汽車輕量化鋁合金應用概述

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過程，明確鋁合金壓鑄制品可以滿足汽車輕量化需求，同時運用CAE軟件達到批量合格的效果。

關鍵詞：汽車輕量化、鋁合金、模具、CAE

1. 前言：

汽車輕量化是一個完整的概念，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，及汽車本身造價不被提高的前提下，有目標地減輕汽車自身的重量。汽車輕量化的概念應從以下三個方面來闡明。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量不變，如改進汽車的動力學性能、操縱穩定性、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性能，同時也使汽車減重。汽車的輕量化的設計實際上是功能改進，質量降低，結構優化和合理價格的結合[1-3]。

2. 汽車輕量化途徑

實現汽車輕量化目前主要有兩個途徑，一是新材料應用：主要是采用輕量化材料和輕量化材料成型技術，以達到減輕零部件重量的目的。二是輕量化設計：使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對車身零部件進行結構和工藝改進等[4]。

輕量化材料產業是汽車輕量化實施和發展的基礎和條件保證。在汽車中，一般家庭用車用材構成為：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成中可以看出，鋼鐵材料仍然是乘用車的基本構成材料，在相當一段時間內，它仍然具有不可替代的作用。其次是鋁合金，塑料復合材料，然后是鎂合金[5]。

3. 鋁合金材料在輕量化領域的意義

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

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用提供了一個很好的市場和應用基礎，而鋁合金在汽車工業中的應用也為國內整個汽車行業的技術升級提供了條件。鋁合金在汽車中的應用形式有：鋁合金鍛件（一些結構件，如懸架支架以及鋁合金車輪等，即在汽車中要求強度較高的結構件和疲勞件），模鑄件和金屬模鑄件（主要有轎車車輪、各類殼體，發動機的缸體缸蓋等零件），鋁合金擠壓和拉延產品（制作各類車身結構件和公交車輛結構件的鋁合金型材）等等。

5. 輕量化壓鑄技術在企業中的實施舉例

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實施方案。大連亞明汽車部件股份有限公司是國內最早從事汽車零部件鋁合金壓鑄企業之一，其技術在行業內久負盛名。該公司具有強烈的品牌價值，一直是國內壓鑄行業50強，多次進入壓鑄行業前20強。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用。

5.1 懸掛支架可行性分析

材料及設備分析：本產品主要部件BEV支架為AlSI10MnMg由萬泰鋁業有限公司提供原材料，制造采用力勁集團900T臥式冷室壓鑄機壓鑄，其壓射合模力為900噸。可提供二級高速壓射速度6m/s，設備液壓系統16Mp，壓鑄島周邊配備真空機、自動切邊機，加工部位只有幾個螺紋孔的點位加工，利用公司目前具備的普通數控加工中心即可滿足。

生產能力方面：發動機懸掛支架壓鑄節拍為80秒，每模2件，一天3個班次預計生產1400件，根據產能，各需要1套壓鑄模具和設備。此產品在整個生產過程中瓶頸工序為機械加工，生產節拍為120秒/每件，匹配壓鑄工藝需要3套工裝。

經濟上的可行性分析： 預計投入壓鑄模具需投資74萬人民幣、壓鑄機120萬元;3套夾具30萬人民幣、加工中心120萬元，檢驗檢具需投資15萬人民幣;批量供貨后，每年銷售額600萬元，供貨期10年，經濟上可行。

5.2 壓鑄工藝方案分析

壓鑄工藝方案的制定是本項目成敗關鍵因素之一，壓鑄模具是材料成型領域三大核心技術之一，利用現代的先進CAE技術模擬分析澆注系統，實現壓鑄工藝澆注系統、排氣系統、溢流系統、冷卻系統的合理布局。

該項目零件投影面290cm2，由于為承載交變循環應力，其內部組織要求致密。選取壓射比壓80Mp，零件凈重1Kg，選用9000KN的臥式冷室壓鑄機。

澆注系統設計方案為每模2件，布局該鑄件的澆注系統、排氣和排渣系統，確定分型面，檢測零件局部壁厚并針對該澆注系統模擬分析。計算并設計料缸料缸內徑90mm，有效長度755mm，料柄厚度30mm。

采用ANYcasting鑄造模擬分析軟件，劃分網格數1500萬，設定分析結束條件為填充并凝固結束，初始條件和材料設定650 ℃，模擬分析結果可知在填從第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。渣設計于填充的末端，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，總體速度整個填充過程中內澆口速度保持在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生過大的沖擊，能較好的避免紊流卷氣狀態;同時凝固分析明顯看出在螺栓孔附近局部厚大區域最后凝固，在該位置需要增加高壓點冷卻水，提高冷卻速度，降低縮孔缺陷的風險。

由上可知：整個填充過程比較平穩，最后填充部位在距離澆口的最遠端，澆注系統設計、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備;整個填充過程中內澆口速度基本在35 m/s左右，內澆口截面積設計合理;鑄件個別部位由于溫度高，收縮過程中可能會形成縮孔，該部位增加局部冷卻;

根據模擬分析的結果，開發壓鑄模具試生產得到帶有澆注系統的合格鑄件實物。

6. 結論：

（1）采用鋁合金制品替代鑄鐵、剛才能有效的降低整車質量，實現輕量化，并且滿足質量需要;

（2）輕量化鑄造技術實施的過程中需要綜合考慮時間、質量、成本的相互關系，項目開發前期階段需要可行性分析和里程碑計劃;

（3）運用CAE技術，確定發動機懸掛支架的澆鑄系統，合理布局澆道、渣包和排氣系統，不僅能保證鑄件的質量，同時縮短開發周期，降低開發成本。

參考文獻：

[1]吳道俊. 車輛疲勞耐久性分析、試驗與優化關鍵技術研究[D].合肥工業大學，2012.

[2]吳寶貴. 基于仿真分析的復雜機械產品多學科設計優化方法研究[D].大連理工大學，2008.

[3]唐見茂.新能源汽車輕量化材料[J].新型工業化，2016，6（01）：1-14.

[4]張文毓，侯世忠. 汽車用新材料應用進展[A]. 中國汽車會議網.2012MADE汽車內外飾產品開發及新材料應用研討會論文集[C].中國汽車會議網：上海雷尼會展服務有限公司，2012：8.