汽車輕量化鋁合金應(yīng)用概述

方圓 王琳琳 間德海 宋清和

摘要：本文概述汽車輕量化的途徑和意義，闡述鋁合金在汽車輕量化的重要作用，通過懸掛支架的開發(fā)過程，明確鋁合金壓鑄制品可以滿足汽車輕量化需求，同時(shí)運(yùn)用CAE軟件達(dá)到批量合格的效果。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化、鋁合金、模具、CAE

1. 前言：

汽車輕量化是一個(gè)完整的概念，是指汽車在保持原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能不降低，及汽車本身造價(jià)不被提高的前提下，有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量。汽車輕量化的概念應(yīng)從以下三個(gè)方面來闡明。首先是對于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化是降低重量而保持原功能不變，其輕量化的效果是直接減重。其次是輕量化是完善功能而保持質(zhì)量不變，如改進(jìn)汽車的動力學(xué)性能、操縱穩(wěn)定性、提高汽車的剛度和安全性等。第三是汽車輕量化既要提高和改進(jìn)性能，同時(shí)也使汽車減重。汽車的輕量化的設(shè)計(jì)實(shí)際上是功能改進(jìn)，質(zhì)量降低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理價(jià)格的結(jié)合[1-3]。

2. 汽車輕量化途徑

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目前主要有兩個(gè)途徑，一是新材料應(yīng)用：主要是采用輕量化材料和輕量化材料成型技術(shù)，以達(dá)到減輕零部件重量的目的。二是輕量化設(shè)計(jì)：使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對車身零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等[4]。

輕量化材料產(chǎn)業(yè)是汽車輕量化實(shí)施和發(fā)展的基礎(chǔ)和條件保證。在汽車中，一般家庭用車用材構(gòu)成為：鋼為54%，鑄鐵為10%，塑料為8%，鋁合金為8% 鎂合金為1% 橡膠玻璃為7%，其他為12%[6]。從家庭轎車用材的構(gòu)成中可以看出，鋼鐵材料仍然是乘用車的基本構(gòu)成材料，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，它仍然具有不可替代的作用。其次是鋁合金，塑料復(fù)合材料，然后是鎂合金[5]。

3. 鋁合金材料在輕量化領(lǐng)域的意義

在汽車輕量化的用材中，這四種材料是輕量化的基本材料。應(yīng)該說，鋁合金是既提升汽車性能又是滿足某些法規(guī)要求的輕量化材料，鋁合金材料與鋁鎂合金材料的選擇和工藝優(yōu)化是新能源汽車輕量化關(guān)鍵因素之一，也是本課題的研究價(jià)值所在。

鋁合金的比重只有2.68g/cm3，僅 為鋼的30%，在等彎曲剛度的條件下，鋁對鋼的厚度比為1.43，在等彎曲剛度的條件下，鋁的減重的潛力是49%，在等彎曲強(qiáng)度的情況下，鋁對鋼減重的潛力是38。

4. 汽車用鋁合金的種類

鋁合金在汽車中的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的市場和應(yīng)用基礎(chǔ)，而鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用也為國內(nèi)整個(gè)汽車行業(yè)的技術(shù)升級提供了條件。鋁合金在汽車中的應(yīng)用形式有：鋁合金鍛件（一些結(jié)構(gòu)件，如懸架支架以及鋁合金車輪等，即在汽車中要求強(qiáng)度較高的結(jié)構(gòu)件和疲勞件），模鑄件和金屬模鑄件（主要有轎車車輪、各類殼體，發(fā)動機(jī)的缸體缸蓋等零件），鋁合金擠壓和拉延產(chǎn)品（制作各類車身結(jié)構(gòu)件和公交車輛結(jié)構(gòu)件的鋁合金型材）等等。

5. 輕量化壓鑄技術(shù)在企業(yè)中的實(shí)施舉例

本課題以大連亞明汽車部件股份有限公司的底盤懸掛支架為例，闡明輕量化鋁合金壓鑄技術(shù)實(shí)施方案。大連亞明汽車部件股份有限公司是國內(nèi)最早從事汽車零部件鋁合金壓鑄企業(yè)之一，其技術(shù)在行業(yè)內(nèi)久負(fù)盛名。該公司具有強(qiáng)烈的品牌價(jià)值，一直是國內(nèi)壓鑄行業(yè)50強(qiáng)，多次進(jìn)入壓鑄行業(yè)前20強(qiáng)。懸掛支架的原材料為新型壓鑄鋁合金AlSi10MnMg，因其具有良好的壓鑄工藝性，密度小，抗蝕性良好，從而其鑄件在汽車、航空、儀表中得到廣泛的應(yīng)用。

5.1 懸掛支架可行性分析

材料及設(shè)備分析：本產(chǎn)品主要部件BEV支架為AlSI10MnMg由萬泰鋁業(yè)有限公司提供原材料，制造采用力勁集團(tuán)900T臥式冷室壓鑄機(jī)壓鑄，其壓射合模力為900噸?？商峁┒壐咚賶荷渌俣?m/s，設(shè)備液壓系統(tǒng)16Mp，壓鑄島周邊配備真空機(jī)、自動切邊機(jī)，加工部位只有幾個(gè)螺紋孔的點(diǎn)位加工，利用公司目前具備的普通數(shù)控加工中心即可滿足。

生產(chǎn)能力方面：發(fā)動機(jī)懸掛支架壓鑄節(jié)拍為80秒，每模2件，一天3個(gè)班次預(yù)計(jì)生產(chǎn)1400件，根據(jù)產(chǎn)能，各需要1套壓鑄模具和設(shè)備。此產(chǎn)品在整個(gè)生產(chǎn)過程中瓶頸工序?yàn)闄C(jī)械加工，生產(chǎn)節(jié)拍為120秒/每件，匹配壓鑄工藝需要3套工裝。

經(jīng)濟(jì)上的可行性分析： 預(yù)計(jì)投入壓鑄模具需投資74萬人民幣、壓鑄機(jī)120萬元;3套夾具30萬人民幣、加工中心120萬元，檢驗(yàn)檢具需投資15萬人民幣;批量供貨后，每年銷售額600萬元，供貨期10年，經(jīng)濟(jì)上可行。

5.2 壓鑄工藝方案分析

壓鑄工藝方案的制定是本項(xiàng)目成敗關(guān)鍵因素之一，壓鑄模具是材料成型領(lǐng)域三大核心技術(shù)之一，利用現(xiàn)代的先進(jìn)CAE技術(shù)模擬分析澆注系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓鑄工藝澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的合理布局。

該項(xiàng)目零件投影面290cm2，由于為承載交變循環(huán)應(yīng)力，其內(nèi)部組織要求致密。選取壓射比壓80Mp，零件凈重1Kg，選用9000KN的臥式冷室壓鑄機(jī)。

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為每模2件，布局該鑄件的澆注系統(tǒng)、排氣和排渣系統(tǒng)，確定分型面，檢測零件局部壁厚并針對該澆注系統(tǒng)模擬分析。計(jì)算并設(shè)計(jì)料缸料缸內(nèi)徑90mm，有效長度755mm，料柄厚度30mm。

采用ANYcasting鑄造模擬分析軟件，劃分網(wǎng)格數(shù)1500萬，設(shè)定分析結(jié)束條件為填充并凝固結(jié)束，初始條件和材料設(shè)定650 ℃，模擬分析結(jié)果可知在填從第0.65秒，鋁液以較低的速度接近澆口，填充第0.85秒基本填充完畢。渣設(shè)計(jì)于填充的末端，并在渣包后跟隨排氣槽，滿足鑄件排渣排氣的要求，整個(gè)填充過程鑄件循序填充;填充末端溢溜槽布置基本合理，能輔助末端氣體的排出。型腔局部卷氣現(xiàn)象，需要增加真空輔助排氣。

由速度分析與凝固分析可知，總體速度整個(gè)填充過程中內(nèi)澆口速度保持在35 m/s，小于壓力鑄造的上限速度于60 m/s，在填充過程不會對模具產(chǎn)生過大的沖擊，能較好的避免紊流卷氣狀態(tài);同時(shí)凝固分析明顯看出在螺栓孔附近局部厚大區(qū)域最后凝固，在該位置需要增加高壓點(diǎn)冷卻水，提高冷卻速度，降低縮孔缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

由上可知：整個(gè)填充過程比較平穩(wěn)，最后填充部位在距離澆口的最遠(yuǎn)端，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布置合理;填充末端溢溜槽布置合理，能輔助末端氣體的排出，局部卷氣需要抽真空設(shè)備;整個(gè)填充過程中內(nèi)澆口速度基本在35 m/s左右，內(nèi)澆口截面積設(shè)計(jì)合理;鑄件個(gè)別部位由于溫度高，收縮過程中可能會形成縮孔，該部位增加局部冷卻;

根據(jù)模擬分析的結(jié)果，開發(fā)壓鑄模具試生產(chǎn)得到帶有澆注系統(tǒng)的合格鑄件實(shí)物。

6. 結(jié)論：

（1）采用鋁合金制品替代鑄鐵、剛才能有效的降低整車質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化，并且滿足質(zhì)量需要;

（2）輕量化鑄造技術(shù)實(shí)施的過程中需要綜合考慮時(shí)間、質(zhì)量、成本的相互關(guān)系，項(xiàng)目開發(fā)前期階段需要可行性分析和里程碑計(jì)劃;

（3）運(yùn)用CAE技術(shù)，確定發(fā)動機(jī)懸掛支架的澆鑄系統(tǒng)，合理布局澆道、渣包和排氣系統(tǒng)，不僅能保證鑄件的質(zhì)量，同時(shí)縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

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