新能源汽車用鋁型材擠壓模具設(shè)計技術(shù)

任志剛,王赫男

(1.蘇州沃泰爾精密模具機械有限公司,江蘇 蘇州 215134; 2.蘇州大業(yè)機電技術(shù)有限公司, 江蘇 蘇州 215164)

2022年我國汽車產(chǎn)、銷量分別為2 702.1萬輛和2 686.4萬輛,同比分別增長3.4%和2.1%,創(chuàng)歷史新高,并且再次刷新全球紀錄。其中,乘用車產(chǎn)、銷量為2 383.6萬輛和2 356.3萬輛,同比增長11.2%和9.5%。另外據(jù)有關(guān)部門預計,2023年中國汽車行業(yè)有望實現(xiàn)4%以上的恢復性增長。

汽車保有量的不斷攀升,不僅帶來了能源危機,而且傳統(tǒng)汽車排放的尾氣也給環(huán)境帶來了巨大的危害。我國在“十四五發(fā)展規(guī)劃”中提出了到2030年碳排放達到峰值,2060年實現(xiàn)“碳中和”的減排計劃[1]。使用新能源汽車可以減少有害氣體的排放,降低環(huán)境污染,緩解能源危機。國內(nèi)的各大車企都以此為目標大力研發(fā)新能源汽車。近年來,新能源汽車的發(fā)展如火如荼,是國際國內(nèi)關(guān)注的重點。

研究表明,約75%的油耗與整車重量有關(guān),降低汽車重量就可有效降低油耗及碳排放[2]。目前新能源汽車主要以電動汽車為主,而電動汽車的電池能量密度在短期內(nèi)很難有大的突破,導致電池重量難以減輕。因此,車身輕量化就成了必然的選擇。鋁型材因其密度小、比強度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕以及高導電、高導熱等特點被廣泛應用在新能源汽車上,例如保險杠防撞梁、吸能盒、車門防撞梁、底盤件、車身結(jié)構(gòu)件、油管、導軌、行李架、熱交換器等截面一致且形狀復雜的構(gòu)件等[3]。一臺新能源汽車的平均用鋁材用量在600 kg左右,有的用量大于800 kg,而且用量有上升趨勢。

由于鋁擠壓材截面設(shè)計自由度高,同時滿足了輕量化、比強度高、水冷卻、為新能源汽車車身系統(tǒng)及三電系統(tǒng)(電動機、動力電池和電控系統(tǒng))提供承載和安全保護的要求。新能源汽車車身系統(tǒng)及三電系統(tǒng)所使用的鋁型材結(jié)構(gòu)復雜,公差要求嚴格,尤其在安全性能方面,其要求遠遠高于傳統(tǒng)的門窗幕墻等裝飾性鋁材及其他工業(yè)用鋁型材的要求。例如車身系統(tǒng)門檻梁使用的鋁型材力學性能最低要求:Rm≥290 MPa、Rp0.2≥250 MPa、A≥12%;動力電池托盤使用的鋁型材力學性能最低要求:Rm≥260 MPa、Rp0.2≥240 MPa、A≥8%。如果使用常規(guī)的6063鋁合金生產(chǎn),無法滿足上述要求,需改用強度更高的6005A、6061或者6082等鋁合金生產(chǎn)。但是這些鋁合金的流動性差,可擠壓性低,在擠壓過程中壓力大,所以擠壓速度通常較慢。

在設(shè)計擠壓高強度鋁合金的模具時,需要綜合考慮合金性能及其斷面特點。最終需要達到的效果:模具使用時壓力不高,泄壓要快,擠壓速度不能太慢。合理的擠壓模具結(jié)構(gòu)是提升擠壓速度的基礎(chǔ)。

1 擠壓模具設(shè)計技術(shù)

經(jīng)過多年的擠壓模具設(shè)計、制造及擠壓生產(chǎn)實踐,作者總結(jié)出一套汽車用鋁型材擠壓模具的設(shè)計經(jīng)驗。

1.1 擠壓機臺及模具規(guī)格的確定

1)擠壓機臺的確定

一般而言,大米重的型材配備大噸位的擠壓機擠壓,型材的米重每增加0.5 kg～0.6 kg,鑄錠直徑就需要提高25 mm。另外,擠壓模具設(shè)計在選定機臺時,需控制型材的擠壓比在20～60之間,以保證擠壓力適中,并且擠出滿足力學性能需求的制品。

2)模具規(guī)格的確定

根據(jù)經(jīng)驗,通常采用一種相對較簡單的方式確定模具的直徑,即模具的直徑為型材外接圓直徑的兩倍,能夠保證模具的整體強度滿足使用要求。

3)專用墊的使用

若模具有容易彈性變形的懸臂部分,需要使用專用墊。專用墊的支撐作用可以有效地降低模具的彈性變形,保證型材的尺寸穩(wěn)定。

1.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對擠壓時可能出現(xiàn)擠壓力大、擠壓速度慢、模具彈性變形嚴重等問題,在設(shè)計模具時需要保證擠壓速度及型材的尺寸穩(wěn)定,具體應從分流孔、分流橋、焊合室、工作帶等方面入手。

1.2.1分流孔的設(shè)計

為了減少模具內(nèi)部橫向焊合壓力,分流孔的設(shè)計需要根據(jù)型材斷面的形狀來布局,遵循擠壓時金屬流動均勻性原則。橫向焊合壓力過大,兩根圓鑄錠的交接料會很長,擠壓成品率降低,而新能源汽車用鋁型材不允許有交接料的存在,所以應當減輕橫向焊合壓力。另外,分流橋?qū)挾葢M量一致(見圖1),這樣可保證分流橋受力均勻,同時減少圓鑄錠在擠壓過程中的阻力。

圖1 橋?qū)捯恢碌姆至骺撞季謭DFig.1 Portholes with bridges of the same width

1.2.2分流橋強度設(shè)計

分流橋的強度直接決定了模具的壽命高低。上模厚度過長會導致擠壓時壓力大,造成擠壓速度無法提升且模具內(nèi)部的殘鋁多;厚度過薄則強度不夠,擠壓時極易裂橋。

經(jīng)過多年的摸索,橋厚與橋墩跨度比值為0.6～0.7,上模的厚度計算公式為

L上模=(0.6-0.7)L橋墩

式中:

L上模—上模有效厚度;

L橋墩—指橋墩的最大跨度。

當設(shè)計需要快速擠壓的模具時,分流模上模厚度盡量取下限。

1.2.3橋的入口設(shè)計

橋的入口盡量設(shè)計為“鍋底”形狀,目的是使分流橋逐步受壓(見圖2)。

圖2 分流橋進料面“鍋底”示意圖Fig.2 A general view of the pot-bottom in feeding surface

橋的進料面要設(shè)計為圓弧結(jié)構(gòu)(如圖3所示),以減少分切鋁棒時的阻力。

圖3 分流橋進料面加工圓弧示意圖Fig.3 Arc-shaped bridge in feeding surface

1.2.4焊合室設(shè)計

焊合室的設(shè)計深度通常取上限,并使用二級焊合,保證擠壓型材力學性能。二級焊合還可以提高供料的穩(wěn)定性,減少焊合室內(nèi)的殘鋁。一級焊合室與二級焊合室交接處圓滑過渡,以減少鋁合金流動時對分流橋造成的橫向壓力及鋁流死區(qū)。

1.2.5工作帶的設(shè)計

工作帶的長度一般取壁厚的1～2倍,擠壓時,流速快處取上限,流速慢處取下限。在傳統(tǒng)的設(shè)計中,工作帶一般取壁厚的3～4倍。對于汽車型材的模具設(shè)計,工作帶要短,以減小摩擦力,提高擠壓速度。減小型材表面粗糙度,減少型材粗晶缺陷。圖4為工作帶的取值示例。

圖4 工作帶長度及對應的型材壁厚分布Fig.4 The length of the bearing and the corresponding thickness of the profile

1.3 模具材料

模具材料建議用1.2367模具鋼和4Cr5MoSiV1(H13鋼)。

1.2367模具鋼中w(Mo)=2.7%～3.3%,w(Si)=0.3%～0.5%。Mo可提高韌性,Si增加脆性。相對于常用的H13鋼,1.2367模具鋼的紅韌性更好,建議作為擠壓6005A、6061、6082或者7×××系等高強鋁合金上模的鋼材。

H13鋼是常規(guī)的擠壓模具鋼材,w(Mo)=1.1%～1.5%,w(V)=0.8%～1.1%,w(Si)=0.8%～1.2%,韌性及耐磨性都兼具,綜合性能較好。擠壓6063鋁合金模具的上模及擠壓所有材質(zhì)的下模都建議使用H13鋼。

1.4 模具硬度

模具各處熱處理后的硬度控制在50HRC～51HRC之間,單套模具各處硬度差異需控制在0.5HRC以內(nèi)。

1.5 模具保養(yǎng)

1.5.1上模

隨著氮化次數(shù)的增加,模具表面的脆性增大。在擠壓過程中,上模承受了大部分的擠壓力,脆性太大就容易產(chǎn)生裂紋,裂紋一旦擴展,就會因裂橋、芯頭斷裂等原因造成模具報廢。故應減少上模的氮化次數(shù),建議上模氮化2～3次。

1.5.2下模

一般模具在首次使用時,擠壓20根圓鑄錠就應進行第一次氮化,之后每擠壓80～100根圓鑄錠后就要再次氮化。

2 優(yōu)化案例

2.1 型材

圖5所示為歐洲某汽車廠考核供應商的測試型材。鋁型材供應商將測試型材提供給主機廠,進行力學性能及壓潰試驗,試驗合格后鋁型材供應商才能進入汽車廠的合格供應商系統(tǒng)。該型材合金牌號為6005A,斷面積1284 mm2,米重為3.5 kg/m。采用2.75 MN擠壓機擠壓,擠壓比為32,鑄錠溫度460 ℃,模具溫度480 ℃。模具配套專用墊,防止擠壓時下模發(fā)生彈性變形,并在專用墊上設(shè)計氮氣冷卻槽。

圖5 新能源汽車測試型材斷面Fig.5 Section view of the test profile for new energy vehicles

因6005A鋁合金的流動性較差,可擠壓性偏低,擠壓過程中壓力大,要保證力學性能達標且壓潰實驗能達到a級的要求,擠壓速度需要達到15 m/min以上。要達到這樣的快速擠壓,需要對擠壓模具的設(shè)計結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,才能實現(xiàn)快速擠壓。

2.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

2.2.1傳統(tǒng)設(shè)計方案

圖6為傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu),7個分流孔,上模厚度130 mm,焊合室深25 mm。該設(shè)計的優(yōu)點為模具強度高,擠壓過程中模具彈性變形較小,出材尺寸穩(wěn)定,力學性能全部達標。缺點是上模厚度偏厚,擠壓力偏高(突破壓力235 MPa,泄壓后190 MPa),無法提速。對擠出的型材進行壓潰試驗,試驗中拐角處出現(xiàn)裂紋,裂紋長度不小于15 mm,只能過c級。圖7為模具實物圖。

圖6 傳統(tǒng)設(shè)計方案Fig.6 Traditional design of the mold

圖7 傳統(tǒng)方案模具實物圖Fig.7 The mold designed in traditional way

2.2.2國外設(shè)計方案

圖8為歐洲某擠壓模具公司設(shè)計方案,9個分流孔,上模厚度120 mm,焊合室深24 mm(二級焊合室深6 mm)。實物圖見圖9。該設(shè)計的特點是分流橋融合點未置于型材的拐角處,設(shè)計二級焊合利于型材的焊合,穩(wěn)定模具內(nèi)部的鋁流供應,力學性能全部達標。缺點是分流孔面積小,有二級焊合室,擠壓時橫向焊合增多,壓力偏高(突破壓力230 MPa,泄壓后170 MPa),擠壓后段壁厚尺寸偏差達到0.15 mm。進行壓潰試驗,只有70%的型材能達到壓潰試驗a級。

圖8 歐洲Wilke模具公司方案Fig.8 Design by European mold company Wilke

圖9 國外方案模具實物圖Fig.9 The mold of foreign solutions

2.2.3公司改良方案

前兩個方案模具上機壓力均較大,壓力大意味著橫向焊合性能較差,壓潰試驗中會產(chǎn)生裂紋。我公司著重從泄壓的角度對模具進行改良。圖10為改良方案,9個分流孔,上模厚度110 mm,焊合室深度25 mm(二級焊合室深5 mm)。相較于之前的兩個方案,上模有效厚度變薄,縮短了圓鑄錠的行程,減少了圓鑄錠與模具之間的摩擦,降低了壓力。橋?qū)捰芍暗?5 mm(傳統(tǒng)方案)、26 mm(國外方案)改窄為22 mm。另外,進料口做成了“鍋底”形狀,橋的進料面設(shè)計為圓弧結(jié)構(gòu),降低擠壓力,實物見圖11。

圖10 我司改進后設(shè)計方案Fig.10 Improved design by our company

圖11 改進后模具圖Fig.11 Improved mold

該設(shè)計方案分流橋融合點避開了型材拐角處,因上模減薄了20 mm,擠壓過程中壓力不高(突破壓力195 MPa,泄壓后150 MPa),且尺寸穩(wěn)定，擠壓速度達到18 m/min。之后再進行型材力學性能測試和壓潰試驗。

2.3 力學性能及壓潰測試

力學性能及壓潰試驗要求:力學性能要求:Rm≥260 MPa,Rp0.2≥240 MPa,A≥10%(以保證短期熱穩(wěn)定性及長期熱穩(wěn)定性)。

1)壓潰要求:測試件長度200 mm,壓縮速度100 mm/min,下壓距離120 mm,壓縮方向為軸向。

合格為三個等級:

a級-形成完整且有規(guī)律的折皺,表面輕度粗糙,無開裂。

b級-形成完整且有規(guī)律的折皺,表面中度粗糙,有開裂,但開裂滿足以下要求:裂紋在折皺接觸位置產(chǎn)生,裂紋長度不大于15 mm。

c級-形成完整且有規(guī)律的折皺,裂紋在型材截面幾何形狀的拐角處產(chǎn)生。

合格的三個等級示例見圖12。

圖12 壓潰試驗合格的三個等級標準圖示Fig.12 Three acceptable quality levels in the collapse test

2.3.1力學性能測試

取三段型材,第一段為供貨狀態(tài),即不做熱穩(wěn)定處理,另外兩段分別做短期熱穩(wěn)定處理(205 ℃1 h)和長期熱穩(wěn)定處理(150 ℃1 000 h),模擬高溫狀態(tài)下型材的工作狀態(tài)。之后按圖13在每段型材上割取三段試片,尺寸見表1。

表1 測試試片尺寸Table 1 Dimension of the test sample

圖13 力學性能測試取樣位置Fig.13 Sampling locations for mechanical property testing

取樣后分別進行拉伸試驗,力學性能測試結(jié)果見表2。由表2可見,型材力學性能符合客戶要求。

表2 力學性能測試結(jié)果Table 2 Result of the mechanical property test

2.3.2壓潰試驗

參照標準TL116對試樣進行壓潰試驗,最終試驗得到的結(jié)果如表3所示。

表3 壓潰測試結(jié)果及放大圖Table 3 Result of the collapse test and enlarged details

由表3可見,試驗料樣形成完整且有規(guī)律的折皺,均無開裂,可判定為a級。

3 結(jié) 論

1)擠壓高強度鋁合金型材,模具設(shè)計主要考慮減壓快速擠壓,主要從以下幾方面入手:根據(jù)供料需求設(shè)置分流孔的大小,上模有效厚度取橋墩距離的0.6～0.7倍,進料做“鍋底”形狀且倒圓弧。做二級焊合室,工作帶盡量取短,為壁厚的1～2倍。

2)對于擠壓偏硬的鋁合金,上模鋼材建議選用1.2367模具鋼,擠壓6063材質(zhì)模具的上模及擠壓所有材質(zhì)的下模建議使用4Cr5MoSiV1(H13鋼)。

3)硬度控制在50HRC～51HRC之間,單套模具各處硬度差異需控制在0.5度以內(nèi)。

4)對于擠壓偏硬的汽車用鋁型材的模具,其上模的氮化次數(shù)應盡量減少,建議氮化2～3次。對于下模,建議首次擠壓20根圓鑄錠進行第一次氮化,之后每擠壓80～100根圓鑄錠后再氮化。

5)在實際改善案例中,通過更改分流孔的擺放,縮短橋?qū)?進料橋位改成“鍋底”狀,單個橋位加工為全圓弧,能有效地降低擠壓時的突破壓力和穩(wěn)定階段的壓力。

6)利用上文中的設(shè)計優(yōu)化方法可以顯著改善擠出型材的焊合性能,最終擠出的產(chǎn)品的力學性能全部符合要求,壓潰試驗達到了a級。