汽車用鋁合金型材開發(fā)與輕量化應(yīng)用

汽車降耗、減排、提高安全性能已成為汽車工業(yè)的發(fā)展方向車輕量化技術(shù)是解決節(jié)能環(huán)保問題的重要措施。產(chǎn)品輕量化可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕質(zhì)材料應(yīng)用和多種制造技術(shù)集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。鋁合金因其密度低、成型性好、吸能效果好、耐腐蝕性好而被廣泛應(yīng)用于輕型汽車中。據(jù)記載，汽車制造企業(yè)于1896年開始使用鋁合金制造曲軸箱[1]。到目前為止，鋁合金已經(jīng)用于汽車的各個(gè)部件，如發(fā)動機(jī)和缸體、儀表板和發(fā)動機(jī)支架、鋁合金車輪、懸架系統(tǒng)部件、保險(xiǎn)杠防撞梁和吸能箱、車門和換熱器，甚至全鋁車身?，F(xiàn)在國際上已有不少全鋁合金車身車型在售，包括Honda的超級跑車NSX，Audi的A2、A8、R8以及JaguarXJ。其中JaguarXJ是鋁合金技術(shù)輕量化技術(shù)發(fā)揮到的車型，不僅車身重量大幅度下降，而且車身零件總數(shù)從5189個(gè)降至2761個(gè)，車身剛性提高了48%。據(jù)資料顯示，鋁合金在汽車中的使用逐漸增加，從1990年平均50公斤/車到平均150公斤/車。

擠壓是鋁合金的重要成型方法，是一種熱加工成型方法，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，鋁合金處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。整個(gè)生產(chǎn)過程可以描述為：首先，將鋁等合金熔化鑄造成所需的鋁合金鑄件；然后將預(yù)熱鑄件放入擠壓設(shè)備中進(jìn)行擠壓，鋁合金坯料在主缸擠壓下通過模具腔成為所需型材；最后，為了提高鋁型材的機(jī)械性能，在擠壓過程或擠壓后進(jìn)行固溶處理，然后進(jìn)行及時(shí)處理。時(shí)效處理后的力學(xué)能量根據(jù)不同的成分和時(shí)效系統(tǒng)而有所不同。表1是汽車擠壓鋁型材與普通碳鋼的性能比較。

汽車鋁型材擠壓產(chǎn)品較其他成型方式，具備以下的特點(diǎn)：（1）在擠壓過程中，被擠壓金屬在變形區(qū)內(nèi)獲得比軋制、鍛造更為強(qiáng)烈和均勻的三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，因此擠壓可充分發(fā)揮被加工金屬的塑性，可用于加工軋制鍛造無法加工的難變形金屬，同時(shí)可用于制作各種空心或?qū)嵭牡膹?fù)雜截面構(gòu)件；（2）由于鋁型材幾何截面可變，因而其構(gòu)件的剛度高，可提高車身的剛性、降低其NVH特性、提高車輛動態(tài)控制特性；（3）由于鋁型材截面可控制，可提高構(gòu)件的功能集成程度，降低構(gòu)件數(shù)量，同時(shí)通過截面匹配還可實(shí)現(xiàn)焊接定位；（4）具有擠壓效益的產(chǎn)品，在淬火時(shí)效后，縱向強(qiáng)度性能（Rm，Rp0.2），遠(yuǎn)比其他方法加工的同類產(chǎn)品要高；（5）擠壓后產(chǎn)品表面色澤好，耐腐蝕性能好，不需要做其他防腐性的表面處理；（6）擠壓加工靈活性大，工裝模具成本低，設(shè)計(jì)變更費(fèi)用低。

汽車鋁合金型材的應(yīng)用包括:保險(xiǎn)杠防撞梁、吸能盒、車門防撞梁、儀表板支架、前圍、車架主梁、散熱器及其支架、油管、滑軌元件、換熱器橡膠管接頭等截面一致、形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

目前，汽車防撞梁一般采用鋼板、鋼滾壓件和鋁合金擠壓型材。由于鋁合金吸能效果好，廣泛應(yīng)用于合資品牌車型的保險(xiǎn)杠防撞梁總成。國內(nèi)自主品牌車型僅限于成本等原因，使用較少。湖南大學(xué)專家[2,3]對鋁合金防撞梁總成進(jìn)行了相關(guān)研究。研究表明，與原鋼防撞梁相比，鋁防撞梁的質(zhì)量降低了25%，抗彎強(qiáng)度較高。在低速碰撞試驗(yàn)條件下，鋁合金前防撞梁的吸能效果比鋼件系統(tǒng)提高了45%。