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
隨著能源安全和環(huán)境保護要求日益嚴苛，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。
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?。s2.7g/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。
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]。
（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。
圖1 下車身前艙結(jié)構(gòu)設(shè)計
（4）車身制造工藝性好。由于內(nèi)部氣孔數(shù)量少且尺寸小，通過固溶加過時效處理，零件力學(xué)性能和抗應(yīng)力腐蝕性能均衡。鋁鑄件具有優(yōu)良的連接性能，可以應(yīng)用SPR（自沖鉚接）、FDS（流鉆螺釘）、壓鉚、拉鉚等冷連接工藝，也可以進行MIG、CMT（冷金屬過渡弧焊）等熔焊連接。
圖2 前減震塔結(jié)構(gòu)設(shè)計
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。
（真空壓鑄材料基本力學(xué)性能要求：Rp0.2>120 MPa，Rm>180 MPa，A50>10%）
表1 部分高強韌真空壓鑄鋁合金成分[8]（質(zhì)量分數(shù)，％）
（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)拓撲優(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。
圖3 前扭轉(zhuǎn)盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化
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)做好通風除塵處理，防止鋁粉爆燃隱患。
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)拓撲優(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。
