近年来,随着全球气候变暖和能源问题的日益突出,各国政府纷纷出台苛刻的法律法规要求汽车制造企业降低产品能耗、减少污染和提高燃料的经济性。要实现以上目标,关键在于减轻汽车本身的质量,汽车轻量化因此成为21世纪汽车技术的前沿和热点,其中,铝合金应用受到了人们的广泛关注。
铝合金应用的优势及局限性
1.应用优势
汽车车身采用铝合金相比于传统钢材具有很大的优势,主要体现在以下几个方面:实现汽车轻量化,节能降耗,有利环保;汽车铝合金零部件回收再利用率高,铝合金熔点低,便于重熔回收,目前回收率不低于90%;铝合金汽车可在不减小汽车容量的情况下减轻汽车自重,车身重心减低,行驶更稳定、舒适;由于铝合金汽车轻便、质量小,故碰撞时的能量相比于钢体汽车小了许多,此外,铝合金材料性能及车身构造能充分吸收撞击时的能量,故而更加安全;铝合金汽车整体构架焊点少,减少了加工工序,整体车身比钢铁焊接车身约轻35%,且无需防锈处理,只有25%~35%的部件需进行点焊,因而可大幅度提高汽车的装配效率;提高燃油效率,加大载重能力。
2.应用的局限性
铝合金在汽车车身应用的局限性主要体现在以下几个方面:
(1)加工难度比钢材大很多。轿车车身大部分的工件是靠冲压成形,典型的浅冲铝合金车身板的冲压性能与钢板基本相同。但是,由于铝合金深冲压性能较差,为防止断裂,应尽量减少集中拉伸,深拉时要进行良好的润滑并采用异形坯料,以促使金属顺利流进模具。对于某些特殊的铝合金可实施局部或分步作业,如弯曲、下翻边、折边和空翻边等。
(2)焊接比钢材难度大得多。铝合金和钢的连接特性主要有两点区别:铝合金的热导率和电导率是钢的3倍;铝点焊焊缝的焊接时间短(仅为钢的2/9),所以总的焊接时间与钢的相当。
(3)成本比钢材高很多。铝合金的价格是钢铁的5倍,一定程度上影响到铝合金的广泛使用。
模拟分析与实际应用
以车身上的某个零件为例,其材质是铝合金材料AlSi T4-1,材料厚度是0.8 mm,如图1所示。
1.形状特点
该零件在整车中不属于承重结构件,对此零件碰撞性能要求不高。其整体形状简单,表面特征较少,冲压件成形相对容易。此零件外形尺寸为640 mm×385 mm×163 mm,厚度为0.8 mm。以往车型此零件一般选用的材料是DC03,在此车型上选用的材料是AlSi T4-1。此零件特点及要求如下:形状相对单一,立面特征较少,采用铝合金,可能会产生回弹;R角按照普通钢板的大小设计,可能会产生局部R角破裂的现象;产品凸包特征明显,可能会产生起皱现象。
2.有限元模型建立
为了能更准确地把握铝合金材质成形后的状态,降低产生各种缺陷的风险,我们先对传统材质DC03进行了分析,用Dynaform DFE功能快速建模分析,从而确定最优化的冲压方向、成形方式以及料片形状等信息。以快速建模分析结果为依据,工艺人员对产品局部进行了优化。工艺人员据此使用3D软件精确建模分析,由此设计出成形模面。CAE的分析结果如图2所示,其中坯料尺寸为640 mm×550 mm×0.8 mm,摩擦系数为0.16,模拟结果良好。
在各项参数都不变的条件下,把DC03替换为AlSi4-1,模拟结果显示冲压件上的特征和R角局部开裂,特征临近处起皱严重。在成形过程中,通过增大凹模圆角半径和增大凸模底部R角,可以改善材料流动状况。按照此思路,经过多轮调试,模具凸凹模R角适当放大,特征深度减小,坯料尺寸优化为670 mm×586 mm×0.8 mm,摩擦因数依然为0.16,CAE分析出相对比较满意的结果,如图3所示。
3.模拟结果与实物对比
用传统的板材DC03做此冲压件时,会把工艺规划为OP10落料、OP20成形和OP30冲孔。第一序落料,需要排样,按照冲压件的轮廓一次去除废料。
而替换成材质AlSi4-1后,此时成形需要压料。所以对工序进行了重新排布,调整后的工序为OP10成形、OP20修边和冲孔以及OP30修边,即两次修边分开进行,避免了一次修边造成的冲压件变形。最终工艺规划,坯料尺寸为670 mm×586 mm×0.8 mm。采用DC03材质时,冲压件质量是3.020 kg;采用AlSi4-1材质时,冲压件质量是1.039 kg。铝合金制件质量约是普通钢板的34%,减重效果可观。图4为产品实物照片,实物与CAE分析一致,满足使用要求。
结语
针对传统材料DC03和铝合金材料AlSi4-1的CAE分析结果进行对比,同时参照实物结果,我们得出如下分析结论:铝合金材料的成形性能,不及传统板材料DC03;铝合金成形需要压料,避免型面上起皱现象的产生,因此坯料尺寸相对传统材料DC03大些;AlSi4-1的板材硬度低,为了防止变形,不能单次进行大范围修边,此实例中的冲压件分为两步修边;此制件用AlSi4-1比用DC03时轻了66%,这种优势适应了今后汽车的发展趋势。
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