新材料与工艺手册

[车身轻量化] 车身铝合金零件关键制造技术和应用现状

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发表于 2020-8-24 10:48:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】车身铝合金零件关键制造技术和应用现状

王涛
(爱驰汽车(上海)股份有限公司,上海 200082)
摘 要:在《中国制造2025》中关于汽车发展的整体规划中强调了轻量化是节能和新能源汽车的核心技术,新材料和新技术的推广应用是汽车轻量化领域的重点工作之一。铝合金是一种综合性能优异的轻质材料,车身轻量化设计非常理想的材料。文章重点介绍了铝合金零件关键制造技术在轻量化车身中的应用,包括真空压铸、型材挤压和板材冲压成形技术。
关键词:铝合金;真空压铸;型材挤压;板材;轻量化

引言
随着能源安全和环境保护要求日益严苛,汽车节能减排已经成为我国汽车产业未来发展的重要策略。在《中国制造2025》关于汽车发展的整体规划中强调了轻量化是节能和新能源汽车的核心技术,汽车轻量化重点工作领域包含推广应用铝合金、镁合金高强度钢塑料及非金属材料以及核心部件的轻量化设计[1]。
铝合金是轻质材料中的佼佼者[2],铝合金汽车零部件在兼顾汽车质量、成本、安全性,可有效减轻整车重量,降低燃油消耗量,增加续航里程。特斯拉Model S采用大量铝合金材料,蔚来ES8铝合金材料应用比例高达96.4%,车身重量仅335kg,全新奥迪A8的用铝量高达58%[3],前后减震塔和扭转盒采用铝合金铸件,前后纵梁采用铝合金型材,地板、前围板等采用铝合金板材。随着中国汽车产业发展和进步,铝合金零件制造、连接和涂装工艺日益成熟,在车身关键零部件得到广泛应用。

1 铝合金轻量化优势
各大主机厂和供应链很早开始探索轻量化车身技术,主要技术路线包括优化车身结构设计、轻质材料选用以及先进制造技术应用等[4]。铝合金作为一种轻质合金,具有良好成形性能、使用性能以及环境友善等优点,车身轻量化潜力巨大。铝合金具有以下几个优势:铝合金材料资源丰富,是地壳中分布最广、储量最多的元素之一;铝合金密度小(约2.7g/cm3),比强度高;铝合金易氧化,表面形成致密氧化膜,耐腐蚀性能好;良好的成形性能,适用于铸造、挤压、锻造和冲压等工艺;较高的吸能性,提高整车碰撞安全性能;易于回收再生,对环境友善[5,6]。由于铝合金这些优点,近些年来铝合金在车身中应用量逐年提高,应用重量排名第二,仅次于钢。

2 铝合金在轻量化车身中的应用
铝合金以真空压铸、型材挤压及板材冲压等形式广泛应用车身零部件开发。本文根据国内某款新能源汽车钢-铝混合车身中铝合金的应用现状,简述车身开发中常见三种铝合金制造工艺技术优势和设计要求。

2.1 铝合金真空压铸技术
真空压铸是通过抽除压铸模具型腔内气体从而消除或减少压铸件内的卷气和气孔等缺陷,显著提高压铸件力学性能和表面质量的先进压铸工艺。真空压铸属于一种高近净成形工艺,具有气孔少,表面质量好,延伸率高,生产效率高等优点。适用于高强度高韧性,复杂薄壁结构件的生产,主要用在结构复杂和关键接头部位[7]。
真空压铸铝合金零件技术优势:
(1)车身轻量化效果显著。充分结合铝合金轻质材料和真空压铸工艺的技术优势,为车身轻量化结构设计提供更多设计思路和方法。如减震塔、前扭转盒及后扭转盒等车身关键结构件,相比传统钢制总成重量可减轻30%-40%。
(2)提高车身整体性能。铝铸件可以应用在结构复杂,能够满足碰撞时多个维度能量传递需求。如下车身前舱模块设计时,如图1(a),应用真空压铸前扭转盒,如图1(b),能够提高前纵梁、门槛梁和前围下横梁的连接强度,碰撞时能够有效的将前纵梁的受力通过“S”型的前扭转盒传递到门槛梁和前横梁上,提高碰撞安全性能。
(3)零件一体化集成设计。传统钢制减震塔总成由5-8个冲压件焊接而成,如图2(a),采用真空压铸仅需一个零件,如图2(b),显著降低零件数量,减少工装一次性投资,总成尺寸精度控制难度降低。

图1 下车身前舱结构设计
(4)车身制造工艺性好。由于内部气孔数量少且尺寸小,通过固溶加过时效处理,零件力学性能和抗应力腐蚀性能均衡。铝铸件具有优良的连接性能,可以应用SPR(自冲铆接)、FDS(流钻螺钉)、压铆、拉铆等冷连接工艺,也可以进行MIG、CMT(冷金属过渡弧焊)等熔焊连接。

图2 前减震塔结构设计
下面结合零件设计实践简述真空压铸铝合金零件结构设计基本要求和优化建议:
(1)铝合金材料的选用。压铸铝合金要求具有良好的流动性、高速填充能力、较小线收缩率、快速冷却和易于脱模的特点,具备良好的热处理性能,常用的铝合金材料如表1所示。AlSi10MgMn是一种非常理想的真空压铸铝合金,可以应用于高应力、高载荷和高韧性的车身结构件。
(真空压铸材料基本力学性能要求:Rp0.2>120 MPa,Rm>180 MPa,A50>10%)
表1 部分高强韧真空压铸铝合金成分[8](质量分数,%)

(2)零件主体壁厚。根据功能及受力工况,零件主体料厚范围为3mm-5mm;加强筋最小壁厚2.5mm,过小壁厚容易造成冷隔、充不满和脱模困难等缺陷。关键受力部位最大料厚不要超过8mm,如果局部料厚过大,容易产生热节,零件内部有缩松、缩孔等缺陷,材料力学性能大幅降低。
(3)零件拔模角。为更容易脱模,拔模角越大越好,一般要求拔模角Ɵ≥3°,加强筋和加强肋板的最小拔模角Ɵ=1°,拔模角过小造成脱模困难,零件表面划伤,模具磨损,寿命降低。为防止铝液对模具冲刷,加强肋板根部拔模角Ɵ≥3°,圆角半径r≥6mm。
(4)零件最小圆角半径。零件内圆角半径r最小等于相邻区域等效料厚,圆角半径过小不利于金属填充和气体排出,小半径尖角局部应力集中开裂,模具磨损过快。
(5)顶针数量和分布优化。保证顶针数量足够且分布均匀,防止零件脱模时因顶针数量不够或分布不均匀造成的零件变形、粘模及顶针处开裂等缺陷产生。
(6)螺纹孔加钢丝螺纹套。对螺栓连接有强度要求及使用时有反复拆装可能时,螺纹孔使用钢丝螺纹套有效增加连接点强度和使用寿命。应用于螺栓连接的返修。
(7)有限元分析优化零件结构:利用结构拓扑优化和安全CAE分析,优化零件料厚、加强筋等关键结构。通过有限元分析优化,前扭转盒通过最大塑性应变有47%降低至17%,如图3所示。

图3 前扭转盒结构优化
随着新能源汽车对轻量化要求越来越高,铝合金真空压铸零件的开发和应用具有非常大的市场。然而我国对高强韧性真空压铸铝合金材料和工艺的研究时间短,与国外先进企业仍有较大差距。为防止国外压铸企业对国内市场的垄断,中国压铸行业应在高强韧铝合金、真空压铸工艺和设备等领域做更多基础和应用研究。

2.2 铝合金型材挤压技术
铝合金挤压型材适用车身中梁类结构件,如图3所示。零件结构设计灵活,便于车型拓展升级。铝合金挤压型材能够成型封闭式复杂截面,有效提高零件刚度和强度。挤压模具开发成本低和周期短,生产效率高,材料利用率高。

图3 铝合金型材在车身的中应用
下面简述铝合金型材在车身及零件系统中应用情况:
(1)零件材料的选用。车身结构件一般对强度和塑性有较高要求,应用最多的材料是6系铝合金,通过热处理强化,综合性能好。前后防撞梁、前后纵梁、门槛梁、座椅横梁等、仪表板骨架(Cross Car Beam,简称CCB)、电池包框架等零件系统多采用6系铝合金,如6082、6063、6061、6003、6005等,对碰撞强度要求较高时多采用6082,对碰撞吸能溃缩变形要求较高时多采用6061、6063,如防撞梁吸能盒和前后纵梁等。铝合金具有良好的散热效果,广泛应用于汽车的热交换系统,如3003,挤压性能优异,可以实现壁厚0.5mm的口琴管的挤压成型。
(2)零件截面设计原则。截面结构尽可能对称;型腔均匀且不能太小,否则挤压成型困难;壁厚不能过薄,圆角尽可能大,便于材料流动,防止挤压缺陷;尽可能采用成熟截面。
(3)零件尺寸精度控制。由于铝合金的弹性模量小,型材变形加工(如拉弯、辊弯等)后回弹比较大,尺寸精度控制困难,尽可能应用平直的结构,避免零件有大曲率弯曲结构,否则成形后需增加整形工艺。时效处理时也会产生热变形。
(4)尽可能采用铆接或低热输入的焊接工艺,如激光焊接和CMT(冷金属过渡焊接)等,防止热变形。

2.3 铝合金板材冲压技术
铝合金板材技术成熟,轻量化效果明显,成本相对较低,在车身中应用广泛。相比较传统钢板,铝合金板材也存在一些缺点,对产品结构设计和制造工艺都产生较大影响。1)屈服强度和抗拉强度低,弹性模量约为钢的三分之一,零件的强度和刚度等性能低,抗凹性差。为保证零件相同性能要求,铝板零件料厚一般较钢板零件增加50%[9]。2)铝合金板材冲压成形性能差,对车身零件结构设计产生较大约束。延伸率和厚向异性系数低,拉延时局部减薄趋势明显,极容易造成缩颈、开裂。3)冲压件回弹严重,对零件设计、冲压生产及零件匹配都提出挑战。4)铝合金硬度低,表面容易划伤,对仓储、生产及物流都提出较高要求。5)需要对钢制零件冲压生产线全面改造。
铝合金板材在车身应用中应该注意的事项和优化措施。
(1)零件材料的选用。车身零件的材料应用主要是5系和6系铝合金。5系铝合金因优良的冲压成形性能,能够成形复杂结构零件,但因冲压时及烘烤后,零件表面容易产生难以消除的斜纹和波纹等面品问题,不能应用于外板类零件。6系铝合金可以通过热处理强化,通过涂装车间烘烤后显著提高零件强度和抗凹性,广泛应用于外表面类冲压件生产。
(2)零件设计应结合功能、性能和制造可行性。零件尽可能对称规整;长条形及平板类零件尽可能布置加强筋,提高零件刚度;圆角半径和拔模角度应适当增大;避免局部结构过于复杂等。
(3)冲压工艺设计时应保证尽可能一次拉延到位,避免二次拉延及整形。
(4)冲压件回弹控制。增加零件自身刚度,优化冲压工艺设计,充分的冲压CAE仿真,预测和补偿回弹,延长模具调试周期。
(5)模具结构设计优化,避免冲压开裂、起皱、变形不充分、双料、压痕、切屑及废料排出困难等冲压常见缺陷。
(6)6系铝合金自然时效,保证料片在进厂3个月内使用,否则影响零件冲压成形性和表面质量。
(7)钢-铝冲压件共线生产时要求冲压生产线具备气刀分张、废料自动分拣回收等功能。
(8)返修车间应做好通风除尘处理,防止铝粉爆燃隐患。

3 总结
采用铝合金真空压铸零件应用车身关键连接件,挤压型材作为车身主体架构,板材冲压件作为车身结构件,结合结构拓扑优化技术,实现了车身零件的薄壁化、中空化及一体化设计,在保证车身强度、刚度、模态、疲劳及安全性能满足设计和使用的前提下,最大限度实现车身轻量化。铝合金在车身的应用也对制造工艺和成本带来挑战,只有综合平衡车身重量、零件成本、制造风险、开发周期等因素,加大对新技术的研发和应用投入,不断创新,才能实现车身轻量化前沿技术的全面突破。
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