目前汽車用儀表板橫梁通常采用鋼管和鋼板沖壓件組合焊接制造，此類鋼制儀表板橫梁總成的組成零件數(shù)量多，需要焊接組裝，不利于尺寸控制，且整體重量大，不符合輕量化理念。而根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用鎂合金壓鑄的儀表板橫梁可減重50%以上，輕量化效果非常明顯。主要是因?yàn)?a href=http://www.nicastaneda.com target=_blank class=infotextkey>鎂合金是目前應(yīng)用的金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的，具有密度小，比強(qiáng)度和比剛度高，阻尼性、切削加工性和鑄造性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此鎂合金儀表板橫梁在國外汽車產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)在我們從設(shè)計(jì)選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能驗(yàn)證等方面，向您簡要介紹AM60B鎂合金在奇瑞某車型的儀表板橫梁上的應(yīng)用情況。
鎂合金儀表板橫梁的特點(diǎn)
鎂合金儀表板橫梁與鋼制儀表板橫梁相比具有以下特點(diǎn)：
(1)輕量化 鎂合金的密度為1.78g/cm3，僅為鋼密度的1/4，減重在50%以上。
(2)零件集成化程度高，尺寸穩(wěn)定 與鋼制件相比，鎂合金儀表板橫梁采用整體壓鑄的生產(chǎn)工藝，可以把傳統(tǒng)鋼質(zhì)CCB的20多個(gè)零件集成為一個(gè)件。
(3)安裝尺寸精度高 由于采用整體壓鑄，尺寸精度很高，所有的尺寸公差都可以控制在0.5mm以內(nèi)，解決目前鋼骨架安裝過程中的干涉和異響等問題。
(4)設(shè)計(jì)靈活 由于采用壓鑄工藝，產(chǎn)品工藝性好，零件形狀的設(shè)計(jì)自由度大。
(5)綠色環(huán)保 鎂合金材料可以百分之百回收利用。
鎂合金的選擇
目前鎂合金的種類有很多，汽車工業(yè)采用較多的是AM系和AZ系合金，常用鎂合金牌號主要有AM60B和AZ91D。其中AM60B的鋁含量較低，由于隨著鋁含量的降低，材料的韌性逐漸增高，故與AZ91D相比，AM60B的韌性和塑性較好。AM60B是高純牌號，因此具有和AZ91D一樣優(yōu)良的耐蝕性能，且與A380鋁合金相比，耐蝕性更加優(yōu)秀。
本文所介紹的儀表板橫梁形狀復(fù)雜、體積龐大而且壁厚不均，要求承載各種儀表儀器，因此需具有較高的韌性和強(qiáng)度。通過綜合考慮AM60B和AZ91D的性能以及參考有關(guān)文獻(xiàn)資料，最終決定選用AM60B(性能見表1)作為制造儀表板橫梁的材料。
表1 AM60B鎂合金的化學(xué)成分和物理性能
CAE分析
儀表板橫梁上附件非常多，導(dǎo)致受力復(fù)雜，且方向不同，因此要根據(jù)不同的附件和不同的狀態(tài)進(jìn)行分析。
根據(jù)受力情況和CAE分析要求，制作了儀表板橫梁的網(wǎng)格圖形(見圖1)，進(jìn)行了橫梁剛度、膝部載荷、側(cè)面沖擊載荷等六個(gè)方面的分析，得出了給定的工況下儀表板橫梁的等效應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明：應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在安裝儀表的一些螺栓支點(diǎn)，其余部位由于承受載荷程度較低，因此應(yīng)力值較小且分布均勻(見圖2)。整件的分析結(jié)果表明：AM60B鎂合金材料制造的儀表板橫梁完全滿足給定的零部件的性能要求，達(dá)到了使用條件(見表2 )。
表2 儀表板橫梁CAE分析結(jié)果
壓鑄工藝
鎂合金零件早期采用金屬型重力鑄造，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，由于鎂合金的熔點(diǎn)低、密度低，大多數(shù)合金的流動(dòng)性比較好，且比熱容低，容易獲得較高的冷速，因而在適中的壓力下可以獲得理想的鑄件。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，奧迪某款車型的鎂合金儀表板橫梁，在裝有自動(dòng)澆注機(jī)構(gòu)的鎖模力為24.5MN的冷室壓鑄機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)壓鑄，因此本文介紹的鎂合金儀表板橫梁采用冷室壓鑄是完全可行的。
針對儀表板橫梁的結(jié)構(gòu)性能要求，結(jié)合AM60B的疲勞性能對內(nèi)在缺陷非常敏感的特點(diǎn)，儀表板橫梁的壓鑄工藝過程中要求壓鑄過程充型平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)順序凝固，避免各種鑄造缺陷的發(fā)生。這樣才能在得到缺陷少、品質(zhì)高的鑄件的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率，也為實(shí)現(xiàn)新材料在儀表板橫梁上應(yīng)用奠定了工藝基礎(chǔ)。
試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求分別對所開發(fā)的鎂合金儀表板橫梁進(jìn)行零件性能測試、道路試驗(yàn)和碰撞安全試驗(yàn)。
1.零件性能測試
根據(jù)產(chǎn)品性能要求，需在三個(gè)狀態(tài)下對儀表板橫梁零件性能進(jìn)行測試，分別是靜態(tài)管柱“入侵”、靜態(tài)側(cè)面負(fù)載和轉(zhuǎn)向管柱處橫梁剛度三項(xiàng)臺(tái)架試驗(yàn)。
(1)靜態(tài)管柱“入侵”試驗(yàn)件固定在夾具上(模擬固定在乘客座的A柱處)，并通過鋼支架固定在另一夾具上(模擬中間通道的H梁固定)。夾具盤安裝在管柱支架安裝處，其與管柱支架功能形狀一樣。試驗(yàn)時(shí)，通過加載缸沿X方向加載負(fù)荷，加載點(diǎn)位于此夾具盤上。記錄力—變形曲線，記錄零件在失效前所能承受的最大力。
(2)靜態(tài)側(cè)面負(fù)載 試驗(yàn)件固定在夾具上(模擬固定在乘客座的A柱處)，并通過鋼支架固定在另一夾具上(模擬中間通道的H梁固定)。夾具盤連接到駕駛座的A柱處，并與氣缸相連。試驗(yàn)時(shí)沿Y方向，通過加載缸對零件的駕駛室處的A柱施加負(fù)荷，直到零件失效。記錄力—變形曲線，記錄零件在失效前所能承受的最大力。
(3)轉(zhuǎn)向管柱處橫梁剛度試驗(yàn)件固定在夾具上(模擬固定在乘客座的A柱處)，并通過鋼支架固定在另一夾具上(模擬中間通道的H梁固定)。夾具盤安裝在管柱支架安裝處，其與管柱支架功能形狀一樣。負(fù)荷就加在此夾具上(模擬轉(zhuǎn)向管柱)。
經(jīng)過上述三項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求(見表3)。
表3 臺(tái)架性能試驗(yàn)結(jié)果
2.道路試驗(yàn)和碰撞試驗(yàn)
在完成了材料和零部件臺(tái)架試驗(yàn)之后，又分別對鎂合金儀表板橫梁進(jìn)行了強(qiáng)化和綜合道路試驗(yàn)以及整車碰撞試驗(yàn)，道路試驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)鎂合金儀表板橫梁發(fā)生銹蝕、開裂等失效情況，結(jié)果完全滿足產(chǎn)品的性能要求。正碰試驗(yàn)和側(cè)碰試驗(yàn)過程中，鎂合金儀表板橫梁起到很好的支撐作用，沒有發(fā)生變形或開裂，順利通過碰撞試驗(yàn)。
鎂合金儀表板橫梁的零件性能測試、路試試驗(yàn)和碰撞安全試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了鎂合金儀表板橫梁性能完全滿足使用要求。
結(jié) 語
采用AM60B鎂合金制造的儀表板橫梁完全滿足產(chǎn)品的各項(xiàng)性能要求，可以作為B級及以上車型儀表板橫梁的制造材料。通過AM60B鎂合金材料在儀表板橫梁上的成功應(yīng)用，不但可以達(dá)到輕量化效果，同時(shí)也為后期在其他零件上應(yīng)用提供了思路和經(jīng)驗(yàn)。