原標(biāo)題：鋁合金副車架開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)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(shì)及面臨的挑戰(zhàn)，重點(diǎn)分析了后處理和機(jī)加工兩個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍瓶頸、低壓鑄造和熱處理兩個(gè)產(chǎn)品良率瓶頸技術(shù)，并給出解決方案。最后，預(yù)測(cè)了未來(lái)副車架的發(fā)展方向和競(jìng)爭(zhēng)格局。

近十年來(lái)，在能源危機(jī)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(jì)，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(dòng)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(dòng)機(jī)、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(guò)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(shí)現(xiàn)左右懸架的連接，使其成為一個(gè)整體，進(jìn)而提高懸架系統(tǒng)的連接剛度，同時(shí)阻隔振動(dòng)和噪聲，減少其直接進(jìn)入車廂，改善NVH（即噪聲Noise、振動(dòng)Vibration與聲振粗糙度Harshness），另外，副車架還可以增加三個(gè)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(jìn)和新能源汽車的發(fā)展，同時(shí)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(zhǎng)。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(shí)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(jià)格，整體空腔鑄造優(yōu)勢(shì)明顯。首先，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期，結(jié)合受力工況、對(duì)手件包絡(luò)空間、鑄造和加工工藝等信息，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度實(shí)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(duì)剛度和相對(duì)強(qiáng)度；第三，相對(duì)分體焊接副車架，整體鑄造副車架無(wú)焊縫，避免了焊縫熱影響區(qū)性能下降問(wèn)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(kāi)發(fā)流程大幅度縮短，供應(yīng)鏈管控顯著簡(jiǎn)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(lán)色為機(jī)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(gè)方向六個(gè)面均需加工且?guī)в幸欢ń嵌龋^(guò)20把刀具；（6）底盤(pán)件，一類安全件，失效零容忍。六大特征對(duì)整個(gè)制造流程的各個(gè)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(zhǔn)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(zhǔn)備：主要包括制芯、熔化和備模三部分。制芯又分為無(wú)機(jī)和有機(jī)，雖然成本高，但環(huán)境友好型的無(wú)機(jī)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(guò)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(jì)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(jì)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(cè)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(huì)影響熱處理和機(jī)加工；去澆冒口重點(diǎn)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(jì)，澆口殘留一般不超過(guò)3 mm；X光檢測(cè)，可采用自動(dòng)判定+部分介入的方式，以提高準(zhǔn)確率和效率。

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

（5）后處理：主要由機(jī)加工、清洗和裝配等組成，重點(diǎn)為機(jī)加工工藝。基于多種因素考量，在工序數(shù)量和機(jī)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(jī)廠的重要選擇之一，特別對(duì)于造車新勢(shì)力或傳統(tǒng)主機(jī)廠新車型平臺(tái)，其已經(jīng)成為首選。然而，整體空腔副車架的制造過(guò)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(shí)面臨來(lái)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(guò)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(yuǎn)高于鋼制副車架，產(chǎn)品良率較低、生產(chǎn)節(jié)拍較長(zhǎng)、材料價(jià)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(lái)自內(nèi)部冶金缺陷和產(chǎn)品變形，分別對(duì)應(yīng)低壓鑄造工序和熱處理工序。由于產(chǎn)品尺寸相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，鑄件壁厚不同，鑄造過(guò)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(pán)結(jié)構(gòu)件（一類安全件）所不允許的。一般而言，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的缺陷等級(jí)要求為關(guān)鍵區(qū)域二級(jí)、非關(guān)鍵區(qū)域四級(jí)，鋁鑄件內(nèi)部缺陷可通過(guò)熔體凈化處理、模具溫度控制、澆冒口設(shè)計(jì)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(bào)廢。另外，鑄件變形及變形量波動(dòng)，還會(huì)影響機(jī)加工工藝，例如裝夾、撞刀、過(guò)切和切不足等。目前行業(yè)內(nèi)主要從兩個(gè)角度解決變形問(wèn)題，一是通過(guò)模具熱平衡設(shè)計(jì)、料框工裝設(shè)計(jì)結(jié)合淬火入水姿態(tài)調(diào)整來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力，二是人工或自動(dòng)機(jī)械校形的補(bǔ)救措施。

圖5 整體空腔副車架變形量校對(duì)

校形方法治標(biāo)不治本，解決產(chǎn)品變形問(wèn)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(kāi)模拉力、頂桿力、起模包緊力、堆疊壓力和磕碰等，可通過(guò)鑄造工藝、模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理等途徑來(lái)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(qiáng)度而產(chǎn)生變形，該內(nèi)應(yīng)力主要來(lái)自凝固過(guò)程收縮和熱處理過(guò)程冷卻不均。在鑄造過(guò)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(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料在此溫度下的屈服極限時(shí)，產(chǎn)生變形超差的不良品。熱處理過(guò)程中，鑄件鑄造凝固產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)在加熱時(shí)得到釋放，鑄件會(huì)因此時(shí)強(qiáng)度顯著降低而產(chǎn)生變形；在保溫后，近100 ℃/min的淬火工藝會(huì)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(huì)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(jì)、材料、工藝、設(shè)備和管理相互協(xié)作，才能達(dá)到理想狀態(tài)，進(jìn)而降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)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(cè)、熱處理、熒光檢測(cè)、機(jī)加工和裝配等十幾道工序，其中低壓鑄造、后處理和機(jī)加工耗時(shí)較長(zhǎng)，往往成為生產(chǎn)過(guò)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(zhǎng)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(guò)增加設(shè)備來(lái)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(pán)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(gè)設(shè)備，假如通過(guò)增加設(shè)備來(lái)提高產(chǎn)能，會(huì)顯著增加設(shè)備投資，因此震落一體機(jī)代替震砂機(jī)和落砂機(jī)、綜合鋸站代替多個(gè)鋸床的方案更具性價(jià)比。

圖6 某款整體空腔副車架澆冒口方案

副車架機(jī)加工會(huì)涉及六個(gè)面、超過(guò)20把刀具，具有加工點(diǎn)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(lán)色為機(jī)加工點(diǎn)位、紅色為澆冒口（需鋸切）。另外毛坯尺寸波動(dòng)較大，對(duì)機(jī)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(tái)/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(jī)加點(diǎn)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(wèn)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(duì)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(diǎn)，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(duì)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(chǎng)的同時(shí)，科研技術(shù)人員不斷進(jìn)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(guó)漢特曼金屬鑄造公司對(duì)原有模型進(jìn)行整體重建和開(kāi)發(fā)、計(jì)算和模擬，通過(guò)集成到鑄造過(guò)程中的中空型材創(chuàng)造了一個(gè)封閉的空腔，與上殼體的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了副車架的一體式壓鑄設(shè)計(jì)，滿足了所有強(qiáng)度、剛度和NVH的要求，并實(shí)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(jìn)一步的輕量化和高效生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

電磁驅(qū)動(dòng)鑄造是采用電場(chǎng)與磁場(chǎng)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(dòng)鋁液定向移動(dòng)，從而成形鑄件的鑄造技術(shù)，如圖8（b）所示。電磁驅(qū)動(dòng)鑄造技術(shù)具有精準(zhǔn)的液面控制、材料利用率高（可達(dá)70%）、無(wú)升液管低耗材等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，并對(duì)一體式下車體進(jìn)行了嘗試。

宇部興產(chǎn)機(jī)械集團(tuán)開(kāi)發(fā)了Hybrid Fill Casting（簡(jiǎn)稱HFC技術(shù)），采用氣體和液壓兩種加壓方式對(duì)模具模腔內(nèi)金屬液充填及凝固進(jìn)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(guò)中心銷以及局部擠壓銷對(duì)充填在模具內(nèi)的熔體進(jìn)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(xì)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(wú)氣孔、疏松等缺陷）和機(jī)械特性（拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度），進(jìn)而實(shí)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(duì)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(jìn)行低壓鑄造，以低成本獲得鋁鑄件，解決了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的高昂開(kāi)發(fā)費(fèi)用問(wèn)題，也能靈活應(yīng)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

2.3 整體空腔副車架競(jìng)爭(zhēng)策略

據(jù)中國(guó)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(jì)2025年副車架滲透率將會(huì)超過(guò)30%，其中鋁合金整體空腔副車架分別為5%和28%，未來(lái)還有較大的市場(chǎng)空間，然而能否搶占廣闊的市場(chǎng)空間取決于其競(jìng)爭(zhēng)策略。可以從三個(gè)維度對(duì)鋁合金整體空腔副車架進(jìn)行分析，制定競(jìng)爭(zhēng)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(shì)是良好成形性和極高回收率。鋁合金幾乎可以實(shí)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(shí)可以保持較小壁厚；鋁合金全生命周期回收率可達(dá)95%以上，其中重熔過(guò)程燒損可以做到1%以下，這就極大拉動(dòng)了鋁合金的循環(huán)再生，而再生鋁的批量應(yīng)用會(huì)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(qiáng)度近280~320 MPa，屈服強(qiáng)度220~250 MPa，伸長(zhǎng)率6%～8%），同時(shí)保持底盤(pán)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(shí)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(jī)加工、焊接和二次機(jī)加工等多個(gè)工序，整體鑄造方案可縮短為鑄造和機(jī)加工兩個(gè)工序，顯著減少工序數(shù)量，降低風(fēng)險(xiǎn)管控點(diǎn)和生產(chǎn)成本。而空腔結(jié)構(gòu)則有高剛度和高強(qiáng)度優(yōu)點(diǎn)，如圖9所示，截面面積不變，設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)心棒為基準(zhǔn)計(jì)算其他截面形狀的相對(duì)剛度和相對(duì)強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果表明，薄壁方管具有最高的相對(duì)剛度和相對(duì)強(qiáng)度，即整體空腔副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

圖9 相同截面積時(shí)不同截面形狀的相對(duì)剛度和相對(duì)強(qiáng)度

03 結(jié)束語(yǔ)

在新能源汽車不斷發(fā)力與滲透下，鋁合金副車架未來(lái)會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)。相對(duì)而言，整體空腔結(jié)構(gòu)副車架優(yōu)勢(shì)明顯，更具競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)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(pán)系統(tǒng)有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：鑄造雜志