汽車用鋁合金副車架成形工藝及應(yīng)用現(xiàn)狀

汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑，零部件的“以鋁代鋼”仍然是當(dāng)前汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的主要手段。副車架作為汽車底盤懸掛系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)件，將其鋁制化可大大提高汽車輕量化程度。簡(jiǎn)要介紹了鋁合金副車架的成形工藝及其應(yīng)用現(xiàn)狀，涵蓋了鑄造成形、液壓成形、沖壓成形+擠壓成形+焊接、鑄造成形+擠壓成形/沖壓成形+焊接和鋼鋁連接5種主流的成形方式，并對(duì)這些成形工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

01 汽車副車架簡(jiǎn)介

副車架是汽車底盤上的一個(gè)結(jié)構(gòu)件，用于連接懸架裝置和車身。副車架并非真正的車架，而是輔助車架，用來支撐車橋和懸掛的總成支架，它是汽車上承載發(fā)動(dòng)機(jī)和車軸的特殊功能結(jié)構(gòu)件。

傳統(tǒng)的副車架一般是通過鋼板沖壓變形后焊接而成，該工藝由于生產(chǎn)簡(jiǎn)單方便，被各大主機(jī)廠使用。隨著對(duì)汽車輕量化要求的提高，以及追求車重減輕后所帶來的能耗效益的最大化，各大主機(jī)廠逐漸開發(fā)了鋁合金副車架。單件鋼制副車架重量通常為10～25 kg，采用鋁制副車架能減重30%～50%，輕量化效果顯著。

02 汽車副車架鋁制化現(xiàn)狀

歐盟最先開始使用鋁合金代替鋼來生產(chǎn)汽車副車架，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鋁合金副車架最初主要應(yīng)用在高檔轎車上，隨著副車架生產(chǎn)技術(shù)的成熟和生產(chǎn)工藝的多樣性發(fā)展，鋁制副車架在中低檔轎車上的應(yīng)用也逐漸增加。

與國(guó)外鋁合金副車架研發(fā)和應(yīng)用情況相比，國(guó)內(nèi)鋁合金副車架研發(fā)相對(duì)落后。鋁合金副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依靠引進(jìn)國(guó)外的研發(fā)成果進(jìn)行適應(yīng)性改造，自主創(chuàng)新能力較弱。在生產(chǎn)方面，國(guó)內(nèi)的鋁合金副車架主要依賴進(jìn)口以及國(guó)外零部件企業(yè)在中國(guó)的工廠。近年來，隨著國(guó)內(nèi)供應(yīng)商技術(shù)及裝備水平的進(jìn)步以及輕量化、新能源汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，在鋁合金副車架的設(shè)計(jì)、加工制造方面有了較大進(jìn)步。

03  鋁合金副車架成形工藝簡(jiǎn)介

鋁合金副車架的成形工藝可分為鑄造成形、沖壓成形、液壓成形、擠壓成形四大類。然而，由于副車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單一工藝往往難以滿足成形要求。鋁合金副車架的生產(chǎn)通常采用多種工藝成形，如鑄造成形+擠壓成形/彎曲+焊接工藝、擠壓成形/液壓成形+板材沖壓+焊接工藝、管型材+復(fù)雜截面型材+焊接工藝等。

3.1 鑄造成形工藝

鑄造成形是鋁合金副車架生產(chǎn)的主流工藝，相對(duì)于擠壓成形、沖壓成形等工藝，鑄造方法可以生產(chǎn)形狀更加復(fù)雜的薄壁零件，且一次成形，生產(chǎn)效率高，后續(xù)機(jī)加工和裝配工序少，成本低廉，因此，在鋁合金副車架生產(chǎn)上被廣泛使用。根據(jù)副車架鑄件生產(chǎn)鑄造方式的不同，鑄造成形工藝可分為：金屬型重力鑄造、低壓鑄造和高真空壓鑄等。

低壓鑄造工藝在鋁合金副車架的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，它是反重力鑄造的一種形式。由于金屬液在壓力作用下凝固，組織相對(duì)于普通的金屬型鑄件和砂型鑄件更加致密，力學(xué)性能更高，且成本低廉，被國(guó)內(nèi)外各汽車企業(yè)所認(rèn)可。低壓鑄造常用的鋁合金為AlSi7Mg合金，該合金具有流動(dòng)性好、無熱裂傾向、線收縮小、氣密性好等優(yōu)點(diǎn)，其低壓鑄件抗拉強(qiáng)度可達(dá)到290 MPa以上，伸長(zhǎng)率可達(dá)到8%以上，如圖1所示為部分低壓鑄造工藝成形的副車架。

圖1 低壓鑄造工藝生產(chǎn)的鋁合金副車架

高壓鑄造是將金屬液倒入壓室，然后壓射桿將壓室中的金屬液高速推入澆道和型腔，并使其在高壓下凝固，形成鑄件。但由于高壓鑄造時(shí)金屬液高速充填型腔的過程中容易卷入氣體，使得生產(chǎn)的鑄件內(nèi)部氣孔多，無法進(jìn)行熱處理，產(chǎn)品伸長(zhǎng)率很低，在應(yīng)用上受到限制。

高真空壓鑄是在普通壓鑄的基礎(chǔ)上，采用輔助的高真空控制系統(tǒng)、真空泵、真空截止閥等裝置，在金屬液填充模具型腔之前，將型腔中的氣體抽出，使模具型腔中形成較高的真空度（＜100 mbar），并保持至填充結(jié)束。國(guó)內(nèi)第一款高真空壓鑄鋁合金副車架，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)240 MPa，屈服強(qiáng)度140 MPa，被批量應(yīng)用。高真空壓鑄工藝可有效避免充型卷氣，得到的鑄件致密度高，可進(jìn)行熱處理和焊接，鑄件力學(xué)性能好，伸長(zhǎng)率高，受到各大主機(jī)廠重視，如圖2所示為部分高真空壓鑄鋁合金副車架實(shí)例。

圖2 部分高真空壓鑄工藝生產(chǎn)的鋁合金副車架

金屬型重力鑄造也是生產(chǎn)副車架的一種常用鑄造工藝。它是在重力的作用下，金屬液通過澆道系統(tǒng)進(jìn)入金屬模并凝固成形的工藝方法。常見的重力鑄造鋁合金材料為Al-Si系，尤其以AlSi7Mg合金應(yīng)用居多。目前該工藝的重點(diǎn)研究方向?yàn)椋阂詫?shí)現(xiàn)順序凝固為目標(biāo)的工藝設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)、鑄造/型材間焊接的質(zhì)量控制及變形控制、合金及焊縫區(qū)組織性能控制、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)制定等。圖3a為國(guó)內(nèi)某車型所采用的鋁合金副車架，其左右兩端支架為AlSi11合金的重力鑄件，圖3b為上海匯眾依托上汽某車型開發(fā)的尺寸為800 mm×500 mm×200 mm的汽車前副車架。

圖3 部分重力鑄造生產(chǎn)的鋁合金副車架

3.2 液壓成形工藝

液壓成形與傳統(tǒng)成形工藝不同，它采用水或者油取代凸?；虬寄Ｗ鳛閭髁橘|(zhì)，通過對(duì)傳力介質(zhì)施加壓力使得待加工工件發(fā)生適當(dāng)?shù)乃苄宰冃?，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。液壓成形技術(shù)最早廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜的薄壁件，重量輕、剛度高、精度高，在生產(chǎn)過程中可減少零部件種類、焊縫長(zhǎng)度、機(jī)械加工工序、產(chǎn)品組裝工序等，有降低生產(chǎn)成本、縮短加工周期等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代起，受到汽車界的極大矚目而蓬勃發(fā)展。對(duì)于生產(chǎn)像汽車副車架這樣形狀復(fù)雜的零件，液壓成形的主要工序包括：彎曲、預(yù)成形、液壓成形和后處理等。李武泉等采用液壓成形管件與鈑金沖壓件拼焊成的后副車架，將原后副車架由18.2 kg 降低到14.6 kg，實(shí)現(xiàn)減重3.6 kg（19.7%），性能保持不變。圖4展示了采用液壓生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的寶馬5系車副車架及預(yù)彎成形后的管件制品和梅賽德斯S系列車的副車架。

圖4 采用液壓技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金副車架及其部件

3.3 沖壓成形+擠壓成形+焊接工藝

板材沖壓成形工藝一般采用非熱處理強(qiáng)化的中高強(qiáng)度Al-Mg-Mn系合金，最常用的合金為AlMg3Mn和AlMg3.5Mn。這類合金具有較高的強(qiáng)度、良好的成形性、焊接性，不需要固溶時(shí)效硬化，具有良好的熱軋和冷軋性能。板材沖壓成形可以制備主梁、安裝支架以及加強(qiáng)筋等，最后通過焊接的方法工藝將這些部件焊接成為整體副車架。擠壓成形可生產(chǎn)截面復(fù)雜、壁薄等特點(diǎn)的零件，零件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、強(qiáng)度高。副車架上的擠壓成形件一般用作主梁，通過焊接成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)與其他部件如沖壓件之間的連接。這些擠壓型材通常采用以6061、6063和6082鋁合金為代表的Al-Mg-Si系合金。該系列鋁合金具有良好的擠壓成形性、耐腐蝕性、焊接性、機(jī)加工性能和成形性能，產(chǎn)品表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，在車架及副車架中應(yīng)用廣泛。

如圖5a所示為奔馳S級(jí)后副車架，其板材沖壓件厚2.5~3.5 mm，使用AlMg3.5Mn合金，擠壓結(jié)構(gòu)件使用6060合金，整個(gè)副車架減重可達(dá)到40%。圖5b所示為寶馬某車型的前副車架，采用板材沖壓件及擠壓件焊接而成。

圖5 采用沖壓成形+擠壓成形+焊接工藝生產(chǎn)的鋁合金副車架

3.4 鑄造成形+擠壓成形/沖壓成形+焊接工藝

擠壓成形的型材和板材沖壓成形的板材一般具有強(qiáng)度高、尺寸精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，用來生產(chǎn)副車架的支架或主梁，可以滿足副車架的強(qiáng)度和剛度要求。擠壓或者沖壓工藝不易成形，部分主機(jī)廠往往會(huì)采用鑄造成形方法生產(chǎn)車身連接用結(jié)構(gòu)件，由于可以一次成形，能夠減少后續(xù)的裝配安裝工序，提高了生產(chǎn)效率，擠壓成形件和鑄件通過焊接工藝連接在一起，組成汽車副車架。

圖6給出了部分鑄造成形+擠壓成形/沖壓成形+焊接成的汽車副車架實(shí)例，圖6a所示副車架主梁為擠壓件，采用6061合金，并經(jīng)T6熱處理，兩邊的鑄件部分采用AlSi7Mg0.6合金，最終通過MIG焊接工藝焊接在一起，相比較于傳統(tǒng)鋼制副車架，質(zhì)量減少約35%。圖6b所示副車架由兩個(gè)鑄件和一個(gè)擠壓空心型材焊接而成，質(zhì)量?jī)H為5.8 kg，減重約30%。圖6c所示副車架尺寸為1 130 mm×675 mm×268 mm，由鑄件及沖壓件焊接而成，質(zhì)量?jī)H為13 kg，應(yīng)用于某款高級(jí)轎車。

圖6 采用鑄造成形+擠壓成形/沖壓成形+焊接工藝生產(chǎn)的鋁合金副車架

3.5 鋼鋁連接

由于鋁合金成本相對(duì)鋼制產(chǎn)品加工成本較高，有許多主機(jī)廠并未完全將汽車副車架進(jìn)行鋁合金化，而是采用鋼鋁連接的方法實(shí)現(xiàn)副車架部分部件的鋁制化，在一定程度上節(jié)約了加工成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了副車架的輕量化。鋼鋁連接一般通過IW（鋼釘沖鉚鋁板和鋼釘與鋼板點(diǎn)焊）、SPR（自沖鉚連接）和FDS（自攻螺紋連接）技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼制結(jié)構(gòu)件和鋁制結(jié)構(gòu)件的連接。圖7a所示為廣汽本田雅閣用鋼鋁連接后副車架，由于主機(jī)廠對(duì)輕量化需求較強(qiáng)，鋼鋁連接副車架輕量化程度不如鋁制副車架，現(xiàn)在已經(jīng)逐步被鋁制副車架所代替，其鋁制副車架如圖7b所示。

圖7 鋼鋁連接副車架及其鋁制副車架替代品

04  結(jié)束語

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排提出越來越嚴(yán)苛的要求，以及新能源汽車的不斷發(fā)展，乘用車輕量化進(jìn)程已越來越緊迫。副車架作為一款重要的安保部件，其零件重量大，鋁制化后可很大程度地降低重量，提高乘用車的操控性和舒適性。目前，國(guó)外在鋁合金副車架的應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位，國(guó)內(nèi)由于技術(shù)儲(chǔ)備、設(shè)備條件、生產(chǎn)加工能力及最終的采購(gòu)成本等因素的限制，在自主研發(fā)品牌車型上應(yīng)用的鋁合金副車架較少，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)應(yīng)加大鋁合金副車架技術(shù)研發(fā)投入，特別是要加強(qiáng)管型材液壓成形技術(shù)、等溫?cái)D壓技術(shù)、高精度型材三維彎曲控制技術(shù)以及基于定向凝固理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的研發(fā)，逐步提升鋁合金副車架研發(fā)設(shè)計(jì)能力和生產(chǎn)工藝水平，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。