鋁合金型材擠壓技術(shù)在新能源乘用車上的應(yīng)用

摘 要：鋁合金材料因其密度較小、耐腐蝕性極佳，逐漸成為汽車行業(yè)應(yīng)用材料的首選，在汽車工業(yè)應(yīng)用技術(shù)及其廣泛。主要研究了鋁合金型材擠壓技術(shù)在新能源乘用車上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車； 輕量化； 鋁合金；型材；擠壓

在地殼中，鋁元素的蘊(yùn)藏量占比約為7.73%，僅次于氧、硅，超過了蘊(yùn)藏量4.75%的鐵，是地殼中含量最多的金屬元素。由于鋁的化學(xué)活動(dòng)性比較強(qiáng)，冶煉提取技術(shù)限制，被人類發(fā)現(xiàn)與開發(fā)應(yīng)用上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鐵。

隨著金屬冶煉工藝的技術(shù)升級(jí)，與成形技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，鋁合金產(chǎn)品的加工制造成本在不斷降低，工業(yè)化應(yīng)用前景日益廣泛。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，汽車作為基本交通工具進(jìn)入千家萬戶，汽車保有量的遞增帶來的環(huán)境污染問題、能源危機(jī)也日益突出。健康與可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能、減排，已經(jīng)成為汽車行業(yè)材料工藝的研究方向。鋁合金材料因其密度較小、耐腐蝕性極佳，逐漸成為汽車行業(yè)應(yīng)用材料的首選。

鋁合金在汽車工業(yè)應(yīng)用技術(shù)及其廣泛，本文主要是研究鋁合金型材擠壓技術(shù)在新能源乘用車上的應(yīng)用。

材料優(yōu)勢(shì)

鋁合金的密度小（2.70g/cm3），約為鐵合金（7.86g/cm3）的1/3；吸收沖擊載荷是鋼鐵的2倍；鋁熔點(diǎn)660℃，不到鐵的1/2（1539℃），熔煉成本相對(duì)較低。

鋁合金材料具有良好的抗腐蝕性能，節(jié)省了昂貴的表面處理與防腐成本。通過添加合金元素與硬化工藝，可以改善鋁合金材料的強(qiáng)度和硬度。目前已知強(qiáng)度最高的鋁合金7Y69，屈服強(qiáng)度超過870MPa，抗拉強(qiáng)度超過910MPa。

行業(yè)應(yīng)用

在汽車行業(yè)推廣與應(yīng)用鋁合金材料，主要目的為替代鋼材，實(shí)現(xiàn)輕量化。據(jù)研究數(shù)據(jù)，全世界鋁合金材料的12%～15%用于汽車制造工業(yè)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)超過了25%。鋼材與鋁合金材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，生產(chǎn)鋼鋁材料混合連接的車身是汽車行業(yè)，尤其是新能源乘用車的發(fā)展趨勢(shì)。

鋁合金材料在汽車工業(yè)主要通過鑄造技術(shù)、沖壓成形、擠壓成形以及3D打印等工藝實(shí)現(xiàn)。

工藝技術(shù)原理

鋁合金擠壓成形的原理類似于擠牙膏過程，屬于鋁合金擠壓成形，屬于熱加工成形工藝（見圖1），首先鋁棒預(yù)熱，接著進(jìn)入擠壓室成形，然后冷卻，依據(jù)產(chǎn)品特性按需經(jīng)歷校直、切割分離等輔助工序，最后時(shí)效強(qiáng)化處理。

鋁合金型材新能源乘用車保險(xiǎn)杠防撞梁及其擠壓模具如圖2所示。加熱后的原材料（鋁棒）在壓力作用下，通過擠壓模具的模芯和?？字g的間隙流出，從而形成滿足尺寸及性能要求的空心等截面型材。

在汽車工業(yè)，擠壓成形技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)車身沖壓工藝，制品自成封閉斷面結(jié)構(gòu)，工藝流程集中，因而尺寸一致性優(yōu)良且表面外觀質(zhì)量穩(wěn)定，在新能源汽車領(lǐng)域，越來越受到設(shè)計(jì)工程師的青睞與首選。

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.塑性優(yōu)勢(shì)

擠壓成形技術(shù)最大限度改善材料的塑性變形能力。純鋁的擠壓比（擠壓系數(shù)）可達(dá)500，純銅的擠壓比可達(dá)400，鋼的擠壓比可達(dá)40～50。

擠壓比λ，是指原材料鋁棒橫截面面積與鋁合金型材制品橫截面面積的比值，其計(jì)算公式

λ=Ft/ΣF1 （1）

式中 Ft——鋁棒橫截面積；

ΣF1 ——型材制品的材料斷面面積。

2.應(yīng)用廣泛

鋁合金型材擠壓成形制品，在截面形狀簡(jiǎn)單的管、棒、線型材，以及截面形狀復(fù)雜的空心型材或者實(shí)心型材廣泛應(yīng)用。

擠壓制品的尺寸范圍也很廣，從截面直徑達(dá)1000mm的超大型管材與型材，到截面尺寸只有2mm小型精密型材（類似火柴棒大?。?/p>

鋁合金型材在工業(yè)各領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，如圖3所示，涉及建材、光伏、3D打印、新能源乘用車、軌道交通等行業(yè)。

在新能源乘用車上，鋁合金型材類零件主要應(yīng)用于電池盒體框架、前/后保險(xiǎn)杠防撞梁總成、前倉縱梁總成、地板縱梁總成、門檻梁總成、車身吸能盒總成以及支架等管梁類結(jié)構(gòu)件，投入推廣與應(yīng)用的零件總數(shù)已經(jīng)超過20個(gè)種類。

3.工藝優(yōu)勢(shì)

制品自成封閉斷面，集中工藝流程。以SUV車型車身中部外縱梁區(qū)域?qū)Ρ?，傳統(tǒng)鋼板車身采用沖壓與焊接工藝，分為兩個(gè)U形結(jié)構(gòu)：前地板外縱梁總成、側(cè)圍內(nèi)板下部總成拼焊組成，子零件數(shù)量約20個(gè)，工藝流程如圖4所示。

新能源乘用車普遍采用鋁合金擠壓成形技術(shù)，門檻梁一次擠壓成形加工，工藝流程（見圖5）與生產(chǎn)效率大大提升。

4.成本優(yōu)勢(shì)

擠壓成形減少生產(chǎn)線一次性投入成本，傳統(tǒng)鋼板車身中部外縱梁區(qū)域零件總數(shù)量約20個(gè)，模具數(shù)量約60副，最大零件模具尺寸長(zhǎng)度超過2000mm，寬度超過1000m，模具開發(fā)制作周期8個(gè)月，一次性投入模具費(fèi)用約500萬元人民幣。

鋁合金擠壓成形擠壓使用的是斷面口模，相對(duì)于傳統(tǒng)鋼板車身工藝沖壓成型、壓鑄工藝等，擠壓口模尺寸較小。擠壓口模尺寸直徑約450mm，厚度約300mm，首套開發(fā)制作周期約50天，一套模具（左右零件斷面口模可公用），費(fèi)用約4萬元。

5.品質(zhì)優(yōu)勢(shì)

擠壓成形可以改善鋁合金的內(nèi)部組織，通過時(shí)效工藝，改善力學(xué)性能。與沖壓、軋制、壓鑄以及鍛造等工藝加工方法相比，擠壓制品的產(chǎn)品精度高、表面外觀質(zhì)量好。

鋁合金材料以其天然優(yōu)良的耐腐蝕性能以及穩(wěn)定的化學(xué)性能，用在汽車行業(yè)，可以大大降低車身以及零件的電泳、電鍍等表面處理費(fèi)用。

結(jié)語

節(jié)能、減排、輕量化，能提高整車的續(xù)駛能力，是汽車行業(yè)尤其是新能源乘用車發(fā)展的趨勢(shì)。車身輕量化是其最重要的途徑，鋁合金材料是最理想的原材料。鋁合金材料以其豐富的蘊(yùn)藏量、天然的耐腐蝕性能、較好的力學(xué)性能、良好的成形性能以及合理的成本等優(yōu)勢(shì)，被越來越多地應(yīng)用到新能源車身制造領(lǐng)域。

科學(xué)技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了鋁合金擠壓成形工藝與熱處理工藝不斷迭代升級(jí)；結(jié)合型材擠壓制品特有的造型優(yōu)勢(shì)。鋁合金型材擠壓技術(shù)在當(dāng)今汽車制造業(yè)尤其是新能源乘用車的推廣應(yīng)用的前景日益廣闊。