汽車鋁擠出門檻制作工藝探究

吳小龍　李鷹　單超

摘 要：隨著汽車節(jié)能減排的呼聲越來越大，輕量化是汽車車身未來發(fā)展的主旋律。為了解決輕量化與車身強(qiáng)度之間的矛盾，鋁擠出型材成為較理想的解決方案。本文以鋁擠出門檻為例，探討了鋁擠出門檻的制作工藝流程以及質(zhì)量控制因素。

關(guān)鍵詞：輕量化;鋁合金;門檻;鋁擠壓

伴隨著全球?qū)τ诃h(huán)境保護(hù)和燃油消耗的新的要求和保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境，汽車行業(yè)將節(jié)能減排作為行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，同時(shí)為了迎合全世界對于環(huán)境保護(hù)的呼聲，汽車輕量化和新能源被定義為未來整個(gè)行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)，在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中節(jié)能汽車的發(fā)展目標(biāo)已經(jīng)有了明確規(guī)定，2020年乘用車新車平均油耗要達(dá)到5.0L/100km，車輛輕量化是關(guān)鍵節(jié)能路徑之一。

鋁合金作為全世界蘊(yùn)藏量第二大的金屬給主機(jī)廠達(dá)成輕量化設(shè)計(jì)指標(biāo)提供了很好的解決思路。眾所周知，鋁合金密度2.7kg/m3，僅為鐵的1/3，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故有很好的塑性，易于成型和加工，具有良好的抗腐蝕性能，所以，鋁合金是滿足輕質(zhì)高強(qiáng)的最好選擇之一。

一般來說，新能源車選用鋁合金作為原材料并通過擠出工藝解決復(fù)雜型面零件的一次成型，同時(shí)達(dá)到輕量化的效果。另一方面，通過選擇不同鋁合金牌號擠壓成復(fù)雜截面的型材在整車上承擔(dān)著承載和碰撞時(shí)型變吸收能量的效果。

1 鋁擠出門檻應(yīng)用示例

某車型在側(cè)圍內(nèi)板與底板之間的空腔內(nèi)設(shè)計(jì)有采用鋁擠出工藝的門檻，如圖1所示。該鋁擠出門檻作為車身最重要的零件在側(cè)碰中起到至關(guān)重要的作用，在整車一定速度的碰撞之下沖擊變形達(dá)到吸收能量的效果，以此來保證乘客的安全，并在新能源車上擔(dān)任著保證電池包殼體安全的職責(zé)，避免因側(cè)碰時(shí)底板變形較大導(dǎo)致電池包殼體變形從而擠壓模組產(chǎn)生失效起火等風(fēng)險(xiǎn)。而型材截面的內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)以及材料的工藝對碰撞結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。

2 鋁擠出門檻制作過程

鋁擠出的工藝原理是指將加熱到指定溫度的鋁棒放入擠壓筒中，擠壓桿在壓機(jī)的作用下，逐步使鋁合金鑄錠發(fā)生變形并流入擠壓模模腔中，最終通過模孔，成行出所需型材[1]，如圖2所示。由于鋁擠出零件是鋁棒流過擠壓模模孔形成的，因此其截面形狀由模孔決定，類似于擠牙膏一樣，不同開口決定不同的擠出外型。

門檻零件，作為擠壓型材產(chǎn)品，其制造工藝如圖3所示：

鑄造后的棒料經(jīng)過鋸切，就可以成為擠壓用的鋁棒。為了使得鋁棒在擠壓過程中材料具有很好的流動性，鋁棒和擠壓模具在擠壓之前還需要進(jìn)行預(yù)加熱，當(dāng)達(dá)到所需溫度后鋁棒進(jìn)行擠壓成型。成型后的鋁型材需要進(jìn)行冷卻、校直，以保證鋁型材零件的扭擰度。經(jīng)過檢測后進(jìn)行鋸切，并經(jīng)時(shí)效處理，就可以得到所需的鋁型材。

表1為該鋁擠出門檻對于材料化學(xué)成分的要求，其中Si和Mg為主要強(qiáng)化元素，Si的含量決定了材料強(qiáng)度，但是過高的Si含量會導(dǎo)致零件延伸率下降，在某些環(huán)境下受到外力時(shí)材料可能會過早地開裂。Cu的含量和腐蝕、焊接裂紋有著緊密的聯(lián)系。Mg是強(qiáng)化項(xiàng)元素，與Si形成Mg2Si[2]。在鑄造合金配比時(shí)需要綜合考慮零件強(qiáng)度指標(biāo)和整車性能，達(dá)到一定的平衡點(diǎn)。

同時(shí)，為了保證零件的強(qiáng)度和整車的碰撞結(jié)果，擠壓工藝及其各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)至關(guān)重要。首先，必須考慮零件型材截面的大小，選擇最適合的擠壓機(jī)噸位，其次，為了保證擠壓的一致性和穩(wěn)定性，從鋁棒的加溫，擠壓模的保溫時(shí)間，擠壓筒推進(jìn)速度等都需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。在擠壓時(shí)以盡可能快得的速度將鑄棒擠壓成型材，同時(shí)保證型材在通過擠壓出口時(shí)超過材料的固溶點(diǎn)溫度。為保證零件的強(qiáng)度，必須用最快的冷卻方式將型材從500多度的高溫降至室溫，常用的冷卻方法包括風(fēng)冷、水霧冷、水冷。考慮到門檻截面的大小和復(fù)雜程度，為了保證材料強(qiáng)度且控制零件的扭擰度，故采用水霧冷卻的方式保證零件尺寸要求并達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的強(qiáng)度等級。同時(shí)，通過微合金化的配方和擠壓工藝的優(yōu)化將粗晶層控制在較好的范圍之內(nèi)，最終在腐蝕試驗(yàn)中取得較好的表現(xiàn)形式。

3 結(jié)語

鋁合金作為完成整車輕量化的指標(biāo)的優(yōu)選材料，在整車設(shè)計(jì)時(shí)起到了至關(guān)重要的作用。對于承載和碰撞吸能都優(yōu)于其他材料，特別是在新能源車上對于整車減重，保護(hù)電池包殼體，防撞吸能有著卓越的性能，相信未來鋁合金在整車上的使用會大幅提升，成為工程師們的首選。

參考文獻(xiàn)：

[1]高亞云.復(fù)雜鋁型材擠壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝參數(shù)優(yōu)化研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2016：1-2.

[2]劉挺.鋁合金發(fā)動機(jī)罩外板的成形質(zhì)量控制研究[D].成都：西華大學(xué)，2013.