鎂鋁合金橫梁設計與分析

蔣 軍

(江蘇火星石科技有限公司工程設計中心)

0 引言

隨著電動化在全球汽車行業(yè)內(nèi)普及程度提高，電動汽車在未來有較大可能性占據(jù)主導地位。而電動汽車的重量與行駛里程有著較強的聯(lián)系：據(jù)粗略統(tǒng)計，電動車每減重10 kg，可使里程增加2.5 km，所以輕量化對電動汽車而言非常重要。傳統(tǒng)的儀表板橫梁多采用鋼材，重量較重。目前也有不少企業(yè)采用鋁合金材質(zhì)制造儀表板橫梁，整體可減重20%左右，而采用鎂鋁合金材質(zhì)，更可使減重達到40%以上。目前對采用壓鑄鎂鋁合金工藝制造的儀表板橫梁結(jié)構(gòu)設計與分析研究較少，很多工程師第一次接觸，不了解該工藝該材料，不知道應該如何設計，需注意哪些方面等等。

1 壓鑄鎂鋁合金的性能特點

壓鑄鎂鋁合金橫梁相對于傳統(tǒng)的鋼制橫梁，優(yōu)點明顯：壓鑄鎂鋁合金橫梁具有極好的輕量化特性，壓鑄成型的尺寸相對傳統(tǒng)焊接更加穩(wěn)定，工件后續(xù)切削機加工性優(yōu)良，比強度較好。而壓鑄鎂鋁合金橫梁的缺點主要有：材料熔點低，易燃燒，不易焊接，對應力集中較敏感，撞擊能量超出產(chǎn)品的承受范圍后易直接斷裂。

2 工藝描述及注意事項

壓鑄工藝就是將熔融的合金液體在高壓高速的條件下充滿模具內(nèi)部，并使其在高壓下凝固，冷卻定型，最后取出制品。

鎂鋁合金的壓鑄與其它材料的壓鑄原理相同，工藝上有一些區(qū)別。首先，鎂易燃燒，所以鎂鋁的融化室要求較高，融化室內(nèi)部不能進入氧氣，需充滿惰性氣體或抽真空；其次需先預熱，以消除鎂錠可能殘存的水份，防止發(fā)生濺射；在加料時還要保持鎂合金熔爐內(nèi)熔液溫度不產(chǎn)生大的波動；鎂錠預熱所需要的溫度至少達到150℃或以上；最后相較于傳統(tǒng)的注塑等工藝，壓鑄鎂鋁合金橫梁在注射前，需要噴涂大量的脫模劑，否則由于高溫高壓以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，工件脫模時會拉傷，脫模困難。

表1 不同材料的性能比較

3 設計要求

壓鑄鎂鋁合金儀表板橫梁在結(jié)構(gòu)上大體可分為3 部分：如圖2 所示，主體1 指構(gòu)成橫梁主體的大型連續(xù)面，不含凸凹臺面以及個別向外延伸的小面積支角；延伸支架2 泛指從主體上延伸一截小支架面，多用于給對手件提供安裝面；凸臺、凹坑3 指凸出主體表面或凹陷與主體表面。橫梁結(jié)構(gòu)設計要求及注意事項，主要可以歸納為以下7 個方面。

圖1 某鎂鋁合金壓鑄設備

圖2 某車型鎂鋁合金壓鑄橫梁

3.1 主體

設計儀表板主體的時候，首先要保證相對于傳統(tǒng)的橫梁的主梁位置形成一個寬度至少50 mm，高度至少40 mm的U 形主體結(jié)構(gòu)，如圖3 所示?？山Y(jié)合CAE 分析進行增強，否則橫梁難以滿足整體的模態(tài)、強度要求。

圖3 某車型橫梁主體截面圖

其次，主體的壁厚要基本保持不變，因為鎂鋁合金材料在冷卻收縮時，內(nèi)部各成份的材質(zhì)收縮性不同，會導致料厚突變處產(chǎn)生縮痕、欠注等缺陷。

最后，主體壁厚不得小于2.3 mm，最好在3 mm 以上，壁厚太薄，冷卻時，前端冷卻較快，難以注滿，并容易形成一些冷料紋等缺陷；另外壁厚太薄，影響整體的剛度和強度，不管是運輸還是裝配過程中，很容易碰撞損壞。當然，選擇壓鑄鎂鋁合金主要就是為了減重，所以壁厚如果過厚，則減重不明顯，所以建議主體的最厚的壁厚不大于4 mm，另外從壓鑄工藝、成型工藝方面來說的話，壁厚最大不得大于5 mm，壁厚過大，成型收縮時，易產(chǎn)生收縮不良，影響產(chǎn)品性能。

3.2 延伸支架

延伸支架的設計，如圖4 所示，寬度應當保證在20 mm 以上，壁厚可比主體壁厚增加0.5 mm 左右，長寬比建議在3:1 到5:1 之間。另外需在此基礎上增加翻邊或加強筋增加，否則容易斷裂特別是耐久后更容易斷裂。

圖4 某車型橫梁延伸支架

3.3 凸臺、凹坑

凸臺、凹坑的拔模斜度需單邊到達至少2°，否則容易拉傷；凸臺、凹坑的底部寬度(最窄的一端)與高度比要大于1:5，否則容易成型困難或損傷模芯；如果凸臺、凹坑是四周封閉的，高度建議不大于120 mm，若非封閉的，高度建議在100 mm 以下，否則容易斷裂；凸臺、凹坑的壁厚可以適當?shù)谋戎黧w厚0.5 mm 左右，根部一定要倒圓角，且半徑不得小于1 mm。

圖5 凸臺

圖6 凹坑

圖7 凸臺截面

3.4 缺口、開槽

缺口、開槽設計(見圖8)主要一點就是開口的地方最好增加翻邊，或加厚開口邊緣，否則料流到槽口邊緣時，溫度較低，易在邊緣處特別是圓角處產(chǎn)生裂紋，增加此處的翻邊或料厚，可有效避免此不良現(xiàn)象。另對于一些較小的開口孔或螺栓安裝孔，可不作此方面的要求。

圖8 開口示意圖

圖9 開槽截面圖

3.5 拔模

主脫模方向的拔模角度，不可過小，建議都在2°以上，最小在1.5°以上，另外對于加強筋類，也要平均單邊在1.5°以上。針對一些無法正常出模的安裝孔類，可后期采用機加工處理。

3.6 加強筋

加強筋設計盡量避免十字交叉特別是X 字形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，否則多股料流在交叉處產(chǎn)生紊亂，更容易收縮、欠注。

加強筋的布置要考慮到工藝的脫模影響，不是越多越好，太多會導致產(chǎn)品脫模拉傷、變形。

3.7 連接安裝方式

機加工螺紋孔，可用于對手件的螺栓安裝；對于拆解比較頻繁及力矩較大的，可采用螺牙套，與對手件的螺栓安裝；若與一些塑料件對手件安裝，可以在橫梁開孔，并套上簧片螺母，或可采用拉鉚螺母與對手件安裝。

通過實際車型裝配，總結(jié)如下：對于拆解頻繁的扭矩要求較大的，自攻螺紋孔容易滑絲，建議采用螺牙套及拉鉚螺栓，總體就是盡量少采用機加工的螺紋孔，特別是M6 及以下的螺紋孔，最大破壞扭矩較小，M6 螺紋孔在13 Nm就可能滑絲了。

4 總結(jié)

本文主要分享在設計開發(fā)壓鑄鎂鋁合金儀表板橫梁過程中的經(jīng)驗總結(jié)，未來隨著新能源汽車的普及及輕量化的普及，壓鑄鎂鋁合金CCB(Cross Car Beam，即儀表板橫梁，編者注)的應用會越來越廣泛，也希望未來能有更多此方面的文章分享。