Chapter 2
第2章 汽車鋁合金擠壓型材的材料、工藝及設(shè)計(jì)

2.1 汽車用鋁擠壓型材件概述

近幾十年來，鋁型材零件在性能、成本、可靠性和生產(chǎn)效率等方面有明顯的優(yōu)勢，在全世界的建筑行業(yè)和制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

在制造業(yè)中，設(shè)計(jì)工程師可以選擇的材料很多，包括鋼、銅、塑料、復(fù)合材料、陶瓷、鋁和鎂等；可以選擇的工藝也很多，包括輥壓成形、沖壓成形、鑄造、3D打印、注塑成型、吹塑成型、擠壓和鍛造等。每一種材料和對(duì)應(yīng)工藝的選用適用于特定的場合和要求。采用鋁合金擠壓工藝成型的不同型材零部件截面形狀可滿足汽車上不同部位零件的應(yīng)用需求，如鋁車身型材件、動(dòng)力電池型材框架、動(dòng)力總成托架、電機(jī)殼體零件等，如圖2-1～圖2-4所示。

多種汽車零部件在設(shè)計(jì)時(shí)之所以選擇了鋁合金材料和鋁擠壓工藝，也是由于鋁擠壓型材的綜合表現(xiàn)超過了其他的材料。鋁合金型材件的應(yīng)用除了可以顯著降低重量，提高零部件的剛度模態(tài)和耐撞性，還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）鋁擠壓型材截面尺寸精度高。鋁合金由于生產(chǎn)工藝不同，精度各不相同。對(duì)于高真空壓鑄結(jié)構(gòu)件，由于鑄件的收縮和熱處理導(dǎo)致變形，尺寸偏差通常比較大，偏差大的能達(dá)到1～3mm。而對(duì)于鋁擠壓工藝，截面尺寸精度一般更高，尺寸更穩(wěn)定且更容易控制。通過高精的模具加工和模具改進(jìn)，汽車用鋁擠壓型材零件完全可以滿足絕大部分汽車產(chǎn)品的尺寸精度要求。通常，擠壓后的型材截面形狀的尺寸精度就能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，尺寸精度可控制在1mm之內(nèi)。因此，在尺寸精度上，鋁擠壓工藝是一種成熟、優(yōu)異、有競爭力的工藝。

2）減少制造工序。由于鋁擠壓型材的截面可以復(fù)雜多樣，厚度的設(shè)計(jì)自由度也比較大，鋁擠壓型材的毛坯就可以實(shí)現(xiàn)較高的尺寸精度，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)零件數(shù)量的最少化，以及從擠壓毛坯到最終成品零件的制造工序最少化。僅通過切割、鉆孔、沖孔、機(jī)械加工和彎曲等工序就可以交付使用。如果在力學(xué)性能的要求上需要調(diào)整，也可以增加熱處理工藝環(huán)節(jié)。

3）良好的導(dǎo)熱性和無縫特性。在汽車上，鋁被廣泛用于傳遞熱量進(jìn)行冷卻和加熱。在單位重量導(dǎo)熱性上，鋁合金比大部分其他金屬材料表現(xiàn)優(yōu)異。比如在電驅(qū)動(dòng)電橋控制器中的散熱器、汽車前端的冷卻模塊以及空調(diào)的冷水管等。鋁擠壓型材可以制成空心形狀的管路，以避免或降低液體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，電機(jī)殼體的冷卻水路、水管接頭、電池包水冷管路都是采用鋁擠壓型材。同時(shí)，對(duì)于一些有電磁兼容性（EMC）要求的區(qū)域來說，無縫的鋁型材件也可以起到很好的屏蔽作用。

4）易連接性和易裝配性。鋁合金零件的連接形式多種多樣，如焊接、攪拌摩擦焊、機(jī)械連接（包括FDS和SPR）、膠接、嵌入和卡接等，都適合連接鋁型材和其他材料零件。在裝配上，通過螺栓與其他零件進(jìn)行固定的形式更是豐富靈活。

5）生產(chǎn)周期短。不論是為了滿足小批量生產(chǎn)的mule車、軟模造車零件，還是大批量生產(chǎn)的硬模零件，鋁擠壓型材零件開發(fā)周期短的優(yōu)勢非常明顯。簡單的鋁擠壓型材零件從開模到出件，周期只要1～2周；即使截面復(fù)雜、尺寸較大的一些汽車鋁擠壓型材零件，如電機(jī)殼體和門檻梁，開模周期也就4周左右。而像鑄造、沖壓零件的開模周期通常在4～16周。而3D打印快速成形、金屬粉末燒結(jié)成形雖然在單個(gè)零件制作上周期更短，但是費(fèi)用更高，且有時(shí)難以滿足零件數(shù)量和性能上的要求。

6）模具費(fèi)用低。鋁型材零件的一套擠壓模具成本在幾千元到幾萬元之間，與鑄造、沖壓模具幾十萬元到幾百萬元的費(fèi)用相比，要便宜很多。對(duì)主機(jī)廠來說，采用擠壓成型件就可以節(jié)省很大一部分的一次性投入費(fèi)用，也會(huì)使后期的設(shè)計(jì)變更成本降低，增加設(shè)計(jì)靈活度。