汽車用鋁合金副車架成形工藝及應用現狀

汽車輕量化是實現節能減排的重要途徑，零部件的“以鋁代鋼”仍然是當前汽車行業實現輕量化的主要手段。副車架作為汽車底盤懸掛系統中的重要結構件，將其鋁制化可大大提高汽車輕量化程度。簡要介紹了鋁合金副車架的成形工藝及其應用現狀，涵蓋了鑄造成形、液壓成形、沖壓成形+擠壓成形+焊接、鑄造成形+擠壓成形/沖壓成形+焊接和鋼鋁連接5種主流的成形方式，并對這些成形工藝的優缺點進行了對比分析。

01 汽車副車架簡介

副車架是汽車底盤上的一個結構件，用于連接懸架裝置和車身。副車架并非真正的車架，而是輔助車架，用來支撐車橋和懸掛的總成支架，它是汽車上承載發動機和車軸的特殊功能結構件。

傳統的副車架一般是通過鋼板沖壓變形后焊接而成，該工藝由于生產簡單方便，被各大主機廠使用。隨著對汽車輕量化要求的提高，以及追求車重減輕后所帶來的能耗效益的最大化，各大主機廠逐漸開發了鋁合金副車架。單件鋼制副車架重量通常為10～25 kg，采用鋁制副車架能減重30%～50%，輕量化效果顯著。

02 汽車副車架鋁制化現狀

歐盟最先開始使用鋁合金代替鋼來生產汽車副車架，經過幾十年的發展，鋁合金副車架最初主要應用在高檔轎車上，隨著副車架生產技術的成熟和生產工藝的多樣性發展，鋁制副車架在中低檔轎車上的應用也逐漸增加。

與國外鋁合金副車架研發和應用情況相比，國內鋁合金副車架研發相對落后。鋁合金副車架結構設計主要依靠引進國外的研發成果進行適應性改造，自主創新能力較弱。在生產方面，國內的鋁合金副車架主要依賴進口以及國外零部件企業在中國的工廠。近年來，隨著國內供應商技術及裝備水平的進步以及輕量化、新能源汽車市場的蓬勃發展，在鋁合金副車架的設計、加工制造方面有了較大進步。

03  鋁合金副車架成形工藝簡介

鋁合金副車架的成形工藝可分為鑄造成形、沖壓成形、液壓成形、擠壓成形四大類。然而，由于副車架結構復雜，單一工藝往往難以滿足成形要求。鋁合金副車架的生產通常采用多種工藝成形，如鑄造成形+擠壓成形/彎曲+焊接工藝、擠壓成形/液壓成形+板材沖壓+焊接工藝、管型材+復雜截面型材+焊接工藝等。

3.1 鑄造成形工藝

鑄造成形是鋁合金副車架生產的主流工藝，相對于擠壓成形、沖壓成形等工藝，鑄造方法可以生產形狀更加復雜的薄壁零件，且一次成形，生產效率高，后續機加工和裝配工序少，成本低廉，因此，在鋁合金副車架生產上被廣泛使用。根據副車架鑄件生產鑄造方式的不同，鑄造成形工藝可分為：金屬型重力鑄造、低壓鑄造和高真空壓鑄等。

低壓鑄造工藝在鋁合金副車架的生產中被廣泛應用，它是反重力鑄造的一種形式。由于金屬液在壓力作用下凝固，組織相對于普通的金屬型鑄件和砂型鑄件更加致密，力學性能更高，且成本低廉，被國內外各汽車企業所認可。低壓鑄造常用的鋁合金為AlSi7Mg合金，該合金具有流動性好、無熱裂傾向、線收縮小、氣密性好等優點，其低壓鑄件抗拉強度可達到290 MPa以上，伸長率可達到8%以上，如圖1所示為部分低壓鑄造工藝成形的副車架。

圖1 低壓鑄造工藝生產的鋁合金副車架

高壓鑄造是將金屬液倒入壓室，然后壓射桿將壓室中的金屬液高速推入澆道和型腔，并使其在高壓下凝固，形成鑄件。但由于高壓鑄造時金屬液高速充填型腔的過程中容易卷入氣體，使得生產的鑄件內部氣孔多，無法進行熱處理，產品伸長率很低，在應用上受到限制。

高真空壓鑄是在普通壓鑄的基礎上，采用輔助的高真空控制系統、真空泵、真空截止閥等裝置，在金屬液填充模具型腔之前，將型腔中的氣體抽出，使模具型腔中形成較高的真空度（＜100 mbar），并保持至填充結束。國內第一款高真空壓鑄鋁合金副車架，其抗拉強度可達240 MPa，屈服強度140 MPa，被批量應用。高真空壓鑄工藝可有效避免充型卷氣，得到的鑄件致密度高，可進行熱處理和焊接，鑄件力學性能好，伸長率高，受到各大主機廠重視，如圖2所示為部分高真空壓鑄鋁合金副車架實例。

圖2 部分高真空壓鑄工藝生產的鋁合金副車架

金屬型重力鑄造也是生產副車架的一種常用鑄造工藝。它是在重力的作用下，金屬液通過澆道系統進入金屬模并凝固成形的工藝方法。常見的重力鑄造鋁合金材料為Al-Si系，尤其以AlSi7Mg合金應用居多。目前該工藝的重點研究方向為：以實現順序凝固為目標的工藝設計及仿真技術、鑄造/型材間焊接的質量控制及變形控制、合金及焊縫區組織性能控制、質量控制標準制定等。圖3a為國內某車型所采用的鋁合金副車架，其左右兩端支架為AlSi11合金的重力鑄件，圖3b為上海匯眾依托上汽某車型開發的尺寸為800 mm×500 mm×200 mm的汽車前副車架。

圖3 部分重力鑄造生產的鋁合金副車架

3.2 液壓成形工藝

液壓成形與傳統成形工藝不同，它采用水或者油取代凸?；虬寄Ｗ鳛閭髁橘|，通過對傳力介質施加壓力使得待加工工件發生適當的塑性變形，從而達到設計要求。液壓成形技術最早廣泛應用于航空航天領域，可以生產形狀復雜的薄壁件，重量輕、剛度高、精度高，在生產過程中可減少零部件種類、焊縫長度、機械加工工序、產品組裝工序等，有降低生產成本、縮短加工周期等優點，自20世紀90年代起，受到汽車界的極大矚目而蓬勃發展。對于生產像汽車副車架這樣形狀復雜的零件，液壓成形的主要工序包括：彎曲、預成形、液壓成形和后處理等。李武泉等采用液壓成形管件與鈑金沖壓件拼焊成的后副車架，將原后副車架由18.2 kg 降低到14.6 kg，實現減重3.6 kg（19.7%），性能保持不變。圖4展示了采用液壓生產技術生產的寶馬5系車副車架及預彎成形后的管件制品和梅賽德斯S系列車的副車架。

圖4 采用液壓技術生產的鋁合金副車架及其部件

3.3 沖壓成形+擠壓成形+焊接工藝

板材沖壓成形工藝一般采用非熱處理強化的中高強度Al-Mg-Mn系合金，最常用的合金為AlMg3Mn和AlMg3.5Mn。這類合金具有較高的強度、良好的成形性、焊接性，不需要固溶時效硬化，具有良好的熱軋和冷軋性能。板材沖壓成形可以制備主梁、安裝支架以及加強筋等，最后通過焊接的方法工藝將這些部件焊接成為整體副車架。擠壓成形可生產截面復雜、壁薄等特點的零件，零件尺寸精度高、表面質量好、強度高。副車架上的擠壓成形件一般用作主梁，通過焊接成形技術實現與其他部件如沖壓件之間的連接。這些擠壓型材通常采用以6061、6063和6082鋁合金為代表的Al-Mg-Si系合金。該系列鋁合金具有良好的擠壓成形性、耐腐蝕性、焊接性、機加工性能和成形性能，產品表面質量優異，在車架及副車架中應用廣泛。

如圖5a所示為奔馳S級后副車架，其板材沖壓件厚2.5~3.5 mm，使用AlMg3.5Mn合金，擠壓結構件使用6060合金，整個副車架減重可達到40%。圖5b所示為寶馬某車型的前副車架，采用板材沖壓件及擠壓件焊接而成。

圖5 采用沖壓成形+擠壓成形+焊接工藝生產的鋁合金副車架

3.4 鑄造成形+擠壓成形/沖壓成形+焊接工藝

擠壓成形的型材和板材沖壓成形的板材一般具有強度高、尺寸精度高、表面質量好等優點，用來生產副車架的支架或主梁，可以滿足副車架的強度和剛度要求。擠壓或者沖壓工藝不易成形，部分主機廠往往會采用鑄造成形方法生產車身連接用結構件，由于可以一次成形，能夠減少后續的裝配安裝工序，提高了生產效率，擠壓成形件和鑄件通過焊接工藝連接在一起，組成汽車副車架。

圖6給出了部分鑄造成形+擠壓成形/沖壓成形+焊接成的汽車副車架實例，圖6a所示副車架主梁為擠壓件，采用6061合金，并經T6熱處理，兩邊的鑄件部分采用AlSi7Mg0.6合金，最終通過MIG焊接工藝焊接在一起，相比較于傳統鋼制副車架，質量減少約35%。圖6b所示副車架由兩個鑄件和一個擠壓空心型材焊接而成，質量僅為5.8 kg，減重約30%。圖6c所示副車架尺寸為1 130 mm×675 mm×268 mm，由鑄件及沖壓件焊接而成，質量僅為13 kg，應用于某款高級轎車。

圖6 采用鑄造成形+擠壓成形/沖壓成形+焊接工藝生產的鋁合金副車架

3.5 鋼鋁連接

由于鋁合金成本相對鋼制產品加工成本較高，有許多主機廠并未完全將汽車副車架進行鋁合金化，而是采用鋼鋁連接的方法實現副車架部分部件的鋁制化，在一定程度上節約了加工成本，同時實現了副車架的輕量化。鋼鋁連接一般通過IW（鋼釘沖鉚鋁板和鋼釘與鋼板點焊）、SPR（自沖鉚連接）和FDS（自攻螺紋連接）技術實現鋼制結構件和鋁制結構件的連接。圖7a所示為廣汽本田雅閣用鋼鋁連接后副車架，由于主機廠對輕量化需求較強，鋼鋁連接副車架輕量化程度不如鋁制副車架，現在已經逐步被鋁制副車架所代替，其鋁制副車架如圖7b所示。

圖7 鋼鋁連接副車架及其鋁制副車架替代品

04  結束語

隨著國家對節能減排提出越來越嚴苛的要求，以及新能源汽車的不斷發展，乘用車輕量化進程已越來越緊迫。副車架作為一款重要的安保部件，其零件重量大，鋁制化后可很大程度地降低重量，提高乘用車的操控性和舒適性。目前，國外在鋁合金副車架的應用方面處于領先地位，國內由于技術儲備、設備條件、生產加工能力及最終的采購成本等因素的限制，在自主研發品牌車型上應用的鋁合金副車架較少，國內相關企業應加大鋁合金副車架技術研發投入，特別是要加強管型材液壓成形技術、等溫擠壓技術、高精度型材三維彎曲控制技術以及基于定向凝固理論的結構設計等領域的研發，逐步提升鋁合金副車架研發設計能力和生產工藝水平，增強市場競爭力。