新能源汽車(chē)鎂合金零部件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用
2020年11月17日 10:7 38502次瀏覽 來(lái)源: 中國(guó)有色金屬報(bào) 分類: 鎂應(yīng)用 作者: 張文毓
新能源與汽車(chē)
新能源汽車(chē)是對(duì)以非常規(guī)車(chē)用燃料為動(dòng)力來(lái)源的多種汽車(chē)的總稱,它主要包括氫能源動(dòng)力汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、太陽(yáng)能汽車(chē)、高效儲(chǔ)能器汽車(chē)和天然氣汽車(chē)等,其中,氫能源動(dòng)力汽車(chē)是一種極具應(yīng)用潛力的新能源汽車(chē)。但是,該類新能源汽車(chē)的關(guān)鍵零部件之一電池的研究至關(guān)重要,現(xiàn)有的儲(chǔ)氫電池難以滿足其容量需求,而鎂合金儲(chǔ)氫電池作為一種容量較大的儲(chǔ)氫電池備受業(yè)界的關(guān)注,然而鎂合金的耐蝕性較差,嚴(yán)重阻礙了鎂合金在新能源汽車(chē)零部件上的應(yīng)用。
與鋰相比,鎂更適合充當(dāng)電池,比如,鎂是自然界中分布最廣泛的元素之一,其價(jià)格比鋰價(jià)便宜很多;鎂以及相關(guān)化合物均無(wú)毒害作用或毒性極低,更有利于環(huán)保;鎂沒(méi)有鋰那么活潑,相對(duì)更容易操作,加工方面也更為安全。正是由于鎂的這些特質(zhì),發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家(特別是日本)在新型鎂電池研究方面一直投入大量資源,并已取得了不錯(cuò)的成績(jī)。
由目前的研發(fā)狀況可知,新能源汽車(chē)分類的主要依據(jù)是動(dòng)力創(chuàng)新,主要可以分為以下3種:混合動(dòng)力汽車(chē),選擇電動(dòng)機(jī)加發(fā)動(dòng)機(jī)的模式,利用電能和油耗來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力;純電動(dòng)汽車(chē),電力驅(qū)動(dòng)是研發(fā)新能源汽車(chē)的大方向,雖然它的優(yōu)點(diǎn)很多,但是,車(chē)載電池儲(chǔ)電、電池壽命、電車(chē)成本等是影響其發(fā)展的主要因素;氫動(dòng)力汽車(chē),傳統(tǒng)的汽車(chē)油耗大,會(huì)排放大量的污染物,而氫能源汽車(chē)排放的則是純凈水。另外,新能源汽車(chē)還包括燃?xì)馄?chē)、空氣動(dòng)力汽車(chē)、甲醇汽車(chē)、飛輪儲(chǔ)能汽車(chē)和超級(jí)電容汽車(chē)等。
要想讓新能源汽車(chē)真正超越傳統(tǒng)能源汽車(chē),就一定要加大對(duì)關(guān)鍵材料的研究力度,并有所突破。現(xiàn)階段,這些關(guān)鍵材料的研發(fā)工作已經(jīng)基本完成。這些材料主要有:驅(qū)動(dòng)電機(jī)材料,它是將能源轉(zhuǎn)化成汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力的核心材料;動(dòng)力電池材料,它能夠保證汽車(chē)的電力存儲(chǔ);輕量化材料,它能適應(yīng)新能源驅(qū)動(dòng),減少能源消耗。
出于能源安全戰(zhàn)略的考慮和在節(jié)能減排效益的刺激下,各國(guó)制定具體政策,鼓勵(lì)并推動(dòng)世界各大汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē),力爭(zhēng)將汽車(chē)的能耗和排放降低到最小,并順利過(guò)渡到以新能源為動(dòng)力的后汽車(chē)時(shí)代。汽車(chē)行業(yè)在政策的引導(dǎo)和自身利益的推動(dòng)下沿兩種思路發(fā)展:一是以高容量電池為中介,實(shí)現(xiàn)新能源(電能、氫能)替代傳統(tǒng)的化學(xué)能(石油);二是廣泛采用鎂合金、高分子材料替代傳統(tǒng)材質(zhì),降低汽車(chē)重量,據(jù)測(cè)試,轎車(chē)質(zhì)量每減輕100kg,油耗可降低5%,所以說(shuō)減重可最終達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。
在前一種思路的指引下,日本豐田、美國(guó)通用、德國(guó)寶馬、中國(guó)比亞迪等公司已研發(fā)出新型電池,分別推出新能源汽車(chē),動(dòng)力系統(tǒng)從礦物燃料引擎升級(jí)為汽油一電力混合系統(tǒng)或純電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),使用的能源由汽油更換為電;后一種思路在世界范圍引起汽車(chē)鎂合金化的趨勢(shì),中國(guó)科技部、美國(guó)能源部、加拿人能源部合作推進(jìn)鎂合金汽車(chē)前端研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。該項(xiàng)目計(jì)劃開(kāi)發(fā)鎂合金的高致密度鑄造、擠壓鑄造、板材成形、焊接等手段,擴(kuò)大鎂合金在汽車(chē)上的用量,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)前端的鎂合金化,使鎂合金在汽車(chē)上的使用規(guī)模由單個(gè)零部件上升至系統(tǒng)性應(yīng)用。德國(guó)大眾、德國(guó)奔馳、日本豐田等汽車(chē)巨頭加大力度研發(fā)鎂合金材質(zhì)的零部件,其出產(chǎn)的汽車(chē)鎂合金含量均達(dá)到20~40kg;國(guó)內(nèi)的一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安、奇瑞等汽車(chē)公司均引進(jìn)壓鑄設(shè)備,開(kāi)發(fā)鎂合金壓鑄件,現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)氣門(mén)室罩蓋、變速箱上蓋、變速箱左右蓋等零部件的批量生產(chǎn)。
目前,交通運(yùn)輸業(yè)面臨的兩大問(wèn)題:能源危機(jī)和環(huán)境污染。若汽車(chē)自重減輕10%,其燃油效率即可提高15%、耗油量可降低6%~8%,排污量減少10%。而鎂作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有比重最小、比強(qiáng)度高、比剛度高、吸振降噪、電磁屏蔽、容易回收的優(yōu)點(diǎn),因此,近年來(lái)被大量使用在汽車(chē)行業(yè)。汽車(chē)行業(yè)是目前鎂合金應(yīng)用量最大也是增長(zhǎng)最快的行業(yè),全球汽車(chē)用鎂合金量年增長(zhǎng)率超過(guò)15%。
汽車(chē)的輕量化就是在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車(chē)的整備質(zhì)量,從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。試驗(yàn)證明,若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L;汽車(chē)重量降低1%,油耗可降低0.7%。當(dāng)前,由于環(huán)保和節(jié)能的需要,汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。主要包括采用輕量化材料和輕量化材料成形技術(shù)兩方面。輕量化材料是指可用來(lái)減輕零件質(zhì)量的材料,分為兩大類:一類是低密度輕質(zhì)材料,如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料等;另一類是高強(qiáng)度材料,如高強(qiáng)度鋼等。輕量化材料成形技術(shù)是指為了滿足高強(qiáng)度材料的應(yīng)用,以及實(shí)現(xiàn)零件集成化設(shè)計(jì)需要所采用的技術(shù)。目前,應(yīng)用較為廣泛的有激光拼焊板技術(shù)(TWB)、熱壓成形技術(shù)(HPF)和液壓成形技術(shù)(HF)等。
鎂合金材料在零部件開(kāi)發(fā)的中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
鎂合金材料在零部件開(kāi)發(fā)之中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)大致有以下四點(diǎn):第一,鎂合金材料質(zhì)量密度較小,將其應(yīng)用于新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)之中,能夠顯著減輕質(zhì)量;第二,鎂合金材料具備優(yōu)異的減震性,能夠承受較大的沖擊以及振動(dòng),較之鋁、鋼等材料性能更為突出,對(duì)于維系汽車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性效果奇佳;第三,比強(qiáng)度、比剛度良好,對(duì)比鋼、鋁合金而言,在相同質(zhì)量條件下,鎂合金的比剛度、比強(qiáng)度都更高一些;第四,鎂合金材料可回收利用,鎂合金材料的提取以再生資源為主,能夠?qū)崿F(xiàn)回收利用。此外,鎂的熔點(diǎn)相對(duì)較低,回收利用所消耗的能源也相對(duì)較少。
國(guó)內(nèi)外新能源汽車(chē)鎂合金零部件的研究現(xiàn)狀
北美作為鎂合金使用量最大的區(qū)域,正在使用和研制的鎂合金汽車(chē)零部件有100多種,歐洲則有60多種。當(dāng)前世界單車(chē)用鎂量2.1kg/輛;歐美單車(chē)用鎂量5kg/輛;用鎂車(chē)型單車(chē)用鎂平均在20kg/輛左右。我國(guó)鎂合金應(yīng)用目前主要集中于中高端車(chē)、微車(chē)和卡車(chē),單車(chē)用鎂較少,僅為5~10kg,應(yīng)用部位主要是動(dòng)力系統(tǒng)部件,以壓鑄件為主流。但由于國(guó)內(nèi)鎂資源具有絕對(duì)價(jià)格優(yōu)勢(shì),目前鎂合金壓鑄件已能與鋁合金平價(jià)競(jìng)爭(zhēng),東風(fēng)汽車(chē)2009年就有6類部件因鎂價(jià)上漲而改用鋁材。因此,可以期待鎂合金在中低端車(chē)上的推廣。
美國(guó)車(chē)協(xié)(USAMP)和歐美主要車(chē)廠均提出到2020年將單車(chē)用鎂量提高到100kg/輛,相對(duì)于當(dāng)前歐美20kg/輛的平均水平,仍有較大空間。到2020年全球汽車(chē)用鎂市場(chǎng)需求將達(dá)100萬(wàn)噸,國(guó)內(nèi)需求20萬(wàn)噸;其中,板帶材需求分別為35萬(wàn)噸、7萬(wàn)噸。鎂合金應(yīng)用最主要的制約因素是價(jià)格,目前,中國(guó)鎂合金壓鑄件價(jià)格已降至2萬(wàn)~6萬(wàn)元/噸,已具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力,具有大范圍使用的條件,可以期待一個(gè)階段性的爆發(fā)。但鎂合金板帶材的應(yīng)用則有待觀察,如成本無(wú)法控制、需求將受限,只能少量進(jìn)入中高端市場(chǎng)。以每輛車(chē)用鎂20kg計(jì)算,2000噸產(chǎn)能即意味著要攻下國(guó)產(chǎn)40%左右中高端車(chē)型的市場(chǎng)。對(duì)設(shè)計(jì)5萬(wàn)~10萬(wàn)噸產(chǎn)能,意味著必須主打歐美市場(chǎng),且占據(jù)15%~30%左右市場(chǎng)份額。因此,如板帶材無(wú)法形成價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力,產(chǎn)業(yè)化前景不樂(lè)觀。
目前鎂合金制造工藝技術(shù)能夠有效的實(shí)現(xiàn)利用鎂合金制造集成性能較高的車(chē)輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件,一方面,鎂合金具有良好的鑄造性,加工條件較為簡(jiǎn)答,加工工藝簡(jiǎn)單,且加工有效性較高,不易產(chǎn)生廢品;另一方面,鎂合金較高的阻尼系數(shù),能夠增添汽車(chē)結(jié)構(gòu)的抗震性,十分符合汽車(chē)工業(yè)制造對(duì)于材料的多項(xiàng)功能的追求目標(biāo)。目前,鎂合金在車(chē)輛結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造中廣泛應(yīng)用,例如在車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)中,在離合器外殼、齒輪箱外殼、離變速箱外殼等零件的鑄造方面就大量的使用了鎂合金。在車(chē)體結(jié)構(gòu)中,車(chē)門(mén)內(nèi)襯、儀表板、車(chē)燈外殼、引擎蓋、車(chē)身骨架、底盤(pán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架等也大量使用了鎂合金壓鑄產(chǎn)品。許多國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于鎂合金的應(yīng)用程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造業(yè),例如高端品牌蘭博基尼、保時(shí)捷等都采用了鎂合金減重設(shè)計(jì),其車(chē)輛的相關(guān)性能都得到了很好的提升。但由于國(guó)內(nèi)基于汽車(chē)安全性的考慮,對(duì)于鎂合金材料的應(yīng)用情況較少,仍多用鋁合金的形式來(lái)對(duì)汽車(chē)重量進(jìn)行控制。
現(xiàn)階段鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用主要集中于車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)飾件3大部分,產(chǎn)量持續(xù)快速增長(zhǎng)。歐洲范圍內(nèi),60多種汽車(chē)零部件已采用鎂合金為材質(zhì),車(chē)用鎂合金鑄件的使用量正在以年均25%的速度增加;北美是世界上鎂合金在汽車(chē)中用量最大,使用和研發(fā)中的鎂合金零部件有100多種;日本汽車(chē)業(yè)在越來(lái)越多的零件上采用鎂合金材質(zhì),包括變速桿、座椅架等。大眾公司的帕薩特、奧迪A4和A6等汽車(chē)的齒輪箱殼體使用AZ91D鎂合金,比鋁合金部件減重25%。美國(guó)福特、美國(guó)通用、日本三菱等汽車(chē)公司已采用鎂合金零部件替代原有的鋁合金汽車(chē)零部件和塑料零部件,包括:發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和蓋、變速箱殼體和蓋、離合器殼體、液力變扭器殼體、發(fā)電機(jī)托架、剎車(chē)踏板支架、車(chē)身殼體框架、車(chē)門(mén)、車(chē)輪、方向盤(pán)、儀表盤(pán)、后橋驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)向節(jié)、座椅支架、把手等100多種零部件。
汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中鎂合金用量較多的國(guó)家和地區(qū)主要是北美、歐洲、日本和韓國(guó),1991年汽車(chē)工業(yè)中鎂合金的用量?jī)H為2.4萬(wàn)噸,到1997年則增至6.4 萬(wàn)噸,目前這些國(guó)家和地區(qū)汽車(chē)工業(yè)對(duì)鎂合金的需求已達(dá)到每年40萬(wàn)噸。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車(chē)零部件已超過(guò)60種,單車(chē)鎂合金用量9.3公斤~20.3公斤;北美正在使用和研制的鎂合金汽車(chē)零部件已超過(guò)100 種,單車(chē)鎂合金用量5.8公斤~26.3公斤;我國(guó)汽車(chē)鎂合金產(chǎn)業(yè)的總體技術(shù)水平不高,在汽車(chē)鎂合金部件設(shè)計(jì)、制造加工等方面還有較大差距,平均單車(chē)用鎂量不足1公斤。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展,已有20余種汽車(chē)零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)。
我國(guó)在汽車(chē)輕量化方面起步較晚,最早將鎂合金應(yīng)用到汽車(chē)上的企業(yè)是上汽集團(tuán)。上世紀(jì)90年代,首次在桑塔納轎車(chē)上采用鎂合金變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼,單車(chē)用鎂合金共約8.5kg。一汽集團(tuán)開(kāi)發(fā)了抗蠕變鎂合金,用于制造高溫負(fù)載條件下的汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)部件,同時(shí)順利研發(fā)出氣缸蓋罩蓋等鎂合金壓鑄件。同時(shí),東風(fēng)汽車(chē)公司、長(zhǎng)安汽車(chē)集團(tuán)也參與到鎂合金零部件的生產(chǎn)之中,尤其需要指出的是長(zhǎng)安集團(tuán)生產(chǎn)的“長(zhǎng)安之星”微型車(chē)上實(shí)現(xiàn)了單車(chē)用鎂8kg的水平,達(dá)到了目前的國(guó)際先進(jìn)水平。在鎂合金工藝方面,鎂合金汽車(chē)輪轂成型技術(shù)無(wú)疑是一大亮點(diǎn)。
在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下,在與東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司合作中,上海交大正在針對(duì)進(jìn)行有關(guān)汽車(chē)用減震臺(tái)和副車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),旨在早日實(shí)現(xiàn)鎂合金在減震塔和副車(chē)架兩類大型復(fù)雜薄壁部件的成型技術(shù)與應(yīng)用上的突破。
目前,汽車(chē)工業(yè)平均用鎂量在10 公斤以內(nèi)。從2000年開(kāi)始,各國(guó)政府和研發(fā)機(jī)構(gòu)投入大量的資源進(jìn)行鎂合金的研發(fā)和產(chǎn)品的推廣,特別是我國(guó)作為鎂合金資源的大國(guó),一直希望將鎂合金在汽車(chē)工業(yè)中的用量進(jìn)一步提高。但是,車(chē)用鎂合金的用量并沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)期的大幅增長(zhǎng),主要的鎂合金牌號(hào)還是以AZ91D和AM50為主,主要的鎂合金產(chǎn)品以方向盤(pán)骨架、儀表盤(pán)骨架、座椅骨架等內(nèi)飾部件。限制鎂合金大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)主要原因還是由鎂合金特性決定的,鎂合金的耐腐蝕性能差,特別是電偶腐蝕是困擾鎂合金在非內(nèi)飾承載部件系統(tǒng)中應(yīng)用的最大阻力。
汽車(chē)輕量化和部件集成化的發(fā)展趨勢(shì),能夠發(fā)揮鎂合金材料流動(dòng)性好、易成形大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的優(yōu)勢(shì),將促使鎂合金的新的大規(guī)模應(yīng)用,例如:車(chē)門(mén)內(nèi)板和行李箱后蓋內(nèi)板,采用壓鑄鎂合金可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)輕量化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。目前,我國(guó)具有最多的鎂合金礦產(chǎn)和冶煉資源,也具有最大噸位壓鑄裝備的下游生產(chǎn)企業(yè),在該領(lǐng)域我國(guó)已經(jīng)形成了全球最為完整的產(chǎn)業(yè)鏈,能夠?qū)崿F(xiàn)從原鎂到高端鎂合金壓鑄件的全流程生產(chǎn)和制造。
鎂合金零部件在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用
20世紀(jì)初,德國(guó)率先將鎂合金應(yīng)用于汽車(chē)制造之中,直至二十世紀(jì)中葉,大眾公司在汽車(chē)結(jié)構(gòu)零件的研發(fā)之中已應(yīng)用了大量的鎂合金材料。隨后,歐美等國(guó)家均紛紛投入到鎂合金零部件的開(kāi)發(fā)研究之中。目前,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在汽車(chē)用鎂量方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界其他各國(guó)。在亞洲范圍之內(nèi),日本在鎂合金零部件的開(kāi)發(fā)研究之中居于領(lǐng)先地位,雖遠(yuǎn)不及歐美等國(guó)家,不過(guò)伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,日企對(duì)于鎂合金材料的應(yīng)用日益廣泛。譬如,豐田便研發(fā)了鎂合金轉(zhuǎn)向盤(pán)、鎂合金骨架座椅等。相較而言,我國(guó)汽車(chē)行業(yè)對(duì)于鎂合金的應(yīng)用相對(duì)較晚,現(xiàn)如今尚處于開(kāi)發(fā)階段,上汽、一汽、二汽等企業(yè)均開(kāi)始廣泛投入到鎂合金汽車(chē)零部件的研究開(kāi)發(fā)之中,也取得了一定的成果。直至今日,鎂合金在新能源汽車(chē)之中開(kāi)發(fā)研究主要集中于動(dòng)力系統(tǒng)零件。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)零部件在運(yùn)行期間的溫度,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家致力于對(duì)高強(qiáng)度鎂合金材料展開(kāi)了研究開(kāi)發(fā)。目前,諸如耐蝕鎂合金、變形鎂合金、阻燃鎂合金等新型鎂合金材料相繼研發(fā)成功,在新能源汽車(chē)之中得以廣泛的應(yīng)用。
鎂合金轉(zhuǎn)向管柱支架
現(xiàn)在在一款新能源車(chē)型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中,引用了以鎂合金為材料設(shè)計(jì)成型的轉(zhuǎn)向支架和導(dǎo)向筒。由于鎂合金的剛度極大,不會(huì)在安裝后隨車(chē)身支架的變形而產(chǎn)生變形,全面保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在整車(chē)碰撞過(guò)程中轉(zhuǎn)向管柱可以按照設(shè)計(jì)的行程和吸能曲線完成整個(gè)動(dòng)態(tài)潰縮過(guò)程,提供整車(chē)碰撞的安全性,并且大大提高了這個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度和頻率,而且做到了輕量化設(shè)計(jì),其質(zhì)量較之常規(guī)車(chē)型原件減輕了5%以上。
鎂合金儀表板骨架
常規(guī)車(chē)型的儀表板骨架更多是采用鋼件焊接制成,為了滿足汽車(chē)輕量化這一要求,需要在保證原本功能的基礎(chǔ)上,確保裝配面與孔的部位不改變,所以,將儀表板骨架零部件替換為鎂合金。鎂合金儀表板骨架制作時(shí)主要應(yīng)用擠壓、彎曲這兩種工藝,所有鎂合金件之間以氫弧焊進(jìn)行連接。因?yàn)椋V合金與鋼這兩種材料接觸之后會(huì)被腐蝕,所以儀表板骨架和車(chē)身、儀表板等零部件進(jìn)行連接,建議采用鋼質(zhì)滲鋁螺栓作為連接件。經(jīng)過(guò)實(shí)踐得知,輕量化鎂合金儀表板骨架的質(zhì)量是1.957kg,相比常規(guī)車(chē)型所采用的原鋼件質(zhì)量減輕了62.9%。
鎂合金副駕駛座椅骨架
常規(guī)車(chē)型的駕駛座椅骨架主要為鋼件,其中包括靠背骨架、座墊骨架和滑軌。因?yàn)?,常?guī)車(chē)型的改制存在一定的限制,按照轎車(chē)座椅設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定,為了保證汽車(chē)性能,將副駕駛座位的椅骨架替換為鎂合金。制作工藝主要應(yīng)用擠壓、彎曲和沖壓,鎂合金件的焊接技術(shù)為氫弧焊,使用結(jié)構(gòu)膠連接所有材料零部件。經(jīng)過(guò)實(shí)踐之后,鎂合金副駕駛座椅骨架的質(zhì)量顯示為12.66kg,和鋼結(jié)構(gòu)件對(duì)比質(zhì)量減輕了8.3%。
鎂合金前、后副車(chē)架
為保證鎂合金前、后副車(chē)架技術(shù)參數(shù)能夠滿足規(guī)定要求,需要完善原本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)楔形加強(qiáng)筋、局部位置設(shè)置縱向加強(qiáng)梁以及局部增厚這三種要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)最終設(shè)計(jì)成果展開(kāi)驗(yàn)證、分析,可以得出設(shè)計(jì)而成的鎂合金前、后副車(chē)架技術(shù)參數(shù)與規(guī)定相符。這一部分所應(yīng)用的工藝主要有擠壓、彎曲和整形,焊接制造則是以分段制造、環(huán)形焊與角焊為主,結(jié)束焊接操作之后壓入支承套橡膠內(nèi)襯,使用螺栓連接轎車(chē),同時(shí)設(shè)置復(fù)合材料墊圈,達(dá)到良好的聯(lián)接效果。經(jīng)過(guò)輕量化設(shè)計(jì)之后的鎂合金前、后副車(chē)架,其質(zhì)量與鋼件相比分別減輕了50.5%、62.3%。
鎂合金輪輞
按照鎂合金制造的有關(guān)規(guī)定,輪輞小輻條根部位置必須要進(jìn)行挖深處理,鎂合金車(chē)輪必須要滿足性能要求,彎曲疲勞、徑向疲勞的最大應(yīng)力相比鎂合金材料的疲勞強(qiáng)度必須小于110MPa,使用期限超過(guò)107次。經(jīng)過(guò)實(shí)踐可知,輕量化設(shè)計(jì)之后的鎂合金輪輞質(zhì)量降低為7.9kg,相比鋁合金材料的輪惘減輕了37%。
3D打印
3D打印技術(shù)是諸多新技術(shù)的一種,是以新車(chē)模型、工具的實(shí)際運(yùn)用為前提研發(fā)的先進(jìn)技術(shù)。通過(guò)掃描鏡、激光束等部件制作鎂合金零部件,有效提升了零部件制作的速度。如今,3D打印技術(shù)已經(jīng)在汽車(chē)企業(yè)中實(shí)現(xiàn)普及,節(jié)省研發(fā)成本的同時(shí)很好的提升了研發(fā)效率,可以滿足要求多、批量小的客戶。
用于制造汽車(chē)零部件的鎂合金種類較多,包括Mg-Mn合金、Mg-Zn合金和Mg-Al合金。其中,Mg-Al合金用量最大,因?yàn)樘砑覣l元素能提高鎂合金的強(qiáng)度及鑄造性能,而且成本較低。在Mg-Al合金加入少量Mn元素可降低雜質(zhì)Fe的含量比。基于Al、Mn元素設(shè)計(jì)的鎂合金牌號(hào)有AZ系列的AZ91D和AM系列的AM60等。
汽車(chē)行業(yè)作為能源消耗的重點(diǎn)行業(yè),必須提前實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)目標(biāo):一是 提早布局,搶先進(jìn)入新能源汽車(chē)時(shí)代;二是推動(dòng)汽車(chē)輕量化,提高能源利用效率,降低尾氣排放量。對(duì)汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō),著力發(fā)展鎂基氫能動(dòng)力汽車(chē)以及鎂合金材質(zhì)的新能源汽車(chē)正是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)選擇。
鎂合金現(xiàn)一般用于座椅骨架、儀表盤(pán)、轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱、輪圈、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、變速器殼、離合器殼等零件,其中,轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱、輪圈是應(yīng)用鎂合金較多的零件。現(xiàn)已采用鎂合金鑄件的汽車(chē)公司有美國(guó)的福特、通用、克萊斯勒,德國(guó)的大眾,日本的豐田等20余家。國(guó)際上已把單車(chē)鎂合金用量作為汽車(chē)先進(jìn)性的標(biāo)志之一。歐洲單車(chē)鎂合金用量已達(dá)9~20kg,正在使用和研發(fā)的鎂合金汽車(chē)零部件已超過(guò)60多種,北美正在使用和研發(fā)的鎂合金汽車(chē)零部件多達(dá)100多種。
國(guó)內(nèi)外汽車(chē)零部件常用鎂合金主要有AZ(Mg-Al-Zn)系、AM(Mg-Al-Mn)系、AS(Mg-Al-Si)系和AE(Mg-Al-RE)系四大系列,廣泛應(yīng)用的仍然為鑄造鎂合金,目前已開(kāi)發(fā)應(yīng)用鎂合金汽車(chē)零部件。
鎂合金主要有鑄造與變形兩種類型。汽車(chē)上應(yīng)用的鎂合金主要是壓鑄件,應(yīng)用于車(chē)身和底盤(pán)零件,如儀表盤(pán)骨架與橫梁、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤(pán)、進(jìn)氣歧管以及各種支架、罩蓋等。
(作者單位:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所)
責(zé)任編輯:陳鑫
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