铝合金结构件的开发设计

铝合金结构件的开发设计内容框架结构件介绍框架结构用铝合金材料及其加工关键技术底盘结构件介绍a)铝合金材料在底盘零部件上的应用b)底盘结构件用铝合金材料及加工关键技未来铝合金材料应用展望框架结构件介绍奥迪A8的全铝框架不同材料在奥迪A8车身上的应用典型结构铝铸件在奥迪A8上的应用真空压铸奥迪A8采用的各种连接技术框架结构件介绍全铝车身的特斯拉非承载式车身的构造目前大部分的车架都是钢制非承载式车身的构造原有构成车架总成的钢制件数量为79，现采用铝制件数量为8，新方案除减重外，还能大幅降低开发和制造成本。钢制车架铝制车架铝合金承载式车架的开发框架结构用铝合金材料及其加工关键技术挤压型材在汽车上的应用由于铝合金挤压型材可以简单地生产出钢铁无法生产的各种复杂断面结构的型材，做为汽车轻量化的有效手段之一备受关注。挤压型材由于其重量轻，刚性好做为结构材料广泛应用在汽车的各个部分。Side-Member5000系挤压＋扩管成形Fr-Member5052挤压Fr-Subframe7000系挤压7003，7N01Rr-Bumper-Beam7000系押出Spaceframe6000系挤压6003，6061，6N01Rr-SubframeFr/Rr-Member5000系挤压＋扩管成形Fr-Bumper-Beam铝框架结构在汽车上的应用1990年日本汽车制造商就在世界上将各种挤压型材应用到汽车上，生产出了全铝车身的NSX跑车，其中挤压型材占用材总量的12%。随着铝加工技术的发展，型材的高精度3维弯曲加工技术以及6xxx系合金材料的组织控制和均一屈服强度控制热处理技术的确立，使挤压型材在汽车上的应用空间得到极大地扩展。上世纪90年代末日本的本田汽车开发的混合动力车INSIGHT，已将挤压型材的用量从NSX的12%提高到了30%。同时采用铝合金框架的车体无论从减轻重量还是从刚性都比钢制车体有很大的提高，因此为铝合金车体在安全上提供了良好的发展空间。扭转刚度弯曲刚度本田的NSX跑车和混合动力车的铝材应用比较NSX的车体是采用一体成型的中空结构，INSIGHI采用的是挤压型材的Spaceframe框架铝合金型材为主的框架材料：6063T5采用各种断面结构采用铝型材的加工方法弯曲加工适合的部分三维弯曲二维弯曲框架结构对材料及型材加工精度的要求挤压型材的组织控制屈服强度范围高精度三维弯曲的CAM挤压型材在框架结构上的应用及关键技术制造方法T5处理后挤压后三维弯曲三维弯曲三维弯曲三维弯曲弯曲加工适合的部件高精度三维弯曲成形机旧制造方法新制造方法6063合金的TEM组织比较适合于铸件的部分发动机座，支架前悬臂支架后底盘支架后底盘支架采用半固态成型法需要开发的各种技术挤压型材的零部件化技术挤压型材的弯曲极限模拟仿真超均匀性型材的制备方法高精度三维弯曲技术铸造结构件技术高真空压铸技术高强高韧铸造铝合金材料半固态挤压铸造技术各种连接技术铆接技术，MIG焊接技术异种铝合金之间的焊接技术铝钢之间的连接技术环保技术材料回收技术结构材料---结构材料的熔炼技术铝和钢同时进行无Cr预处理技术小结1）均一屈服强度控制技术汽车用挤压型材除前后缓冲架以外主要以6xxx合金为主，比如6063-T5型材的强度主要受Mg2Si的析出形态及析出大小而支配。在合金成分上应将Mg和Si的添加量控制在最小需求范围内，同时通过优化热处理工艺使Mg和Si（主要是Mg2Si）最大限度的均匀析出。在此基础上优化挤压工艺严格控制挤压温度等，以保证均一的屈服强度。2）高精度的3维弯曲加工技术汽车框架对型材的加工精度要求很高，因此需开发能自动的计算弯曲过程中不同形状型材的弯曲特性，并针对各种材料的弹性回复量进行预测，从而自动地进行补偿，以减少因弹性回复而造成的误差。底盘结构件铝合金在汽车上的应用部位、减重效果和市场份额发动机传动系统底盘和悬挂系统覆盖件车轮保险杠系统相对减重比绝对减重质量市场份额总减重200Kg转向节控制臂副车架铝合金底盘轻量化零部件保险杠新能源车铝制车架麦弗逊悬架控制臂双叉臂悬架上控制臂杆状控制臂双叉臂悬架下控制臂控制臂后悬架下控制臂，砂型铸造，中空，奥迪系列车型，2.6Kg后悬架下控制臂，挤压型材，雪弗兰迈锐宝，1.4Kg控制臂PorschePanamera，16Kg，原有钢制件由30个零件组成低压铸造lowpressurediecasting(VRC/PRC)铝板制造，5XXX制造商：hydro砂型铸造，AlSi7Mg，17.1Kg制造商：GFAutomotive液压成型型材+铸件，BMW7,14.1Kg制造商：hydro副车架直的型材+铸件，雪铁龙C5，11.7Kg制造商：Constellium直的型材+触变成形铸件，阿尔法罗密欧Spider，17.8Kg制造商：Constellium副车架典型麦弗逊悬架前转向节，通用系列车型，2.5Kg多连杆前转向节，结构形式与双叉臂类似，奥迪系列车型转向节钢制件重量（Kg）铝制件重量（Kg）单车使用量（套/台车）轻量化效果减重重量（Kg）转向节4.41.8459.1%10.4前副车架24.613.5145.1%11.1后副车架2011.5142.5%8.5控制臂3.21.8443.8%5.6连杆及支架158/46.7%7.0前后保险杠127241.6%10.0共减重46.2%52.6按照B级车进行评估，底盘件包括保险杠，共可减重52.6Kg。针对具体零件的轻量化效果评估3.轻量化效果评价铝合金副车架目录一二三四五六铝合金副车架市场及发展趋势目前国内外铝合金副车架结构型式副车架性能指标及要求铝合金副车架工艺设计思路材料选型国内开展的工作1.1铝合金在汽车上的应用（2015年）1、铝合金在汽车上的使用比例由2012年的9.0%上升到2015年的10.4%；2、单车使用量由2012年的159kg上升到178.7kg。（duckerstudy）1铝合金副车架市场及发展趋势1.2主要车型的用铝量1、用铝量增加的零件中，除了车轮外，有40%的铝合金零部件是结构件；2、目前欧洲引领汽车零部件用铝技术。1.32006-2012欧洲汽车用铝增量1.3铝合金副车架后副车架前副车架副车架：就是安装悬架和稳定杆，然后将它们作为一个整体总成，通过弹性橡胶垫与车身连接起来。优点：隔振、隔音、轻量、底板较低、空间利用率高。在A/B级车中使用了22.31万吨铝，平均每辆车用铝103kg，其中副车架占6%；在C级车中使用了28.83万吨铝，平均每辆车用铝135.3kg，其中副车架占3%。在D级车中使用了27.18万吨铝，平均每辆车用铝184.2kg，其中副车架占6%；在欧洲的D级车与北美D/E级车相当，目前用铝量还在不断上升。1.4国外汽车上副车架的用铝比例使用铝制副车架的汽车数量（万辆）铝化率（%）24.21.342012年我国铝合金副车架的情况1、我国副车架的铝化率远低于北美和欧盟，存在较大差距。2、基本上完全集中在合资品牌汽车，国产车型有广汽传祺后副车架。3、扩大铝合金副车架在国内自主品牌上的应用是日益发展的趋势。副车架1.4铝合金副车架市场分析2目前国内外铝合金副车架结构型式成型工艺图例成型工艺图例无冒口铸造铸造件低压铸造（保时捷panmera）板材冲压板材冲压件砂型铸造真空压铸（广汽传祺）奔驰S级图例图例挤压+铸件焊接件成型工艺宝马5系成型工艺宝马7系凯迪拉克本田其他液压成型（奥迪A7）钢铝连接（雅阁）2目前国内外铝合金副车架结构型式小结1、现有成熟应用的铝合金副车架成型工艺主要有整体铸造件，板材冲压焊接件，挤压型材+压铸件焊接等成型方式；2、目前应用较多的是采用铸造件和挤压型材+压铸件焊接。3.1结构强度与刚度要求副车架结构刚度和动力学性能设计的过程分析具有竞争力的同类车型的性能指标对新设计提出具体的目标要求实施拓扑构造技术，选择结构方案建立CAE模型进行结构强度分析计算结构优化，得到最佳方案试验验证产品设计的全面评估不断完善3副车架性能指标及要求3.2疲劳耐久性要求疲劳的产生汽车在行驶过程中，由于路面不平整及路面使用过程中造成的缺陷等因素的影响，底盘结构会受到交变载荷的作用疲劳破坏在交变载荷重复作用下，应力值没有超过材料的强度极限，材料或结构所发生的影响疲劳强度的因素材料本身的性质、零件几何形状、表面质量、工作条件、表面处理及参与内应力等破坏现象材料或构件疲劳性能用疲劳强度来衡量，它指材料或构件在交变载荷作用下的强度，采用在一定循环特征下，材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力和疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数作为疲劳极限评价指标。疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的应力水平。4铝合金副车架工艺设计思路成型工艺选择原则功能性使得零件在使用过程中具有良好的使用性能工艺性能够确保零件便于成型加工经济性能使产品具有较低的总成本铸造工艺特点重力铸造晶体组织致密度差。真空压铸晶体组织致密，力学性能高。砂型铸造零件的结构精度不够挤压铸造组织致密，力学性能高，可热处理。4.1成型工艺-铸造综合考虑，采用挤压铸造工艺成型，可保证高致密度及高的力学性能。合金流动性铸造性能力学性能缺点适用铝硅系高好高无生产形状复杂的结构件铝铜系一般差高抗腐蚀性差、生产结构简单，承载力大的结构件铝鎂系一般差高易裂铝锌系一般高高抗腐蚀性差、脆性高4.1.1铸造铝合金综合考虑选择铝硅系合金，通过对标国内外现有的车型副车架材料，最终选择AlSi7Mg系合金A356.3-T6。尺寸：700×1200×250壁厚：5-25mm；工艺：真空无冒口铸造（VRC/PRC）4.1.2典型铸造成型工艺案例冲压时约30个零件变成1个零件。材料：A356重量：16.7kg轻量化效果：40%；来源：美铝尺寸：710×1200×335壁厚：3.9mm；工艺：低压铸造材料：A356重量：16kg典型铸造成型工艺案例保时捷Panamera后副车架4.2成型工艺-板材冲压成型工艺：铸锭——热轧——冷轧——中间退火——冲压成型——机加——焊接总成铝合金零部件的冲压，其技术原理与钢制零部件相同，只是铝制零件的成型要特别注意以下几点：1.在成型模具的设计及成型条件的选定上，要控制延展部位到最小，深冲部位能达到最大成型；2.由于铝合金板总延伸率小，变形分布不均，因此要尽可能地使加工变形分散开，以防深冲裂纹的产生；3.加工时要适当涂润滑油，以防卡模、粘附等；4.由于铝合金板的弹性模量较小，弹性回复量大，故要防止模具过量而造成的形状不良。因回弹增加和出现裂缝，铝合金板的冲压加工难度增大。如使用专用模具，这种影响会减少，但成本很高。此外，采用铝板冲压的生产率低，因为铝板易损伤，模具需频繁清洗，从而也增加了制造成本。4.2.1成型工艺-板材冲压4.2.3工艺特点优点：1、成型性好，强度高，可焊性好；2、不需要淬火、减小淬火变形，提高成型精度。缺点：1、设备要求高；2、由于含Mg量的影响，在适用工况超过80℃时，容易产生晶界腐蚀。合金牌号MgMn强度AA51824.0-5.00.2-0.5强度高AA54542.4-3.00.5-1.0中等强度AA57542.6-3.60.5中等强度4.2.2板材冲压用主要材料对于5xxx材料，当Mg含量超过3%时，暴露在超过80℃的环境中晶界处就易析出β-Mg5Al8颗粒。因此含Mg量高的AlMg合金在排除在高温环境下必须谨慎使用。力学性能：由板材和管材组成，通过MIG焊接而成；板材厚度：2.5-3.5mm，挤压管材壁厚：3.5mm；材料：板材AA5754管材AA6060。重量12.5Kg，减重效果：40%奔驰S级后副车架4.2.4典型案例分析654.3成型工艺—挤压型材+压铸件焊接成型压铸件弯曲的挤压型材型材弯曲焊接件的结构形式宝马3系以挤压型材制成管梁与铸造成型的支架通过焊接而成。纵梁与横梁：AA6061-T6，壁厚：4-7mm；支架：AlSi7Mg；焊丝：ER4043成型工艺4.3挤压焊接件典型案例尺寸L/W/H:1130/675/265最终重量：13Kg凯迪