铝合金结构件的开发设计ppt课件.pptx

,铝合金结构件的开发设计,内容,框架结构件介绍,框架结构用铝合金材料及其加工关键技术底盘结构件介绍,a) 铝合金材料在底盘零部件上的应用,b) 底盘结构件用铝合金材料及加工关键技,未来铝合金材料应用展望,框架结构件介绍,奥迪A8的全铝框架,不同材料在奥迪A8车身上的应用,典型结构铝铸件在奥迪A8上的应用,真空压铸,奥迪A8采用的各种连接技术,框架结构件介绍,全铝车身的特斯拉,非承载式车身的构造,目前大部分的车架都是钢制,非承载式车身的构造,原有构成车架总成的钢制件数量为79，现采用铝制件数量为8，,新方案除减重外，还能大幅降低开发和制造成本。,钢制车架,铝制车架,铝合金承载式车架的开发,框架结构用铝合金材料,及其加工关键技术,挤压型材在汽车上的应用由于铝合金挤压型材可以简单地生产出钢铁无法生产的各种复杂断面结构的型材，做为汽车轻量化的有效手段之一备受关注。挤压型材由于其重量轻，刚性好做为结构材料广泛应用在汽车的各个部分。,Side-Member5000系挤压扩管成形,Fr-Member5052挤压,7000系挤压7003，7N01,Rr-Bumper-Beam7000系押出,Space frame6000系挤压,6003，6061，6N01Fr/Rr-Member5000系挤压扩管成形Fr-Bumper-Beam,铝框架结构在汽车上的应用1990年日本汽车制造商就在世界上将各种挤压型材应用到汽车上，生产出了全铝车身的NSX跑车，其中挤压型材占用材总量的12%。随着铝加工技术的发展，型材的高精度3维弯曲加工技术以及6xxx系合金材料的组织控制和均一屈服强度控制热处理技术的确立，使挤压型材在汽车上的应用空间得到极大地扩展。上世纪90年代末日本的本田汽车开发的混合动力车INSIGHT，已将挤压型材的用量从NSX的12%提高到了30%。同时采用铝合金框架的车体无论从减轻重量还是从刚性都比钢制车体有很大的提高，因此为铝合金车体在安全上提供了良好的发展空间。,扭转刚度,弯曲刚度,本田的NSX跑车和混合动力车的铝材应用比较,NSX的车体是采用一体成型的中空结构，INSIGHI采用的是挤压型材的Space frame框架,铝合金型材为主的框架,材料：6063T5 采用各种断面结构,采用铝型材的加工方法,弯曲加工适合的部分,三维弯曲,二维弯曲,框架结构对材料及型材加工精度的要求,挤压型材的组织控制,屈服强度范围,高精度三维弯曲的CAM,挤压型材在框架结构上的应用及关键技术,制造方法,T5处理后,挤压后,三维弯曲,三维弯曲三维弯曲,三维弯曲,弯曲加工适合的部件,高精度三维弯曲成形机,旧制造方法新制造方法6063合金的TEM组织比较,适合于铸件的部分,发动机座，支架前悬臂支架,后底盘支架后底盘支架采用半固态成型法,需要开发的各种技术,挤压型材的零部件化技术挤压型材的弯曲极限模拟仿真超均匀性型材的制备方法高精度三维弯曲技术铸造结构件技术高真空压铸技术高强高韧铸造铝合金材料半固态挤压铸造技术,各种连接技术铆接技术，MIG 焊接技术异种铝合金之间的焊接技术铝钢之间的连接技术环保技术材料回收技术结构材料-结构材料的熔炼技术铝和钢同时进行无Cr预处理技术,小 结,1）均一屈服强度控制技术,汽车用挤压型材除前后缓冲架以外主要以6xxx合金为主，比如6063-T5型材的强度主要受Mg2Si的析出形态及析出大小而支配。在合金成分上应将Mg和Si的添加量控制在最小需求范围内，同时通过优化热,处理工艺使Mg和Si（主要是Mg2Si）最大限度的均,匀析出。在此基础上优化挤压工艺严格控制挤压温度等，以保证均一的屈服强度。,2）高精度的3维弯曲加工技术,汽车框架对型材的加工精度要求很高，因此需开发能自动的计算弯曲过程中不同形状型材的弯曲特性，并针对各种材料的弹性回复量进行预测，从而自动地进行补偿，以减少因弹性回复而造成的误差。,底盘结构件,铝合金在汽车上的应用部位、减重效果和市场份额发动机传动系统底盘和悬挂系统覆盖件车轮,保险杠系统,相对减重比,绝对减重质量,市场份额,总减重200Kg,转向节,控制臂,副车架,铝合金底盘轻量化零部件,保险杠,新能源车铝制车架,麦弗逊悬架控制臂双叉臂悬架上控制臂,杆状控制臂双叉臂悬架下控制臂,控制臂,后悬架下控制臂，砂型铸造，中空，奥迪系列车型，2.6Kg,后悬架下控制臂，挤压型材，雪弗兰迈锐宝，1.4Kg,控制臂,Porsche Panamera ，16Kg，原有钢制件由30个零件组成低压铸造low pressure die casting(VRC/PRC)铝板制造，5XXX制造商：hydro,砂型铸造， AlSi7Mg，17.1Kg制造商：GF Automotive液压成型型材+铸件，BMW7,14.1Kg制造商：hydro,副车架,直的型材+铸件，雪铁龙C5，11.7Kg制造商：Constellium,直的型材+触变成形铸件，阿尔法罗密欧 Spider ，17.8Kg制造商：Constellium,副车架,典型麦弗逊悬架前转向节，通用系列车型，2.5Kg,多连杆前转向节，结构形式与双叉臂类似，奥迪系列车型,转向节,按照B级车进行评估，底盘件包括保险杠，共可减重52.6Kg。,针对具体零件的轻量化效果评估,3.轻量化效果评价,铝合金副车架,目 录,一二三四五六,铝合金副车架市场及发展趋势目前国内外铝合金副车架结构型式副车架性能指标及要求铝合金副车架工艺设计思路材料选型国内开展的工作,1.1 铝合金在汽车上的应用（2015年）,1、铝合金在汽车上的使用比例由2012年的9.0%上升到2015年的10.4%；2、单车使用量由2012年的159kg上升到178.7kg。（duckerstudy）,1 铝合金副车架市场及发展趋势,1.2 主要车型的用铝量,1、用铝量增加的零件中，除了车轮外，有40%的铝合金零部件是结构件；2、目前欧洲引领汽车零部件用铝技术。,1.3 2006-2012欧洲汽车用铝增量,1.3 铝合金副车架,后副车架,前副车架,副车架：就是安装悬架和稳定杆，然后将它们作为一个整体总成，通过弹性橡胶垫与车身连接起来。优点：隔振、隔音、轻量、底板较低、空间利用率高。,在A/B级车中使用了22.31万吨铝，平均每辆车用铝103kg，其中副车架占6%；在C级车中使用了28.83万吨铝，平均每辆车用铝135.3kg，其中副车架占3%。,在D级车中使用了27.18万吨铝，平均每辆车用铝184.2kg，其中副车架占6%；在欧洲的D级车与北美D/E级车相当，目前用铝量还在不断上升。,1.4 国外汽车上副车架的用铝比例,2012年我国铝合金副车架的情况1、我国副车架的铝化率远低于北美和欧盟，存在较大差距。2、基本上完全集中在合资品牌汽车，国产车型有广汽传祺后副车架。3、扩大铝合金副车架在国内自主品牌上的应用是日益发展的趋势。,副车架,1.4 铝合金副车架市场分析,2,目前国内外铝合金副车架结构型式,成型工艺,图例,成型工艺,图例,无冒口铸,造铸造件低压铸造（保时捷panmera）板材冲压 板材冲压件,砂型铸造真空压铸（广汽传祺）奔驰S级,图例,图例,挤压+铸件焊接件,成型工艺宝马5系,成型工艺宝马7系,凯迪拉克,本田,其他,液压成型（奥迪A7）,钢铝连接（雅阁）,2,目前国内外铝合金副车架结构型式,小 结,1、现有成熟应用的铝合金副车架成型工艺主要有整体铸造件，板材冲压焊接件，挤压型材+压铸件焊接等成型方式；,2、目前应用较多的是采用铸造件和挤压型材+压铸件焊接。,3.1 结构强度与刚度要求,副车架结构刚度和动力学性能设计的过程,分析具有竞争力的同类车型的性能指标,对新设计提出具体的目标要求,实施拓扑构造技术，选择结构方案,建立CAE模型进行结构强度分析计算,结构优化 ，得到最佳方案,试验验证,产品设计的全面评估,不断完善,3 副车架性能指标及要求,3.2 疲劳耐久性要求,疲劳的产生汽车在行驶过程中，由于路面不平整及路面使用过程中造成的缺陷等因素的影响，底盘结构会受到交变载荷的作用,疲劳破坏在交变载荷重复作用下，应力值没有超过材料的强度极限，材料或结构所发生的,影响疲劳强度的因素材料本身的性质、零件几何形状、表面质量、工作条件、表面处理及参与内应力等,破坏现象材料或构件疲劳性能用疲劳强度来衡量，它指材料或构件在交变载荷作用下的强度，采用在一定循环特征下，材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力和疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数作为疲劳极限评价指标。疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的应力水平。,4 铝合金副车架工艺设计思路成型工艺选择原则,功能性使得零件在使用过程中具有良好的使用性能,工艺性能够确保零件便于成型加工,经济性能使产品具有较低的总成本,4.1 成型工艺-铸造,综合考虑，采用挤压铸造工艺成型，可保证高,致密度及高的力学性能。,4.1.1 铸造铝合金,综合考虑选择铝硅系合金，通过对标国内外现有的车型副车架材料，最终选择AlSi7Mg系合金A356.3 -T6。,尺寸：7001200250壁厚：5-25mm；工艺：真空无冒口铸造（VRC/PRC）,4.1.2 典型铸造成型工艺案例冲压时约30个零件变成1个零件。,材料：A356重量：16.7kg轻量化效果：40%；来源：美铝,尺寸：7101200335壁厚：3.9mm；工艺：低压铸造,材料：A356重量：16kg,典型铸造成型工艺案例保时捷Panamera 后副车架,4.2 成型工艺-板材冲压,成型工艺：铸锭热轧冷轧中间退火,冲压成型机加焊接总成,铝合金零部件的冲压，其技术原理与钢制零部件相同，只是铝制零件的成,型要特别注意以下几点：,1.在成型模具的设计及成型条件的选定上，要控制延展部位到最小，深冲,部位能达到最大成型；,2.由于铝合金板总延伸率小，变形分布不均，因此要尽可能地使加工变形,分散开，以防深冲裂纹的产生；,3.加工时要适当涂润滑油，以防卡模、粘附等；,4.由于铝合金板的弹性模量较小，弹性回复量大，故要防止模具过量而造,成的形状不良。,因回弹增加和出现裂缝，铝合金板的冲压加工难度增大。如使用专用模具，这种影响会减少，但成本很高。此外，采用铝板冲压的生产率低，因为铝板易损伤，模具需频繁清洗，从而也增加了制造成本。,4.2.1 成型工艺-板材冲压,4.2.3 工艺特点,优点：1、成型性好，强度高，可焊性好；,2、不需要淬火、减小淬火变形，提高成型精度。,缺点：1、设备要求高；,2、由于含Mg量的影响，在适用工况超过80时，容,易产生晶界腐蚀。,4.2.2,板材冲压用主要材料,对于5xxx材料，当Mg含量超过3%时，暴露在超过80的环境中晶界处就易析出-Mg5Al8颗粒。因此含Mg量高的AlMg合金在排除在高温环境下必须谨慎使用。,力学性能：由板材和管材组成，通过MIG焊接而成；板材厚度：2.5-3.5mm，挤压管材壁厚：3.5mm；材料：板材AA5754 管材AA6060。,重量12.5Kg，减重效果：40%,奔驰S级后副车架,4.2.4 典型案例分析,65,4.3 成型工艺挤压型材+压铸件焊接成型,压铸件,弯曲的挤压型材,型材弯曲焊接件的结构形式,宝马3系,以挤压型材制成管梁与铸造成型的支架通过焊接而成。纵梁与横梁：AA6061-T6，壁厚：4-7mm；支架：AlSi7Mg；焊丝：ER4043,成型工艺,4.3 挤压焊接件典型案例,尺寸L/W/H: 1130/675/265最终重量：13Kg,凯迪拉克ATS,型材厚度：2.563.16 mm，铸件厚度：3.9443.24 mm。,经解析，该副车架采用A356加工成压铸件，然后与AA6061挤压型材件通过MIG焊接方式连接而成，焊丝为ER4043。,阿尔法罗密欧spider,型材厚度：510 mm外形尺寸：1270/630/280,材料：AA6061-T6AlSi7Mg0.6-T5,工艺：挤压+触变成型+MIG焊接,CAE分析及结构设计,压铸生产挤压件生产,弯曲,焊接,表面处理,机加,4.3.1 成型工艺-挤压焊接件,选材：真空压铸件：A356系列型材：6061、6060、6005等。关键技术：1、具有均匀屈服强度的型材制备技术。,如屈服强度不均匀，则弯曲后回弹量不一致，直接影响后续焊接工序。,2、异种材料焊接技术由于真空压铸件与型材为异种铝合金，怎样控制焊接工艺并保证接头力学性能是关键技术。上述两项技术较为关键，对公司技术实力要求较高。70,4.5 铝合金副车架成型工艺解析,种类,设备要求 工艺成熟度,成本,局限性,说明,铸造件,高,高,高,1、受制于压铸机吨,位大小；2、前期投资大；,3、模具成本高。,适合于轮廓较小的大批量量产产品。,板材冲压挤压+铸件焊接,高低,一般高,高中,长时间高温下易晶界腐蚀开裂焊接工艺要求高，避免焊接应力集中。,适合相对复杂的结构，不需要时效强化。应用最广泛，工艺简单,其他（液压,成形、异种,连接）,高,低,高,设备要求较高,目前应用较少,在轻量化联盟的支持与指导下，联合国内主要主机厂，制定方案，共同完成了铝合金副车架的设计开发。,对主机厂提供的钢制件副车架结构进行分析，综合结构、成型工艺和成本考虑，提出设计开发构想，选择采用的成型工艺（铸件与管梁焊接结构）。,重量26Kg,某SUV钢制件副车架,为某汽车主机厂开展的工作,阶数,频率（Hz）,振型特点,123,121.1180216.1,扭转纵梁向内弯曲横向弯曲,4,256,前横梁和后横梁向内弯曲,56,286.1340.4,后横梁局部向上弯曲前横梁和后横梁向内弯曲,钢制原型件分析强度及刚度分析模态分析结果,由CAE分析结果可知，颠簸工况所受应力最大，远大于其它工况，受力较大的区域在后横梁以及纵梁与前弯管梁的内侧焊接区域，由模态,结果可知钢制件副车架的固有频率，,这些都能为铝合金副车架设计提供必要的参考。,铝合金副车架设计思路和流程,1、获得设计输入条件，包括数模、硬点、工况，确定副车架的可设计空间，确定框架焊接结构的零件组成以及设计开发构想。,2、对铝合金副车架进行初版设计，通过拓扑优化、形貌优化等方法对零件结构进行优化。,3、对初版铝合金副车架进行仿真计算，对计算结果（强度、模态、刚度等）和设计要求及指标进行对比，若不能达到要求，必须修改设计或重新设计，直到达到要求为止。,8/16/2017,第四版,第七版,第十版,结构CAD设计优化结构OK；强度NG！结构、强度OK；动、静刚度NG！结构、强度、刚度及疲劳,均OK；,下一步是对最优化的铝制副车架进行CAE仿真分析。,加速颠簸,制动转向,有限元分析,模态分析结果,结论：,铝合金副车架模态与钢材副车架处于同一水平。,静刚度分析,结论：,由上表所示，各个安装点的各向静刚度达到目标要求。,动刚度分析,结论：,由上表所示，各安装点的各向动刚度值满足目标要求。,铝合金副车架与钢制副车架疲劳结果汇总表,疲劳分析结果,（1）计算得到的强度能满足要求，并达到主机厂提供的安全系数值。,（2）计算得到的模态、静刚度、动刚度、疲劳性能能满足要求。3、最后通过台架试验和道路试验测试具体相关指标,小结1、轻量化效果铝合金副车架相对于钢制件减重效果一般能达到30%40%2、仿真计算能满足要求,铝合金锻造摆臂结构设计,及流变行为,1、我国控制臂的铝化率远低于发达国家，存在较大差距。2、基本上完全集中在合资品牌汽车。自主品牌汽车开始在其高档车型上少量使用，代表车型有上汽荣威950、广汽传祺、奇瑞瑞麒G5、G6等，吉利博瑞。3、控制臂绝大部分为锻造件。4、国内民营企业基本上主要做外贸售后市场，产品质量差。无合金开发和产品结构设计能力。,控制臂,铝制控制臂使用数量,铝化率,2009年欧盟产量2009年北美产量2009年日本产量2012年中国使用量,3060万件1080万件1000万件166万台车,24%/9.2%,发达国家与我国控制臂使用量及铝化率,1、控制臂性能要求及选材,国产件,合金11,Rm(MPa)335,339,力学性能Rp0.2(MPa)316,330,A25mm(%)9.76,11.9,12,347,340,13.6,原装件,1321,337362,373,335334,352,12.29.84,11.7,22,371,353,11.2,23,388,369,14.0,国产件,原装进口件,国产件和进口件的差异,力学性能上略有差异84,国产件大量粗晶组织,原装进口件亚晶组织,国产件和进口件的差异,内部组织差异非常大-疲劳性能，耐腐蚀性能差85,1、控制臂性能要求及选材,控制臂的要求：强度好、耐腐蚀、耐冲击、优异的疲劳性能。,1、控制臂性能要求及选材,4xxx系Al-Si：铸造件，A356-T6（A356.2），如新款蒙迪欧下摆臂。,6xxxAl-Mg-Si：锻造件，6082-T6。奔驰、奥迪、宝马、通用等基本全采用,该合金。,注：二者疲劳测试方法没有完全统一，但6082的疲劳性能优于A356.,1、Al-Si系A356合金性能相对较差，但为铸造成型，价格较低。2、Al-Mg-Si系6082合金性能相对较好，但其为变形铝合金，加,工成本较高。,3、绝大部分控制臂形状相对简单，采用锻造生产，转向节优,于形状复杂，采用铸造生产。,fatigue Strength/MPa,Yield Strength/MPa,target,target,Background - Development to Al-Mg-Si-Cu Alloys,How to control the alloy composition and processing technology?,Materials Research Group,高强高韧6xxx系材料开发,Materials Research Group,Part I: Introduction to Al-Mg-Si-Cu Alloys,Materials Research Group,Part I: Introduction to Al-Mg-Si-Cu Alloys,Fig.1 A model of the precipitation of the dispersoids containingMn/Cr.,Reference: L. Lodgaard. Mater. Sci. Eng. A 2000;283:152.,Part I: Introduction Aim of This Work,How does the dispersoids containing Mn/Crprecipitate in Al-Mg-Si-Cualloy?,Materials Research Group,Part 2: Experimental Materials and Characterization,Methods to study the alloys:,STEM (Scanning transmissionelectronmicroscope)EDS mapping(Energy dispersespectroscopymapping)3DAP (Three-dimensionalatomprobe),Studied alloys(wt.%):,Materials Research Group,Part 3: STEM photos of dispersoids containing Mn/Cr,Fig.2 STEM photos of high temperature dispersoids: (a) Direct heating to460C for 4h, number density=424m-3; (b) 0.6C/min to 460C for 4h,number density=810m-3.Materials Research Group,(a),(b),TEM image of a phase and,corresponding elemental X-ray maps,Materials Research Group,Fig.3 Alloy A after homogenization at 460C for 4 hours (direct heating): (a) Z-contrast STEM photo showing high temperature precipitates; (b) By rotatingthe specimen, some of the precipitates changed morphology.,Part 3: STEM photos of dispersoids containing Mn/Cr,CrCu,MnSi,AlFe,Fig.4 EDS mapping of two types of high temperature dispersoids (alloy Ahomogenized at 460C for 4 h, direct heating).Materials Research Group,Part 3: EDS mapping of dispersoids containing Mn/Cr,Al,Mn,Cr,Fe,Si,Cu,Fig.5 EDS mapping of block-like high temperature dispersoids in a stringer(alloy A homogenized at 460C for 4 h, 0.6C/min).Materials Research Group,Part 3: EDS mapping of dispersoids containing Mn/Cr200 m,Direct heating to 460Cfor 15 min,Breaking down lathe-shapedprecipitate,Lathe-shapedQ-AlMgSiCuMn clustersFig.7 STEM photos of morphology of precipitates formed duringhomogenization at 460C for 15 min, direct heating. Two distinct types ofprecipitates: long lathe-like phase and little block-like phase.Materials Research Group,Part 3: STEM photos of dispersoids containing Mn/Cr,Mn,Fe,Cr,Al,Mg,Si,Cu,Fig.8 EDS mapping of two types of precipitates at early stage (alloy Ahomogenized at 460C for 15 min, direct heating). Long lathe-like phase: Q-AlMgSiCu and little block-like phase: Mn clusters.Materials Research Group,Part 3: EDS mapping of dispersoids containing Mn/Cr,nm,SiCuMnCrFig.9 3D-atom probe result of alloy A (0.6C/min to 350C quench), showingthe existence of Q phase and segregation of Mn and Cr at the Q phase/matrixinterface before decomposition of the Q phase.Materials Research Group,Al17Mg46Si27Cu10MgSiCuMnCrAl17Mg46Si27Cu10Mg,AlQ PhaseAlQ Phase,Part 3: 3D-atom probe of dispersoids containing Mn/Cr,AlMg,Mn,Si,Al17Mg45Si29Cu9Q Phase,SiCuAlAl70Mn16Cr1Si13,Al71Mn14.5Si14.5Cr0.4Al14Mn3Si3Fig.10 3D-atom probe result of alloy A (0.6C/min to 400C quench). Sisubsequently participated in the formation of -dispersoids following Mn.The atomic ratio of Mn/Si in -dispersoids was close to 1.Materials Research Group,Part 3: 3D-atom probe of dispersoids containing Mn/Cr,材料开发:纳米级析出相的控制技术,新材料开发,50mm,MonoclinicNano-Sphere,Cuboid,Rounded CuboidRod-like,-新材料开发新热处理制度开发：纳米级弥散相结构分析Heat treatment development: Structuralanalysisof nano-scaledispersed particles,(a),(b),(c),50mm(d)Dislocations interaction with submicron precipitates: (a) WBDF photo of dislocations twisting withprecipitates in low Mn sample; (b) STEM photo of high Mn sample, (c) and (d) are magnification of (b),showing details of submicron precipitates interacting with dislocations,新材料开发明确弥散相粒子与位错的交互作用机理，获得具有高比例亚结晶结构的组织。Investigated the interaction mechanism of dislocation and the dispersed particles and obtained thematerial with high percentage of subgrains.,Yield strength,强度(MPa),延伸率(%),Elongation,条件疲劳极限测试条件：max250MPa疲劳测试条件：试验波形：Sine 应力比： R = 0.1试验频率：65Hz 环境温度：202,执行标准：GB/T3075-2008,条件疲劳极限循环周数：107次,结论：力学性能和疲劳性能结果表明，新开发,的6xxx锻造铝合金材料性能国内领先、国际先进。,0,400300200100,延伸率,抗拉强度,60616082高强6xxx,屈服强度,0,2015105,新型高强6xxx系合金和常规6061、6082性能的比较,通过合金成分优化、锻造工艺优化以及热处理工艺优化等手段，开发出了性能国内领先、国际先进的6xxx锻造铝合金，具体性能如下表所示：Fatigue Performance:,Yi Han, Ke Ma, Lian Li, Wei Chen, Hiromi Nagaumi: Study on microstructure and mechanical properties of AlMgSiCu alloy with highmanganese content, Materials and Design 39 (2012) 418424.,疲劳强度 MPa,260,280,300,380,400,420,110,130,150140,160,现阶段自主开发的新型高强高韧铝合金，性能国内领先，国际先进，其屈服强度380MPa，抗拉强度400MPa，延伸率12%，且疲劳性能优异，远高于目前国内大量使用的常规6061和6082合金，并赶上了国际先进水平，适用于生产各种承力结构零件，实现进一步减重。下一步即将开发出强度和疲劳性能更优异的高强6xxx合金。,新材料开发,320 340 360屈服强度 MPa,6061,KD610,目前国内大量使,用的常规合金,目前国际先进的,锻造铝合金材料120,6082,现阶段所开发材料性能,处于国际领先的高强铝合金6xxx材料,KS651,轻量化率（相对铸铁）（%）,KD610,200,250,300,350,400,2520,30,454035,50,铸件,A356,KS651,锻件,锻件,锻件,锻件,锻件,目前国内大量使用常规合金的轻量化效果6061,使用国际先进水平锻造铝合金的,轻量化效果,使用现阶段开发材料所能达到的轻量化效果,使用即将开发成功的居国际领先水平材料所能达到的轻,量化效果,屈服强度 MPa采用现阶段自主开发成功的新型高强高韧铝合金，轻量化效果居于国际先进水平，远优于目前国内常规使用的6061和6082合金。如对于控制臂而言，采用现阶段中铝开发的材料，相对于传统6082合金而言，能多实现减重0.2Kg左右。,1、新材料开发55,2、锻造铝合金成型过程组织演变,铝合金熔炼半连铸固溶淬火,加热终锻时效,挤压预锻渗透检测,下料制坯表面处理,均匀化切边矫直,形变热处理决定材料的性能。,熔炼,均匀化,热变形,T6,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,1、亮白色，含Fe相，-AlFeMnCrSi相2、黑色，Mg2Si相3、圆形，白色，含Cu相。,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,关键参数：1、化学成分2、晶粒尺寸3、二次枝晶臂间距4、夹渣量5、气含量,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,铸态,均匀化态,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,均匀化过程中析出0.1m左右的热稳定相，将影响后续材料的再结晶。,Stress (MPa),Stress (MPa),0.001S,1S,熔炼,热变形,2、锻造铝合金成型过程组织演变,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,00.0,100908070605040302010,Strain,均匀化-1623 K (350C)673 K (400C)723 K (450C)773 K (500C)823 K (550C),0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,00.0,100908070605040302010,Strain,T6-1623 K (350C)673 K (400C)723 K (450C)773 K (500C)823 K (550C),变形过程中的三个“度”：变形温度T，变形速度，以及变形程度。一般认为热变形达到稳态后，忽略变形程度，则变形条件以Z参数进行衡量。Z exp(Q / RT),熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,Z=8.571020s-1(T=623 K (350), =1 s-1);Z=1.091016s-1(T=723 K (450， =0.001s-1)Z=7.011012s-1(T=823 K (550, =0.001s-1),ss,ss = -0.44859 + 0.0164lnZ,R = 0.89308,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,30,35,40,45,50,0.350.300.250.200.150.100.05,0.40,lnZ,2,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,Z=8.571020s-1(T=623 K(350), =1 s-1);Z=1.091016s-1,(T=723 K (450，, =0.001s-1)Z=7.011012s-1(T=823 K(550, =0.001s-1),固溶前,固溶后,Z参数较大时发生再结晶,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,Z=8.571020s-1(T=623 K (350), =1 s-1);Z=2.391019 s-1 (T=673 K(400 C), =1 s-1)二次再结晶Z参数小的再结晶晶粒大， Z参数大的再结晶晶粒小,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,T6处理后，亚晶（晶粒）尺寸的变化规律,Conductivity /%IACS,Vickers Hardness /HV,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,50nm,T6时效后会析出纳米级的析出相，提高强度。,0,2,4,6,8,10,0,105907560453015,150135120,464442403836,525048,time /h,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,性能T=623 K (350)T=673 K (400 )T=723 K (450 )T=753 K (480 ),Strength(MPa),Elongation(%),熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,性能,620,640,660,680,700,720,740,760,380360340320300,420400,Rp0.2RmElongation (A5),Temperature (K),201816141210,22,2624,具有亚晶组织的锻件，力学性能较优。,熔炼,均匀化,热变形,T6,2、锻造铝合金成型过程组织演变,性能,粗晶组织影响力学性能。,同时，晶间腐蚀性能变差。,挤压,切边,圆铸锭,常规工艺异型铸锭+锻造和常规的挤压棒+锻造比较，材料的成品率能提高15%-20%新型工艺坯料世界先进的短流程工艺：异形半连续铸造+锻造技术的优点采用短流程的新工艺，可以省掉常规工艺中的挤压制坯，并在很大程度上减少预锻工序，同时提高材料成品率，是一种低成本的环保型先进加工方法。,切断 辊锻 弯曲 加热 粗模锻 切边 加热 模锻成形,3、短流程新工艺的开发,部,部部,部,采用挤压棒材进行锻造的传统工艺：低倍组织显示锻件由大量粗晶组成，该组织的锻件力学性能及疲劳性能较差。,3、短流程新工艺的开发材料微观组织控制10mm部,采用近终形铸造+锻造的新工艺：低倍组织显示锻件由基本由亚晶组成，该,组织的锻件力学性能及疲劳性能较优。,材料微观组织控制,4、短流程新工艺的开发,4、锻造铝合金控制臂的开发,结构设计,结构分析,工艺开发,试制,台架试验,道路试验,前点,后点,球头点,输入条件：1、空间干涉2、硬点坐标,结合锻造工艺进行结构设计，并需达到轻量化最优的效果,4、锻造铝合金控制臂的开发,结构设计,结构分析,工艺开发,试制,台架试验,道路试验,输入条件：满载各过路工况，力及力矩判定条件：计算的最大应力满足材料的设计安全系数。由于输入条件无路谱的原因，如有条件，发给主机厂进行疲劳分析，并校核CAE结果。,4、锻造铝合金控制臂的开发,结构设计,结构分析,工艺开发,试制,台架试验,道路试验,4、锻造铝合金控制臂的开发,结构设计,结构分析,工艺开发,试制,台架试验,道路试验,钢制件铝制件外观、低倍、高倍、力学性能检查,4、锻造铝合金控制臂的开发,结构设计,结构分析,工艺开发,试制,台架试验,道路试验,4、锻造铝合金控制臂的开发,结构设计,结构分析,工艺开发,试制,台架试验,道路试验,总里程46023km（高速环道20008km，山区公路8001km，城市工况2005km，强化坏路16009km），测试结果反馈结构主体无问题。,结论：台架实验结果表明，采用新材料新工艺生产的锻铝控制臂，综合性能与钢制臂相当或高于钢制臂，完全能够满足使用要求。