(yīng)用比例高達96.4%，車身重量僅335kg，全新奧迪A8的用鋁量高達58%[3]，前后減震塔和扭轉(zhuǎn)盒采用鋁合金鑄件，前后縱梁采用鋁合金型材，地板、前圍板等采用鋁合金板材。隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和進步，鋁合金零件制造、連接和涂裝工藝日益成熟，在車身關(guān)鍵零部件得到廣泛應(yīng)用。

1 鋁合金輕量化優(yōu)勢

各大主機廠和供應(yīng)鏈很早開始探索輕量化車身技術(shù)，主要技術(shù)路線包括優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕質(zhì)材料選用以及先進制造技術(shù)應(yīng)用等[4]。鋁合金作為一種輕質(zhì)合金，具有良好成形性能、使用性能以及環(huán)境友善等優(yōu)點，車身輕量化潛力巨大。鋁合金具有以下幾個優(yōu)勢：鋁合金材料資源豐富，是地殼中分布最廣、儲量最多的元素之一;鋁合金密度小（約2.7g/cm3），比強度高;鋁合金易氧化，表面形成致密氧化膜，耐腐蝕性能好;良好的成形性能，適用于鑄造、擠壓、鍛造和沖壓等工藝;較高的吸能性，提高整車碰撞安全性能;易于回收再生，對環(huán)境友善[5，6]。由于鋁合金這些優(yōu)點，近些年來鋁合金在車身中應(yīng)用量逐年提高，應(yīng)用重量排名第二，僅次于鋼。

2 鋁合金在輕量化車身中的應(yīng)用

鋁合金以真空壓鑄、型材擠壓及板材沖壓等形式廣泛應(yīng)用車身零部件開發(fā)。本文根據(jù)國內(nèi)某款新能源汽車鋼-鋁混合車身中鋁合金的應(yīng)用現(xiàn)狀，簡述車身開發(fā)中常見三種鋁合金制造工藝技術(shù)優(yōu)勢和設(shè)計要求。

2.1 鋁合金真空壓鑄技術(shù)

真空壓鑄是通過抽除壓鑄模具型腔內(nèi)氣體從而消除或減少壓鑄件內(nèi)的卷氣和氣孔等缺陷，顯著提高壓鑄件力學(xué)性能和表面質(zhì)量的先進壓鑄工藝。真空壓鑄屬于一種高近凈成形工藝，具有氣孔少，表面質(zhì)量好，延伸率高，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。適用于高強度高韌性，復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，主要用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和關(guān)鍵接頭部位[7]。

真空壓鑄鋁合金零件技術(shù)優(yōu)勢：

（1）車身輕量化效果顯著。充分結(jié)合鋁合金輕質(zhì)材料和真空壓鑄工藝的技術(shù)優(yōu)勢，為車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更多設(shè)計思路和方法。如減震塔、前扭轉(zhuǎn)盒及后扭轉(zhuǎn)盒等車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，相比傳統(tǒng)鋼制總成重量可減輕30%-40%。

（2）提高車身整體性能。鋁鑄件可以應(yīng)用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠滿足碰撞時多個維度能量傳遞需求。如下車身前艙模塊設(shè)計時，如圖1（a），應(yīng)用真空壓鑄前扭轉(zhuǎn)盒，如圖1（b），能夠提高前縱梁、門檻梁和前圍下橫梁的連接強度，碰撞時能夠有效的將前縱梁的受力通過“S”型的前扭轉(zhuǎn)盒傳遞到門檻梁和前橫梁上，提高碰撞安全性能。

（3）零件一體化集成設(shè)計。傳統(tǒng)鋼制減震塔總成由5-8個沖壓件焊接而成，如圖2（a），采用真空壓鑄僅需一個零件，如圖2（b），顯著降低零件數(shù)量，減少工裝一次性投資，總成尺寸精度控制難度降低。

下面結(jié)合零件設(shè)計實踐簡述真空壓鑄鋁合金零件結(jié)構(gòu)設(shè)計基本要求和優(yōu)化建議：

（1）鋁合金材料的選用。壓鑄鋁合金要求具有良好的流動性、高速填充能力、較小線收縮率、快速冷卻和易于脫模的特點，具備良好的熱處理性能，常用的鋁合金材料如表1所示。AlSi10MgMn是一種非常理想的真空壓鑄鋁合金，可以應(yīng)用于高應(yīng)力、高載荷和高韌性的車身結(jié)構(gòu)件。

（2）零件主體壁厚。根據(jù)功能及受力工況，零件主體料厚范圍為3mm-5mm;加強筋最小壁厚2.5mm，過小壁厚容易造成冷隔、充不滿和脫模困難等缺陷。關(guān)鍵受力部位最大料厚不要超過8mm，如果局部料厚過大，容易產(chǎn)生熱節(jié)，零件內(nèi)部有縮松、縮孔等缺陷，材料力學(xué)性能大幅降低。

（3）零件拔模角。為更容易脫模，拔模角越大越好，一般要求拔模角？≥3°，加強筋和加強肋板的最小拔模角？=1°，拔模角過小造成脫模困難，零件表面劃傷，模具磨損，壽命降低。為防止鋁液對模具沖刷，加強肋板根部拔模角？≥3°，圓角半徑r≥6mm。

（4）零件最小圓角半徑。零件內(nèi)圓角半徑r最小等于相鄰區(qū)域等效料厚，圓角半徑過小不利于金屬填充和氣體排出，小半徑尖角局部應(yīng)力集中開裂，模具磨損過快。

（5）頂針數(shù)量和分布優(yōu)化。保證頂針數(shù)量足夠且分布均勻，防止零件脫模時因頂針數(shù)量不夠或分布不均勻造成的零件變形、粘模及頂針處開裂等缺陷產(chǎn)生。

（6）螺紋孔加鋼絲螺紋套。對螺栓連接有強度要求及使用時有反復(fù)拆裝可能時，螺紋孔使用鋼絲螺紋套有效增加連接點強度和使用壽命。應(yīng)用于螺栓連接的返修。

（7）有限元分析優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)：利用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和安全CAE分析，優(yōu)化零件料厚、加強筋等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。通過有限元分析優(yōu)化，前扭轉(zhuǎn)盒通過最大塑性應(yīng)變有47%降低至17%，如圖3所示。

隨著新能源汽車對輕量化要求越來越高，鋁合金真空壓鑄零件的開發(fā)和應(yīng)用具有非常大的市場。然而我國對高強韌性真空壓鑄鋁合金材料和工藝的研究時間短，與國外先進企業(yè)仍有較大差距。為防止國外壓鑄企業(yè)對國內(nèi)市場的壟斷，中國壓鑄行業(yè)應(yīng)在高強韌鋁合金、真空壓鑄工藝和設(shè)備等領(lǐng)域做更多基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

2.2 鋁合金型材擠壓技術(shù)

鋁合金擠壓型材適用車身中梁類結(jié)構(gòu)件，如圖3所示。零件結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，便于車型拓展升級。鋁合金擠壓型材能夠成型封閉式復(fù)雜截面，有效提高零件剛度和強度。擠壓模具開發(fā)成本低和周期短，生產(chǎn)效率高，材料利用率高。

下面簡述鋁合金型材在車身及零件系統(tǒng)中應(yīng)用情況：

（1）零件材料的選用。車身結(jié)構(gòu)件一般對強度和塑性有較高要求，應(yīng)用最多的材料是6系鋁合金，通過熱處理強化，綜合性能好。前后防撞梁、前后縱梁、門檻梁、座椅橫梁等、儀表板骨架（Cross Car Beam，簡稱CCB）、電池包框架等零件系統(tǒng)多采用6系鋁合金，如6082、6063、6061、6003、6005等，對碰撞強度要求較高時多采用6082，對碰撞吸能潰縮變形要求較高時多采用6061、6063，如防撞梁吸能盒和前后縱梁等。鋁合金具有良好的散熱效果，廣泛應(yīng)用于汽車的熱交換系統(tǒng)，如3003，擠壓性能優(yōu)異，可以實現(xiàn)壁厚0.5mm的口琴管的擠壓成型。

（2）零件截面設(shè)計原則。截面結(jié)構(gòu)盡可能對稱;型腔均勻且不能太小，否則擠壓成型困難;壁厚不能過薄，圓角盡可能大，便于材料流動，防止擠壓缺陷;盡可能采用成熟截面。

（3）零件尺寸精度控制。由于鋁合金的彈性模量小，型材變形加工（如拉彎、輥彎等）后回彈比較大，尺寸精度控制困難，盡可能應(yīng)用平直的結(jié)構(gòu)，避免零件有大曲率彎曲結(jié)構(gòu)，否則成形后需增加整形工藝。時效處理時也會產(chǎn)生熱變形。

（4）盡可能采用鉚接或低熱輸入的焊接工藝，如激光焊接和CMT（冷金屬過渡焊接）等，防止熱變形。

2.3 鋁合金板材沖壓技術(shù)

鋁合金板材技術(shù)成熟，輕量化效果明顯，成本相對較低，在車身中應(yīng)用廣泛。相比較傳統(tǒng)鋼板，鋁合金板材也存在一些缺點，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝都產(chǎn)生較大影響。1）屈服強度和抗拉強度低，彈性模量約為鋼的三分之一，零件的強度和剛度等性能低，抗凹性差。為保證零件相同性能要求，鋁板零件料厚一般較鋼板零件增加50%[9]。2）鋁合金板材沖壓成形性能差，對車身零件結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生較大約束。延伸率和厚向異性系數(shù)低，拉延時局部減薄趨勢明顯，極容易造成縮頸、開裂。3）沖壓件回彈嚴(yán)重，對零件設(shè)計、沖壓生產(chǎn)及零件匹配都提出挑戰(zhàn)。4）鋁合金硬度低，表面容易劃傷，對倉儲、生產(chǎn)及物流都提出較高要求。5）需要對鋼制零件沖壓生產(chǎn)線全面改造。

鋁合金板材在車身應(yīng)用中應(yīng)該注意的事項和優(yōu)化措施。

（1）零件材料的選用。車身零件的材料應(yīng)用主要是5系和6系鋁合金。5系鋁合金因優(yōu)良的沖壓成形性能，能夠成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，但因沖壓時及烘烤后，零件表面容易產(chǎn)生難以消除的斜紋和波紋等面品問題，不能應(yīng)用于外板類零件。6系鋁合金可以通過熱處理強化，通過涂裝車間烘烤后顯著提高零件強度和抗凹性，廣泛應(yīng)用于外表面類沖壓件生產(chǎn)。

（2）零件設(shè)計應(yīng)結(jié)合功能、性能和制造可行性。零件盡可能對稱規(guī)整;長條形及平板類零件盡可能布置加強筋，提高零件剛度;圓角半徑和拔模角度應(yīng)適當(dāng)增大;避免局部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜等。

（3）沖壓工藝設(shè)計時應(yīng)保證盡可能一次拉延到位，避免二次拉延及整形。

（4）沖壓件回彈控制。增加零件自身剛度，優(yōu)化沖壓工藝設(shè)計，充分的沖壓CAE仿真，預(yù)測和補償回彈，延長模具調(diào)試周期。

（5）模具結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，避免沖壓開裂、起皺、變形不充分、雙料、壓痕、切屑及廢料排出困難等沖壓常見缺陷。

（6）6系鋁合金自然時效，保證料片在進廠3個月內(nèi)使用，否則影響零件沖壓成形性和表面質(zhì)量。

（7）鋼-鋁沖壓件共線生產(chǎn)時要求沖壓生產(chǎn)線具備氣刀分張、廢料自動分揀回收等功能。

（8）返修車間應(yīng)做好通風(fēng)除塵處理，防止鋁粉爆燃隱患。

3 總結(jié)

采用鋁合金真空壓鑄零件應(yīng)用車身關(guān)鍵連接件，擠壓型材作為車身主體架構(gòu)，板材沖壓件作為車身結(jié)構(gòu)件，結(jié)合結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了車身零件的薄壁化、中空化及一體化設(shè)計，在保證車身強度、剛度、模態(tài)、疲勞及安全性能滿足設(shè)計和使用的前提下，最大限度實現(xiàn)車身輕量化。鋁合金在車身的應(yīng)用也對制造工藝和成本帶來挑戰(zhàn)，只有綜合平衡車身重量、零件成本、制造風(fēng)險、開發(fā)周期等因素，加大對新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用投入，不斷創(chuàng)新，才能實現(xiàn)車身輕量化前沿技術(shù)的全面突破。

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