新能源汽車擠壓鋁型材擠壓模具案例解析

陳勇慧

（瑞安江南鋁業(yè)有限公司，溫州 325000）

0 前言

隨著環(huán)境污染越來越嚴重，全世界對新能源的開發(fā)和倡導(dǎo)使新能源汽車的推廣應(yīng)用迫在眉睫，同時對汽車材料輕量化發(fā)展、鋁合金的安全應(yīng)用及其表面質(zhì)量、尺寸和力學(xué)性能等要求也越來越高[1]。以一臺整車重量為1.6 t的新能源汽車為例，鋁合金的用料大約450 kg，占比約為30%。擠壓生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的表面缺陷，尤其是內(nèi)外表面粗晶問題，嚴重影響了新能源汽車鋁型材的生產(chǎn)進度，成為其應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。對于擠壓型材來講，擠壓模具的設(shè)計與制造是重中之重，所以新能源汽車鋁型材的模具研發(fā)勢在必行。提出科學(xué)合理的模具解決方案，從而進一步提高新能源汽車鋁型材合格率和擠壓生產(chǎn)率，才能滿足市場需求。

目前，傳統(tǒng)的擠壓模設(shè)計、制造工藝不能達到生產(chǎn)合格新能源汽車鋁型材的需求，而國內(nèi)市場對該模具的開發(fā)尚處于起步階段[2]。本公司與多家鋁企業(yè)合作，經(jīng)過數(shù)十次的試驗，開發(fā)了一系列新能源材料。本文介紹了其中一款研發(fā)成功并大批量投入生產(chǎn)的新能源汽車電池組安裝梁鋁型材擠壓模具解決方案，可供大家參考和借鑒。

1 產(chǎn)品特點

（1）零部件材料、表面處理及防腐按ETS-01-007《鋁合金型材零件技術(shù)要求》、ETS-01-006《陽極氧化表面處理技術(shù)要求》標準中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

（2）表面處理：陽極氧化，表面不能有粗晶。

（3）零件表面不允許有裂紋、起皺等缺陷。氧化后零件不允許被污染。

（4）產(chǎn)品禁用物質(zhì)滿足Q/JL J160001—2017《汽車零部件和材料禁用、限用物質(zhì)要求》標準中的規(guī)定。

（5）力學(xué)性能要求：抗拉強度≥210 MPa，屈服強度≥180 MPa，斷后伸長率A50≥8%。

（6）新能源汽車鋁合金成分要求如表1所示。

表1 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

新能源汽車配件電池組安裝梁組件尺寸如圖1所示。

圖1 汽車配件電池組安裝梁

2 擠壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對比分析

（1）傳統(tǒng)方案1#即改進前擠壓模設(shè)計如圖2所示。按常規(guī)設(shè)計思路，如圖中箭頭指向所示，加工中間筋位處，舌下引流處，上下引流單邊20°，引流高度H15 mm往筋部供鋁水，舌下空刀直角過度，鋁水殘留在拐角處，容易產(chǎn)生死區(qū)存在鋁渣，生產(chǎn)后經(jīng)氧化驗證表面極其容易出現(xiàn)粗晶問題[1]。

圖2 改進前的擠壓模具設(shè)計

對該傳統(tǒng)模具制造工藝方案進行以下初步優(yōu)化：①在此模具基礎(chǔ)上，嘗試打供料增加筋部的鋁供給量；②在原基礎(chǔ)上加深舌下空刀深度，即在原來的15 mm上再增加5 mm；③舌下空刀寬度在原來14 mm的基礎(chǔ)上加寬2 mm。優(yōu)化后實物圖如圖3所示。

圖3 初步優(yōu)化后的擠壓模具結(jié)構(gòu)

驗證結(jié)果表明，通過以上3項初步改進后，型材在氧化處理后，粗晶缺陷依然存在，沒有得到合理的解決，這說明本次的初步改進前方案仍然不能滿足新能源汽車鋁合金材料生產(chǎn)要求。

（2）在初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上提出新方案2。新方案2#的模具設(shè)計如圖4所示。根據(jù)“金屬流動性原理”和“最小阻力定律”[2]，改進后的汽車配件模具2#采用“開背孔”式設(shè)計方案，筋部位置起到直沖作用，減少摩擦阻力；進料面設(shè)計成“鍋蓋狀”，橋位加工成幅度型，目的在于減少摩擦阻力，提高融合度，降低擠壓力；盡量沉橋防止橋底產(chǎn)生粗晶問題，橋底舌下空刀寬≤3 mm；公頭工作帶與下模工作帶階差≤1.0 mm；上模舌下空刀順滑，均勻過渡，不留阻流包，盡量直沖成型孔部位；中間內(nèi)筋條處兩公頭之間工作帶盡量短，一般取值為壁厚的1.5～2倍；引流槽過渡平緩，滿足足夠金屬鋁水流進型腔，呈充分融合狀態(tài)，各處不留死區(qū)[3](上模后空刀不超2～2.5 mm)。改進前后擠壓模具架構(gòu)對比如圖5所示。

圖4 改進后2#擠壓模具設(shè)計

（3）注意加工細節(jié)方面改進。橋位打磨接順，上下模工作帶平整，降低變形阻力，改善金屬流動以減小不均勻變形量，能有效抑制粗晶、焊合等問題，從而保證筋出料位置和橋根部快慢與其他部位同步，合理科學(xué)地抑制鋁型材表面粗晶焊合等表面問題。模具引流改進前后對比如圖6所示。

3 擠壓工藝

對于新能源汽車6063-T6鋁合金而言，按分流模擠壓比在20～80計算，此鋁材在1 800 t機擠壓的擠壓比為23，符合該機臺生產(chǎn)性能需求[4]。擠壓工藝如表2所示。

表2 新能源汽車電池包安裝梁鋁型材擠壓生產(chǎn)工藝

擠壓時注意以下幾點[5]：

（1）禁止在同一個爐內(nèi)模具疊加加熱，否則將導(dǎo)致模具溫度不均、易出現(xiàn)結(jié)晶。

（2）若擠壓過程中出現(xiàn)異常停機，停機時間不得超過3 min，否則必須卸模具。

（3）禁止卸模后直接回爐加熱再擠壓。

4 修模措施以及成效

經(jīng)過數(shù)十次的模具修模和試模改進，提出以下合理的修模方案。

（1）針對原有1#模具進行修正及調(diào)整：①盡量沉橋，橋底寬≤3 mm；②公頭工作帶與下模工作帶階差≤1.0 mm；③不要留阻流包；④內(nèi)筋條處兩公頭之間工作帶盡量短，引流槽過渡平緩，盡量大并光滑；⑤下模工作帶盡量短；⑥各處不留死區(qū)(后空刀不超2 mm)；⑦內(nèi)腔粗晶修上模，外表面粗晶減下模工作帶和打平阻流包，或者不要阻流包，減短下模工作帶[6]。

（2）在上述1#模具的進一步修模與改進的基礎(chǔ)上，對2#模具進行如下修模：①消除兩公頭死區(qū)；②鏟平阻流包；③減小公頭和下模工作帶落差；④減短下模工作帶。

（3）修模并改進后，所得成品表面質(zhì)量達到理想狀態(tài)，表面光亮，無任何粗晶，極好地解決了此類新能源汽車鋁型材表面存在的粗晶、焊合等缺陷難題。

（4）擠壓量由原來的5 t/d提高到15 t/d，生產(chǎn)效率大大提高。

改進前后對比如圖7所示。

圖7 修模改進前后結(jié)果對比

5 結(jié)論

通過對原模具反復(fù)優(yōu)化和改進，徹底解決了有關(guān)于新能源汽車鋁型材表面粗晶、焊合等一大難題。

（1）對原模具薄弱環(huán)節(jié)--中間筋位線處進行合理優(yōu)化，通過消除兩公頭死區(qū)、鏟平阻流包、減小公頭和下模工作帶落差、減短下模工作帶等改進措施，成功克服了此類汽車所用6063鋁合金存在的粗晶、焊合等表面缺陷問題。

（2）擠壓量由原來的5 t/d提高到15 t/d，生產(chǎn)效率大大提高。

（3）此擠壓模具設(shè)計與制造成功案例在同類型材生產(chǎn)中具有代表性和參考性，值得推廣。