2022年中国汽车产销量创历史新高，新能源汽车研发加速推进

2022年，我国汽车产销量分别为2702.1万辆和2686.4万辆，同比分别增长3.4%和2.1%，创下历史新高，再次刷新全球纪录。其中，乘用车产销分别完成2383.6万辆和2356.3万辆，同比增长11.2%和9.5%。另外，据有关部门预计，2023年我国汽车产业有望实现4%以上的恢复性增长。汽车保有量的持续增加不仅带来了能源危机，传统汽车排放的尾气也也给环境带来了巨大的危害。我国在“十四五”发展规划中提出了到2030年碳排放达到峰值、2060年实现“碳中和”的减排计划。新能源汽车的使用可以减少有害气体的排放，减少环境污染。污染，缓解能源危机。国内各大车企都以此为目标大力研发新能源汽车。近年来，新能源汽车越来越受欢迎。汽车发展蓬勃，是国际国内关注的焦点。研究表明，约75%的油耗与车辆的重量有关。减轻车辆重量可以有效降低油耗和碳排放[2]。以电动汽车为主，电动汽车电池能量密度短期内难以取得重大突破，导致电池重量难以减轻。

因此，车身轻量化成为必然选择。铝型材因其密度低、比强度高、弹性好、抗冲击性好、耐腐蚀、导电导热性高等特点而广泛应用于新能源汽车，如保险杠防撞梁、吸能盒、门。防撞梁、底盘件、车身结构件、油管、导轨、行李架、热交换器等截面一致、形状复杂的部件[3]。一辆新能源汽车平均用铝量约为600公斤，有的使用量超过800公斤，且用量呈上升趋势。

由于铝挤压材料截面设计自由度高，同时满足轻量化、高比强度、水冷等要求，为新能源汽车车身系统及三电系统提供承重和安全保护（电机、动力电池、电控系统）。要求。新能源汽车车身系统、三电系统使用的铝型材结构复杂，公差要求严格。尤其是在安全性能方面，其要求远高于传统装饰铝型材如门窗、幕墙等工业铝型材。 。例如，车身系统门槛梁用铝型材的最低力学性能要求：Rm≥290MPa、Rpo.2≥250MPa、A≥12%；动力电池托盘用铝型材力学性能最低要求：R.≥260MPa、Rpo.2≥240MPa、A≥8%。如果采用常规的6063铝合金来生产，则无法满足上述要求，需要采用强度更高的6005A、6061或6082等铝合金来生产。但这些铝合金流动性差、挤压性能低、挤压过程中压力较高，因此挤压速度通常较慢。

在设计挤压高强度铝合金的模具时，需要综合考虑合金的性能及其截面特性。最终需要达到的效果是模具使用时压力不宜高，压力释放要快，挤出速度不宜太慢。合理的挤压模具结构是提高挤压速度的基础。

挤压模具设计技术

笔者经过多年的挤压模具设计、制造和挤压生产实践，总结出了一套汽车用铝型材挤压模具的设计经验。

2.1 挤出机及模具规格的确定

1）挤出机的确定

一般来说，大米重型材采用大吨位挤压机挤压。型材米重每增加0.5kg至0.6kg，铸锭直径需增加25mm。另外，在选择机器进行挤压模具设计时，需要将型材的挤压比控制在20～60之间，以保证挤压力适中，挤压出符合机械性能要求的产品。

2）模具规格的确定

根据经验，通常采用比较简单的方法来确定模具的直径，即模具的直径为型材外接圆直径的两倍，这样可以保证模具的整体强度满足使用要求。

3）专用垫的使用

如果模具有悬臂部分，容易发生弹性变形，则需要使用专用垫板。专用垫板的支撑作用可以有效减少模具的弹性变形，保证型材的尺寸稳定性。

2.2 模具结构设计

针对挤压过程中可能出现的挤压力大、挤压速度慢、模具弹性变形严重等问题，在设计模具时必须保证型材的挤压速度和尺寸稳定性。具体来说，分流孔、分流桥、焊接室、启动工作带等。

2.2.1 导流孔设计

为了减少模具内部的横向焊接压力，分流孔的设计需要根据型材断面的形状进行布置，并遵循挤压时金属流动均匀的原则。如果横焊压力太高，两圆锭之间的接头材料会很长，挤压成品率会降低。但新能源汽车用铝型材不允许存在接头材料，因此应减小横焊压力。另外，分流桥的宽度应尽可能一致（见图1），这样可以保证分流桥受力均匀，减少圆锭在挤压过程中的阻力。

图1 桥宽度一致的分孔布局

2.2.2 导流桥强度设计

分流桥的强度直接决定模具的寿命。如果上模厚度过长，则挤压时压力较高，导致挤压速度无法提高，模具内残留大量铝；厚度太薄，强度不够，挤压时桥梁容易开裂。经过多年探索，桥梁厚度与桥墩跨度之比为0.6～0.7。上模厚度计算公式为：

L上模=(0.6-0.7)

上模(0.6-0.7)L桥墩墩

式中：

L上模-上模有效厚度；

L桥墩是指桥墩的最大跨度。

当设计需要快速挤压的模具时，分流模具的上模厚度应尽可能低。

2.2.3 桥梁入口设计

桥口尽量设计成“锅底”形状，以逐步对导流桥施加压力（见图2）。桥架进给面应设计为圆弧结构（如图3所示），以减少切割铝棒时的阻力。

图2 分流桥进料面“底部”示意图

图3 分流桥进给面圆弧加工示意图

2.2.4 焊接室设计

焊接室的设计深度通常设定为上限，并采用二次焊接来保证挤压型材的力学性能。二次焊接还可以提高供料的稳定性，减少焊接室内的残留铝。一次焊室与二次焊室连接处平滑过渡，减少铝合金流动造成的分流桥侧压力和铝流死区。

2.2.5 工作带设计

工作带的长度一般为壁厚的1～2倍。挤压时，流速快时取上限，流速慢时取下限。在传统设计中，工作带一般为壁厚的3至4倍。对于汽车型材的模具设计，工作带应较短，以减少摩擦，提高挤出速度。降低型材表面粗糙度，减少型材粗晶缺陷。图4显示了工作带的值的示例。

(a) a-工作带长度分布

b-对应型材的壁厚图

图4 工作带长度及相应型材壁厚分布

模具材质

3模具材料

推荐使用1.2367模具钢和4Cr5MoSiV1（H13钢）作为模具材料。 1.2367模具钢w（Mo）=2.7%~3.3%，w（Si）=0.3%~0.5%。 Mo可提高韧性，Si可增加脆性。与常用的H13钢相比，1.2367模具钢具有更好的红韧性，推荐作为挤压6005A、6061、6082或7×××系列等高强度铝合金上模的钢材。

H13钢是常规挤压模具钢，w(Mo)=1.1%～1.5%，w(V)=0.8%～1.1%，w(Si)=0.8%～1.2%，兼具韧性和耐磨性。具有良好综合性能的工具。 6063铝合金挤压模具的上模和所有材料的挤压下模推荐使用H13钢。

3.1模具硬度

热处理后模具各部分硬度控制在50HRC至51HRC之间，单套模具各部分硬度差必须控制在0.5HRC以内。

模具保养

4.1 上模

随着氮化次数的增加，模具表面的脆性增加。挤压过程中，上模承受大部分挤压力。如果脆性太高，则容易产生裂纹。一旦裂纹扩大，模具就会因裂纹桥、断芯等而报废。因此，应减少上模氮化次数，建议上模氮化2～3次。

4.2 下模

一般模具首次使用时，应在挤压20个圆锭后进行第一次氮化，以后每挤压80～100个圆锭后应再次氮化。

优化案例

5.1 简介

图 5 显示了一家欧洲汽车工厂用于评估供应商的测试配置文件。铝型材供应商为 OEM 提供机械性能和挤压测试的测试型材。只有通过检测后，铝型材供应商才能进入汽车厂的合格供应商体系。该型材合金牌号为6005A，截面积为1284mm2，米重为3.5kg/m。采用2.75MN挤出机挤出，挤出比为32，铸锭温度460℃，模具温度480℃。模具设有专用垫，防止挤压时下模弹性变形，专用垫上设计有氮气冷却槽。由于6005A铝合金流动性差、挤压性能低，挤压过程中的压力较高。为保证力学性能达标、破碎试验满足A·级要求，挤出速度需在15m/min以上。 。要实现这样的快速挤出，需要优化挤出模具的设计结构，以实现快速挤出。

图5 新能源汽车测试剖面部分

5.2模具结构设计与优化

5.2.1 传统设计方案

图6为传统设计结构，有7个分流孔，上模厚度为130mm，焊接室深度为25mm。这种设计的优点是模具强度高，挤压过程中模具弹性变形小，输出材料尺寸稳定，各项力学性能均达标。缺点是上模厚度比较厚，挤压力比较大（突破压力235MPa，泄压后190MPa），无法加速。对挤压型材进行压碎测试。测试过程中，边角处出现了裂纹。裂纹长度不小于15mm，只能通过C级。图7是实际模具的图片。

a-分流孔设计图

b-模具外形图

图7 传统方案模具实景图

5.2.2 国外设计方案

图8为欧洲某挤压模具公司的设计方案。有9个分流孔，上模厚度120mm，焊接室深24mm（二次焊接室深6mm）。实际图片见图9。这种设计的特点是分流桥的熔合点没有放在型材的拐角处。二次焊接设计，有利于型材的焊接，稳定模具内部的铝流供给，力学性能均达标。缺点是分流孔面积小，有二次焊室，挤压时横向焊接增多，压力高（突破压力230MPa，泄压后170MPa），挤压后壁厚偏差达到0.15mm 。在进行挤压试验时，只有70%的型材能够达到挤压试验的A级。

a-分流孔设计图

b-模具外形图

5.2.3 公司改进计划

前两种方案的装模压力较大。压力高意味着横向焊接性能差，在挤压试验时会出现裂纹。我公司重点从泄压的角度改进模具。图10为改进方案，分流孔为9个，上模厚度为110mm，焊接室深度为25mm（二次焊接室深度为5mm）。与前两种方案相比，上模的有效厚度更薄，缩短了圆锭的行程，减少了圆锭与模具之间的摩擦，降低了压力。桥宽由之前的25mm（传统方案）改为26mm（国外方案）

图9 国外方案模具实物图

缩小至22毫米。另外，进料口做成“锅底”形状，过桥进料面设计为圆弧结构，以减少挤压力。实际产品见图11。

a-分流孔设计图

b-模具外形图

在该设计中，分流桥的熔合点避开了型材的拐角处。由于上模薄20mm，挤压过程中压力不高（突破压力195MPa，泄压后150MPa），且尺寸稳定，挤压速度高。

图10：改进后的模具图

速度达到18m/min。随后，对型材进行力学性能测试和挤压试验。

5.3 机械性能和压碎试验。

力学性能要求：Rm≥260MPa、Rpo.2≥240MPa、A≥10%（保证短期热稳定性和长期热稳定性）。

破碎要求：试件长度200mm，压缩速度100mm/min，压缩距离120mm，压缩方向为轴向。

资格分为三个级别：

A级——皱纹完整、规则，表面稍粗糙，无裂纹。

b级——形成完整、规则的皱纹，表面适度粗糙，有裂纹，但裂纹符合下列要求：裂纹发生在皱纹接触位置，裂纹长度不大于15mm。

C级——形成完整且规则的皱纹，型材断面几何形状的拐角处出现裂纹。

三个合格级别的示例如图 12 所示。

5.3.1 力学性能测试

获取轮廓的三个部分。第一段为供给状态，即未进行热稳定处理。另外两段分别进行短期热稳定处理（205℃ 1h）和长期热稳定处理（150℃ 1000h），模拟高温下的剖面。工作状态。然后按图13从型材的每一截面上切出三个试件，尺寸如表1所示。

图11 通过挤压试验的三级标准说明

图13 力学性能测试取样位置

取样后分别进行拉伸试验。力学性能测试结果如表2所示。从表2可以看出，型材的力学性能满足客户要求。

5.3.2 塌陷试验

参照标准TL116对样品进行压缩试验。最终测试结果如表3所示。

从表3可以看出，试验材料样品形成完整、规则的皱纹，无裂纹，可判定为A级。

综上所述

1）挤压高强度铝合金型材时，模具设计主要考虑减压和快速挤压，主要从以下几方面入手：根据供料要求设定分流孔的尺寸，以及上模的有效厚度为桥墩间距的0.6～0.7倍。将材料喂入“锅底”形状并划出弧线。搭建二次焊室时，工作带应尽可能短，为壁厚的1～2倍。

2）对于硬质铝合金的挤压，上模钢建议使用1.2367模具钢，挤压6063材料模具的上模建议使用4Cr5MoSiV1（H13钢），所有材料挤压的下模建议使用4Cr5MoSiV1（H13钢）。

3）硬度控制在50HRC至51HRC之间，单套模具硬度差必须控制在0.5度以内。

4）对于用于挤压硬质汽车铝型材的模具，应尽量减少上模氮化次数，建议氮化2～3次。对于下模，建议第一次挤压20个圆锭，每次挤压80～100个圆锭后进行氮化。

5）在实际改进案例中，通过改变分流孔的布置、缩短桥位宽度、将馈电桥位改为“锅底”形状、将单个桥位加工成全圆弧，可以有效降低挤压过程中的突破。应力和稳定相应力。

6）采用上述设计优化方法，可以显着提高挤压型材的焊接性能。最终挤出产品力学性能均符合要求，破碎试验达到A级。

关于作者

任志刚：1.苏州沃特尔精密模具机械有限公司，江苏苏州215134；

王河南：2.苏州大业机电科技有限公司，江苏苏州215164；来源：铝加工