汽车轻量化铝合金应用概述

方圆 王琳琳 间德海 宋清和

摘要：本文概述汽车轻量化的途径和意义，阐述铝合金在汽车轻量化的重要作用，通过悬挂支架的开发过程，明确铝合金压铸制品可以满足汽车轻量化需求，同时运用CAE软件达到批量合格的效果。

关键词：汽车轻量化、铝合金、模具、CAE

1. 前言：

汽车轻量化是一个完整的概念，是指汽车在保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能不降低，及汽车本身造价不被提高的前提下，有目标地减轻汽车自身的重量。汽车轻量化的概念应从以下三个方面来阐明。首先是对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效果是直接减重。其次是轻量化是完善功能而保持质量不变，如改进汽车的动力学性能、操纵稳定性、提高汽车的刚度和安全性等。第三是汽车轻量化既要提高和改进性能，同时也使汽车减重。汽车的轻量化的设计实际上是功能改进，质量降低，结构优化和合理价格的结合[1-3]。

2. 汽车轻量化途径

实现汽车轻量化目前主要有两个途径，一是新材料应用：主要是采用轻量化材料和轻量化材料成型技术，以达到减轻零部件重量的目的。二是轻量化设计：使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺改进等[4]。

轻量化材料产业是汽车轻量化实施和发展的基础和条件保证。在汽车中，一般家庭用车用材构成为：钢为54%，铸铁为10%，塑料为8%，铝合金为8% 镁合金为1% 橡胶玻璃为7%，其他为12%[6]。从家庭轿车用材的构成中可以看出，钢铁材料仍然是乘用车的基本构成材料，在相当一段时间内，它仍然具有不可替代的作用。其次是铝合金，塑料复合材料，然后是镁合金[5]。

3. 铝合金材料在轻量化领域的意义

在汽车轻量化的用材中，这四种材料是轻量化的基本材料。应该说，铝合金是既提升汽车性能又是满足某些法规要求的轻量化材料，铝合金材料与铝镁合金材料的选择和工艺优化是新能源汽车轻量化关键因素之一，也是本课题的研究价值所在。

铝合金的比重只有2.68g/cm3，仅 为钢的30%，在等弯曲刚度的条件下，铝对钢的厚度比为1.43，在等弯曲刚度的条件下，铝的减重的潜力是49%，在等弯曲强度的情况下，铝对钢减重的潜力是38。

4. 汽车用铝合金的种类

铝合金在汽车中的应用提供了一个很好的市场和应用基础，而铝合金在汽车工业中的应用也为国内整个汽车行业的技术升级提供了条件。铝合金在汽车中的应用形式有：铝合金锻件（一些结构件，如悬架支架以及铝合金车轮等，即在汽车中要求强度较高的结构件和疲劳件），模铸件和金属模铸件（主要有轿车车轮、各类壳体，发动机的缸体缸盖等零件），铝合金挤压和拉延产品（制作各类车身结构件和公交车辆结构件的铝合金型材）等等。

5. 轻量化压铸技术在企业中的实施举例

本课题以大连亚明汽车部件股份有限公司的底盘悬挂支架为例，阐明轻量化铝合金压铸技术实施方案。大连亚明汽车部件股份有限公司是国内最早从事汽车零部件铝合金压铸企业之一，其技术在行业内久负盛名。该公司具有强烈的品牌价值，一直是国内压铸行业50强，多次进入压铸行业前20强。悬挂支架的原材料为新型压铸铝合金AlSi10MnMg，因其具有良好的压铸工艺性，密度小，抗蚀性良好，从而其铸件在汽车、航空、仪表中得到广泛的应用。

5.1 悬挂支架可行性分析

材料及设备分析：本产品主要部件BEV支架为AlSI10MnMg由万泰铝业有限公司提供原材料，制造采用力劲集团900T卧式冷室壓铸机压铸，其压射合模力为900吨。可提供二级高速压射速度6m/s，设备液压系统16Mp，压铸岛周边配备真空机、自动切边机，加工部位只有几个螺纹孔的点位加工，利用公司目前具备的普通数控加工中心即可满足。

生产能力方面：发动机悬挂支架压铸节拍为80秒，每模2件，一天3个班次预计生产1400件，根据产能，各需要1套压铸模具和设备。此产品在整个生产过程中瓶颈工序为机械加工，生产节拍为120秒/每件，匹配压铸工艺需要3套工装。

经济上的可行性分析： 预计投入压铸模具需投资74万人民币、压铸机120万元;3套夹具30万人民币、加工中心120万元，检验检具需投资15万人民币;批量供货后，每年销售额600万元，供货期10年，经济上可行。

5.2 压铸工艺方案分析

压铸工艺方案的制定是本项目成败关键因素之一，压铸模具是材料成型领域三大核心技术之一，利用现代的先进CAE技术模拟分析浇注系统，实现压铸工艺浇注系统、排气系统、溢流系统、冷却系统的合理布局。

该项目零件投影面290cm2，由于为承载交变循环应力，其内部组织要求致密。选取压射比压80Mp，零件净重1Kg，选用9000KN的卧式冷室压铸机。

浇注系统设计方案为每模2件，布局该铸件的浇注系统、排气和排渣系统，确定分型面，检测零件局部壁厚并针对该浇注系统模拟分析。计算并设计料缸料缸内径90mm，有效长度755mm，料柄厚度30mm。

采用ANYcasting铸造模拟分析软件，划分网格数1500万，设定分析结束条件为填充并凝固结束，初始条件和材料设定650 ℃，模拟分析结果可知在填从第0.65秒，铝液以较低的速度接近浇口，填充第0.85秒基本填充完毕。渣设计于填充的末端，并在渣包后跟随排气槽，满足铸件排渣排气的要求，整个填充过程铸件循序填充;填充末端溢溜槽布置基本合理，能辅助末端气体的排出。型腔局部卷气现象，需要增加真空辅助排气。

由速度分析与凝固分析可知，总体速度整个填充过程中内浇口速度保持在35 m/s，小于压力铸造的上限速度于60 m/s，在填充过程不会对模具产生过大的冲击，能较好的避免紊流卷气状态;同时凝固分析明显看出在螺栓孔附近局部厚大区域最后凝固，在该位置需要增加高压点冷却水，提高冷却速度，降低缩孔缺陷的风险。

由上可知：整个填充过程比较平稳，最后填充部位在距离浇口的最远端，浇注系统设计、布置合理;填充末端溢溜槽布置合理，能辅助末端气体的排出，局部卷气需要抽真空设备;整个填充过程中内浇口速度基本在35 m/s左右，内浇口截面积设计合理;铸件个别部位由于温度高，收缩过程中可能会形成缩孔，该部位增加局部冷却;

根据模拟分析的结果，开发压铸模具试生产得到带有浇注系统的合格铸件实物。

6. 结论：

（1）采用铝合金制品替代铸铁、刚才能有效的降低整车质量，实现轻量化，并且满足质量需要;

（2）轻量化铸造技术实施的过程中需要综合考虑时间、质量、成本的相互关系，项目开发前期阶段需要可行性分析和里程碑计划;

（3）运用CAE技术，确定发动机悬挂支架的浇铸系统，合理布局浇道、渣包和排气系统，不仅能保证铸件的质量，同时缩短开发周期，降低开发成本。

参考文献：

[1]吴道俊. 车辆疲劳耐久性分析、试验与优化关键技术研究[D].合肥工业大学，2012.

[2]吴宝贵. 基于仿真分析的复杂机械产品多学科设计优化方法研究[D].大连理工大学，2008.

[3]唐见茂.新能源汽车轻量化材料[J].新型工业化，2016，6（01）：1-14.

[4]张文毓，侯世忠. 汽车用新材料应用进展[A]. 中国汽车会议网.2012MADE汽车内外饰产品开发及新材料应用研讨会论文集[C].中国汽车会议网：上海雷尼会展服务有限公司，2012：8.