汽車鋁擠出門檻制作工藝探究

吳小龍 李鷹 單超

上汽大眾汽車有限公司 上海市 201805

伴隨著全球對于環境保護和燃油消耗的新的要求和保護地球的生態環境，汽車行業將節能減排作為行業發展的重點，同時為了迎合全世界對于環境保護的呼聲，汽車輕量化和新能源被定義為未來整個行業的風向標，在《節能與新能源汽車技術路線圖》中節能汽車的發展目標已經有了明確規定，2020年乘用車新車平均油耗要達到5.0L/100km，車輛輕量化是關鍵節能路徑之一。

鋁合金作為全世界蘊藏量第二大的金屬給主機廠達成輕量化設計指標提供了很好的解決思路。眾所周知，鋁合金密度2.7kg/m3，僅為鐵的1/3，鋁是面心立方結構，故有很好的塑性，易于成型和加工，具有良好的抗腐蝕性能，所以，鋁合金是滿足輕質高強的最好選擇之一。

一般來說，新能源車選用鋁合金作為原材料并通過擠出工藝解決復雜型面零件的一次成型，同時達到輕量化的效果。另一方面，通過選擇不同鋁合金牌號擠壓成復雜截面的型材在整車上承擔著承載和碰撞時型變吸收能量的效果。

1 鋁擠出門檻應用示例

某車型在側圍內板與底板之間的空腔內設計有采用鋁擠出工藝的門檻，如圖1所示。該鋁擠出門檻作為車身最重要的零件在側碰中起到至關重要的作用，在整車一定速度的碰撞之下沖擊變形達到吸收能量的效果，以此來保證乘客的安全，并在新能源車上擔任著保證電池包殼體安全的職責，避免因側碰時底板變形較大導致電池包殼體變形從而擠壓模組產生失效起火等風險。而型材截面的內側加強筋設計以及材料的工藝對碰撞結果起著至關重要的作用。

圖1 鋁擠出門檻應用示例

2 鋁擠出門檻制作過程

鋁擠出的工藝原理是指將加熱到指定溫度的鋁棒放入擠壓筒中，擠壓桿在壓機的作用下，逐步使鋁合金鑄錠發生變形并流入擠壓模模腔中，最終通過模孔，成行出所需型材[1]，如圖2所示。由于鋁擠出零件是鋁棒流過擠壓模模孔形成的，因此其截面形狀由模孔決定，類似于擠牙膏一樣，不同開口決定不同的擠出外型。

門檻零件，作為擠壓型材產品，其制造工藝如圖3所示：

鑄造后的棒料經過鋸切，就可以成為擠壓用的鋁棒。為了使得鋁棒在擠壓過程中材料具有很好的流動性，鋁棒和擠壓模具在擠壓之前還需要進行預加熱，當達到所需溫度后鋁棒進行擠壓成型。成型后的鋁型材需要進行冷卻、校直，以保證鋁型材零件的扭擰度。經過檢測后進行鋸切，并經時效處理，就可以得到所需的鋁型材。

表1為該鋁擠出門檻對于材料化學成分的要求，其中Si和Mg為主要強化元素，Si的含量決定了材料強度，但是過高的Si含量會導致零件延伸率下降，在某些環境下受到外力時材料可能會過早地開裂。Cu的含量和腐蝕、焊接裂紋有著緊密的聯系。Mg是強化項元素，與Si形成Mg2Si[2]。在鑄造合金配比時需要綜合考慮零件強度指標和整車性能，達到一定的平衡點。

同時，為了保證零件的強度和整車的碰撞結果，擠壓工藝及其各個環節的參數至關重要。首先，必須考慮零件型材截面的大小，選擇最適合的擠壓機噸位，其次，為了保證擠壓的一致性和穩定性，從鋁棒的加溫，擠壓模的保溫時間，擠壓筒推進速度等都需要進行嚴格的控制。在擠壓時以盡可能快得的速度將鑄棒擠壓成型材，同時保證型材在通過擠壓出口時超過材料的固溶點溫度。為保證零件的強度，必須用最快的冷卻方式將型材從500多度的高溫降至室溫，常用的冷卻方法包括風冷、水霧冷、水冷。考慮到門檻截面的大小和復雜程度，為了保證材料強度且控制零件的扭擰度，故采用水霧冷卻的方式保證零件尺寸要求并達到設計規定的強度等級。同時，通過微合金化的配方和擠壓工藝的優化將粗晶層控制在較好的范圍之內，最終在腐蝕試驗中取得較好的表現形式。

圖2 鋁擠出工藝原理圖

圖3 鋁擠出門檻制作工藝

表1 鋁門檻材料化學成分定義

3 結語

鋁合金作為完成整車輕量化的指標的優選材料，在整車設計時起到了至關重要的作用。對于承載和碰撞吸能都優于其他材料，特別是在新能源車上對于整車減重，保護電池包殼體，防撞吸能有著卓越的性能，相信未來鋁合金在整車上的使用會大幅提升，成為工程師們的首選。