原標(biāo)題：鋁合金副車架開發(fā)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

摘要：作為簧下質(zhì)量，副車架輕量化可起到事半功倍的效果，在眾多材料、結(jié)構(gòu)、工藝選擇中，鋁合金整體空腔低壓鑄造副車架具備較強競爭力。本文從結(jié)構(gòu)特征、工藝流程、創(chuàng)新技術(shù)等方面，介紹了整體空腔副車架的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)，重點分析了后處理和機加工兩個生產(chǎn)節(jié)拍瓶頸、低壓鑄造和熱處理兩個產(chǎn)品良率瓶頸技術(shù)，并給出解決方案。最后，預(yù)測了未來副車架的發(fā)展方向和競爭格局。

近十年來，在能源危機和政策法規(guī)的驅(qū)使下，新能源汽車蓬勃發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，自2014—2023年，新能源汽車滲透率由0.3%猛增至31.6%。然而，新能源汽車，特別是純電動汽車，面臨充電和續(xù)航的巨大挑戰(zhàn)，由此輕量化工作被提到了前所未有的高度。汽車的質(zhì)量可以分為兩大部分，即簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量，簧上質(zhì)量指由懸架系統(tǒng)及彈性元件所支撐的重量，包括車架、發(fā)動機、變速箱和乘客等；簧下質(zhì)量指不由懸架系統(tǒng)彈性元件所支撐的部分，包括車輪、懸架、避震彈簧和減震器等部件，作為懸架的核心零部件，副車架輕量化可起到事半功倍的效果。

副車架是前后車橋的骨架，作為前后車橋的組成部分，支承前后車橋和懸掛的支架，使車橋和懸掛通過它再與“正車架”相連，所以稱為“副架”。副車架主要用于多采用承載式車身的乘用車，可實現(xiàn)左右懸架的連接，使其成為一個整體，進而提高懸架系統(tǒng)的連接剛度，同時阻隔振動和噪聲，減少其直接進入車廂，改善NVH（即噪聲Noise、振動Vibration與聲振粗糙度Harshness），另外，副車架還可以增加三個承載路徑：①防撞梁→前縱梁→縱梁延伸梁；②縱梁地板延伸→中央通道/門檻梁；③前縱梁→A柱→車頂梁，如圖1所示。

圖1 副車架所傳遞的承載路徑

副車架主要材質(zhì)為鋼鐵和鋁合金，隨著汽車輕量化逐步推進和新能源汽車的發(fā)展，同時受限于成本因素，鋁合金副車架的應(yīng)用呈爆發(fā)式的增長。鋁合金副車架成形工藝涵蓋沖壓、液漲、型材焊接、壓鑄、低壓鑄造和鋼鋁連接六種工藝及其組合工藝，鋁合金副車架結(jié)構(gòu)又分為分體焊接、整體實心鑄造和整體空腔鑄造。

01 整體空腔副車架及工藝特征

1.1 整體空腔副車架介紹

基于產(chǎn)品工況、輕量化、碳排放和價格，整體空腔鑄造優(yōu)勢明顯。首先，在產(chǎn)品開發(fā)前期，結(jié)合受力工況、對手件包絡(luò)空間、鑄造和加工工藝等信息，進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，最大程度實現(xiàn)輕量化；其次，截面積不變的情況下，薄壁空腔結(jié)構(gòu)的構(gòu)件擁有更高的相對剛度和相對強度；第三，相對分體焊接副車架，整體鑄造副車架無焊縫，避免了焊縫熱影響區(qū)性能下降問題；第四，整體鑄造成形由沖壓焊接的幾十道工序和分體焊接的數(shù)道工序縮減為單次一體成形，使開發(fā)流程大幅度縮短，供應(yīng)鏈管控顯著簡化。

整體空腔副車架一般采用低壓鑄造工藝一體成形，如圖2所示，其中藍色為機加工表面、紅色為澆冒口位置、褐色為產(chǎn)品內(nèi)表面、灰色為產(chǎn)品外表面，其具備鮮明的產(chǎn)品特征：（1）大尺寸，一般為（1 000~1 200） mm×（800~1 000） mm×（300~500） mm；（2）薄壁，基礎(chǔ)壁厚，多為4~5 mm，部分為3.5 mm；（3）空腔，需要大尺寸砂芯，制芯難度提升；（4）復(fù)雜截面，壁厚變化較大，熱節(jié)較多[9]；（5）加工特征眾多，X、Y、Z三個方向六個面均需加工且?guī)в幸欢ń嵌龋^20把刀具；（6）底盤件，一類安全件，失效零容忍。六大特征對整個制造流程的各個工序提出了巨大挑戰(zhàn)。

圖2 整體空腔副車架產(chǎn)品特征

1.2 整體空腔副車架制造流程

整體空腔副車架的制造流程主要包含準備、低壓鑄造、后清理、熱處理和后處理五大工序模塊，如圖3所示。

圖3 整體空腔副車架制造流程

（1）準備：主要包括制芯、熔化和備模三部分。制芯又分為無機和有機，雖然成本高，但環(huán)境友好型的無機砂芯目前逐步成為主流；熔化一般采用鋁液直供或集中熔化方式，材料為A356、A356.2、AlSi7Mg、ZL101A，回爐料比例一般不超過40%；備模主要涵蓋表面噴涂、模具保養(yǎng)和模具維修等工作。

（2）低壓鑄造：核心是鑄造工藝和鑄造模具。鑄造工藝的設(shè)定和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響產(chǎn)品合格率（疏松、氣孔等內(nèi)部缺陷，變形、冷隔等表面缺陷），鑄造模具的溫度平衡設(shè)計決定了生產(chǎn)節(jié)拍。

（3）后清理：包括震落砂、去澆冒口、X光檢測和打磨，核心是生產(chǎn)節(jié)拍。震落砂一般要求殘砂量小于2%，否則會影響熱處理和機加工；去澆冒口重點關(guān)注效率和澆口殘留，效率取決于模具和鋸切方案設(shè)計，澆口殘留一般不超過3 mm；X光檢測，可采用自動判定+部分介入的方式，以提高準確率和效率。

（4）熱處理：包括加熱保溫、淬火（校形）和時效。重點關(guān)注淬火變形問題，需從產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計和料框設(shè)計等多方面解決變形問題，校形治標(biāo)不治本，且易產(chǎn)生裂紋。

（5）后處理：主要由機加工、清洗和裝配等組成，重點為機加工工藝。基于多種因素考量，在工序數(shù)量和機床軸數(shù)存在多種組合，主流工藝為：兩序完成（臥式搖籃五軸），整體及格節(jié)拍為30 min。

02 整體空腔副車架面臨的困境與挑戰(zhàn)

目前，采用鋁合金低壓鑄造工藝制造整體空腔副車架已成為主機廠的重要選擇之一，特別對于造車新勢力或傳統(tǒng)主機廠新車型平臺，其已經(jīng)成為首選。然而，整體空腔副車架的制造過程存在由于產(chǎn)品良率和生產(chǎn)效率較低而引起的成本高居不下的困境，同時面臨來自多種材料、多種結(jié)構(gòu)和多種工藝的挑戰(zhàn)。

2.1 整體空腔副車架自身困境

在汽車輕量化過程中，整體空腔副車架的推廣與應(yīng)用遇到最大阻力之一就是成本遠高于鋼制副車架，產(chǎn)品良率較低、生產(chǎn)節(jié)拍較長、材料價格及利用率、產(chǎn)線柔性與訂單量等因素均可導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。

2.1.1 產(chǎn)品良率

整體空腔副車架的不良品主要來自內(nèi)部冶金缺陷和產(chǎn)品變形，分別對應(yīng)低壓鑄造工序和熱處理工序。由于產(chǎn)品尺寸相對較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，鑄件壁厚不同，鑄造過程中易出現(xiàn)氣孔、縮松、夾渣及裂紋等缺陷，如圖4所示，而這些缺陷正是疲勞失效的裂紋源，是底盤結(jié)構(gòu)件（一類安全件）所不允許的。一般而言，底盤結(jié)構(gòu)件的缺陷等級要求為關(guān)鍵區(qū)域二級、非關(guān)鍵區(qū)域四級，鋁鑄件內(nèi)部缺陷可通過熔體凈化處理、模具溫度控制、澆冒口設(shè)計及工藝參數(shù)優(yōu)化等手段得到有效改善。

圖4 鑄造缺陷

產(chǎn)品變形，如圖5所示，包括鑄造變形和熱處理變形，是整體空腔副車架面臨的又一大難題。整體空腔副車架壁厚較大、剛度較高，大變形量，校形困難，易產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。另外，鑄件變形及變形量波動，還會影響機加工工藝，例如裝夾、撞刀、過切和切不足等。目前行業(yè)內(nèi)主要從兩個角度解決變形問題，一是通過模具熱平衡設(shè)計、料框工裝設(shè)計結(jié)合淬火入水姿態(tài)調(diào)整來降低內(nèi)應(yīng)力，二是人工或自動機械校形的補救措施。

圖5 整體空腔副車架變形量校對

校形方法治標(biāo)不治本，解決產(chǎn)品變形問題還需從變形本質(zhì)出發(fā)。鋁鑄件變形源自兩方面，即外界因素和內(nèi)在原因。外界因素包括開模拉力、頂桿力、起模包緊力、堆疊壓力和磕碰等，可通過鑄造工藝、模具設(shè)計和生產(chǎn)管理等途徑來消除。內(nèi)在原因是指內(nèi)應(yīng)力，即在某一溫度下，鋁鑄件局部所受應(yīng)力大于該溫度下屈服強度而產(chǎn)生變形，該內(nèi)應(yīng)力主要來自凝固過程收縮和熱處理過程冷卻不均。在鑄造過程中，不同部位的冷卻順序和冷卻速率均存在差異，相應(yīng)的收縮率也不同，進而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過材料在此溫度下的屈服極限時，產(chǎn)生變形超差的不良品。熱處理過程中，鑄件鑄造凝固產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會在加熱時得到釋放，鑄件會因此時強度顯著降低而產(chǎn)生變形；在保溫后，近100 ℃/min的淬火工藝會使結(jié)構(gòu)復(fù)雜壁厚不均的副車架產(chǎn)生更大的變形，另外空腔鑄件內(nèi)外表面的冷卻速度差異明顯也會造成變形。

整體空腔副車架的合格率一直是業(yè)內(nèi)難題，需要設(shè)計、材料、工藝、設(shè)備和管理相互協(xié)作，才能達到理想狀態(tài)，進而降低成本，提高競爭力。

2.1.2 生產(chǎn)節(jié)拍

整體空腔副車架的生產(chǎn)工藝包括制芯、熔化、鑄造、后處理、X光檢測、熱處理、熒光檢測、機加工和裝配等十幾道工序，其中低壓鑄造、后處理和機加工耗時較長，往往成為生產(chǎn)過程的瓶頸。

整體空腔副車架低壓鑄造節(jié)拍約為360~420 s/件，節(jié)拍較長是由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和低壓鑄造工藝特征決定的，一般均通過增加設(shè)備來提高產(chǎn)能。

為了避免和消除卷氣、疏松和澆不足等缺陷，低壓鑄造工藝常采用多澆口和多冒口，如圖6所示，后處理內(nèi)容就是去除砂芯、澆口、冒口以及飛邊，具體包括震砂、落砂、切邊、帶鋸切、大/小圓盤鋸切和打磨等子工序，節(jié)拍約為240~300 s/件，由于后處理工序涉及多個設(shè)備，假如通過增加設(shè)備來提高產(chǎn)能，會顯著增加設(shè)備投資，因此震落一體機代替震砂機和落砂機、綜合鋸站代替多個鋸床的方案更具性價比。

圖6 某款整體空腔副車架澆冒口方案

副車架機加工會涉及六個面、超過20把刀具，具有加工點位多和加工量大的特征，且殘砂影響刀具壽命，如圖7所示，其中藍色為機加工點位、紅色為澆冒口（需鋸切）。另外毛坯尺寸波動較大，對機加工藝窗口有較高要求。目前行業(yè)內(nèi)主要采用龍門五軸/兩序、臥式五軸+旋轉(zhuǎn)工作臺/兩序、臥式搖籃五軸/兩序、臥式搖籃五軸/一序等方案，節(jié)拍約為20~60 min，最快可以做到10 min。

圖7 整體空腔副車架機加點位

2.1.3 其他因素

產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率是整體空腔副車架生產(chǎn)面臨的最棘手問題，前者直接影響生產(chǎn)成本，后者直接影響訂單交貨期。除此之外，材料利用率和產(chǎn)線兼容性也是不可忽視的重要因素。

相對傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車的發(fā)展呈現(xiàn)出高速迭代更新、差異化配置的特點，反應(yīng)到副車架等構(gòu)件上體現(xiàn)為多品種、小批量，這就對產(chǎn)線的兼容性提出較高要求，而產(chǎn)線的兼容性與效率往往是成反比的。

2.2 多種技術(shù)方案的挑戰(zhàn)

在整體空腔副車架主導(dǎo)市場的同時，科研技術(shù)人員不斷進行研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作，將眾多新技術(shù)、新工藝應(yīng)用到副車架生產(chǎn)制造中，如圖8所示。

圖8 整體式副車架創(chuàng)新技術(shù)

隨著一體化壓鑄技術(shù)的發(fā)展，高真空壓鑄技術(shù)日趨成熟，德國漢特曼金屬鑄造公司對原有模型進行整體重建和開發(fā)、計算和模擬，通過集成到鑄造過程中的中空型材創(chuàng)造了一個封閉的空腔，與上殼體的拓撲優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合，實現(xiàn)了副車架的一體式壓鑄設(shè)計，滿足了所有強度、剛度和NVH的要求，并實現(xiàn)了量產(chǎn)，如圖8（a）所示。與整體空腔低壓鑄造副車架相比，具有進一步的輕量化和高效生產(chǎn)的優(yōu)勢。

電磁驅(qū)動鑄造是采用電場與磁場交互作用產(chǎn)生的電磁力（替代低壓鑄造工藝中氣壓）驅(qū)動鋁液定向移動，從而成形鑄件的鑄造技術(shù)，如圖8（b）所示。電磁驅(qū)動鑄造技術(shù)具有精準的液面控制、材料利用率高（可達70%）、無升液管低耗材等優(yōu)點，適合超大尺寸鋁鑄件的制備，目前已在整體空腔副車架和電池框架實現(xiàn)了量產(chǎn)，并對一體式下車體進行了嘗試。

宇部興產(chǎn)機械集團開發(fā)了Hybrid Fill Casting（簡稱HFC技術(shù)），采用氣體和液壓兩種加壓方式對模具模腔內(nèi)金屬液充填及凝固進行壓擠雙控鑄造成形，如圖8（c）所示。HFC技術(shù)可以有效抑制熔體溫度的下降，通過中心銷以及局部擠壓銷對充填在模具內(nèi)的熔體進行加壓，使其在模具表面持續(xù)保持壓力下急速凝固，能夠得到細微的組織，與低壓鑄造工藝比較，采用HFC技術(shù)可獲得具有良好冶金質(zhì)量（無氣孔、疏松等缺陷）和機械特性（拉伸強度、疲勞強度），進而實現(xiàn)最大程度輕量化。HFC技術(shù)在鋁合金副車架產(chǎn)品上具有廣闊的應(yīng)用空間。

另外，面對多品種、小批量或中小批量的大型鑄件產(chǎn)品，采用3D打印砂型和砂芯，如圖8（d）所示，進行低壓鑄造，以低成本獲得鋁鑄件，解決了新產(chǎn)品開發(fā)階段的高昂開發(fā)費用問題，也能靈活應(yīng)對產(chǎn)品開發(fā)。

2.3 整體空腔副車架競爭策略

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2020年鋁合金副車架滲透率僅為8%，預(yù)計2025年副車架滲透率將會超過30%，其中鋁合金整體空腔副車架分別為5%和28%，未來還有較大的市場空間，然而能否搶占廣闊的市場空間取決于其競爭策略。可以從三個維度對鋁合金整體空腔副車架進行分析，制定競爭策略，即材料、工藝和結(jié)構(gòu)。

材料端，在汽車行業(yè)應(yīng)用中，鋁合金最突出的兩大優(yōu)勢是良好成形性和極高回收率。鋁合金幾乎可以實現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密制造，包括鑄造、擠壓、鍛造和軋制等多種成形工藝，同時可以保持較小壁厚；鋁合金全生命周期回收率可達95%以上，其中重熔過程燒損可以做到1%以下，這就極大拉動了鋁合金的循環(huán)再生，而再生鋁的批量應(yīng)用會顯著降低成本和碳排放。

工藝端，采用低壓鑄造工藝，可以保證鋁液平穩(wěn)填充，內(nèi)部冶金質(zhì)量較高，可獲得較為均勻溫度的力學(xué)性能（抗拉強度近280~320 MPa，屈服強度220~250 MPa，伸長率6%～8%），同時保持底盤安全件較高的疲勞性能。

結(jié)構(gòu)端，整體空腔結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn)短流程制造和提供產(chǎn)品高度，傳統(tǒng)副車架往往包含沖壓/擠壓、機加工、焊接和二次機加工等多個工序，整體鑄造方案可縮短為鑄造和機加工兩個工序，顯著減少工序數(shù)量，降低風(fēng)險管控點和生產(chǎn)成本。而空腔結(jié)構(gòu)則有高剛度和高強度優(yōu)點，如圖9所示，截面面積不變，設(shè)計實心棒、工字形、厚壁圓管、薄壁圓管、厚壁方管和薄壁方管六種不同截面形狀，并以實心棒為基準計算其他截面形狀的相對剛度和相對強度，計算結(jié)果表明，薄壁方管具有最高的相對剛度和相對強度，即整體空腔副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

圖9 相同截面積時不同截面形狀的相對剛度和相對強度

03 結(jié)束語

在新能源汽車不斷發(fā)力與滲透下，鋁合金副車架未來會有更廣闊的市場。相對而言，整體空腔結(jié)構(gòu)副車架優(yōu)勢明顯，更具競爭力，但需要持續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、工藝，解決良率和節(jié)拍瓶頸，以提升產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)節(jié)拍，進而降低成本。

作者

韓星1，2，劉超1，陳武2，樊立軍2，吳玉2，
耿卓2，張繼明2，莫宇飛1，周衛(wèi)東1

1.山東宏橋輕量化科技有限公司

2.山東宏文汽車底盤系統(tǒng)有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：鑄造雜志