สถานะการใช้งานและแนวโน้มการพัฒนาของโลหะผสมอลูมิเนียมในรถยนต์ยุโรป

อุตสาหกรรมรถยนต์ของยุโรปมีชื่อเสียงในด้านความก้าวหน้าและนวัตกรรมใหม่ๆ ด้วยนโยบายส่งเสริมการประหยัดพลังงานและลดการปล่อยมลพิษ เพื่อลดการใช้เชื้อเพลิงและการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ โลหะผสมอลูมิเนียมที่ได้รับการปรับปรุงและออกแบบอย่างสร้างสรรค์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการออกแบบรถยนต์ ตามสถิติ ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา ปริมาณอลูมิเนียมเฉลี่ยที่ใช้ในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และน้ำหนักที่ลดลงของโลหะผสมอลูมิเนียมแสดงไว้ในรูปที่ 1 ด้านล่าง จากแนวคิดการออกแบบที่สร้างสรรค์ แนวโน้มนี้จะดำเนินต่อไปในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

ในกระบวนการพัฒนาน้ำหนักเบา โลหะผสมอลูมิเนียมกำลังเผชิญกับการแข่งขันที่รุนแรงกับวัสดุใหม่ เช่น เหล็กกล้าแรงสูง ซึ่งยังคงรักษาความแข็งแรงสูงได้หลังจากการออกแบบผนังบาง นอกจากนี้ยังมีวัสดุผสมแมกนีเซียม ไททาเนียม แก้ว หรือคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งอย่างหลังนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศแล้ว ปัจจุบัน แนวคิดการออกแบบวัสดุหลายชนิดได้ถูกผสานเข้ากับการออกแบบรถยนต์ และกำลังพยายามนำวัสดุที่เหมาะสมมาใช้กับชิ้นส่วนที่เหมาะสม ความท้าทายที่สำคัญมากคือปัญหาการเชื่อมต่อและการตกแต่งพื้นผิว และมีการพัฒนาวิธีแก้ปัญหาต่างๆ เช่น บล็อกเครื่องยนต์และส่วนประกอบระบบส่งกำลัง การออกแบบเฟรม (Audi A2, A8, BMW Z8, Lotus Elise) โครงสร้างแผ่นบาง (Honda NSX, Jaguar, Rover) ระบบกันสะเทือน (DC-E class, Renault, Peugeot) และการออกแบบส่วนประกอบโครงสร้างอื่นๆ รูปที่ 2 แสดงส่วนประกอบของอลูมิเนียมที่ใช้ในรถยนต์

กลยุทธ์การออกแบบ BIW

ตัวถังสีขาวเป็นส่วนที่หนักที่สุดของรถยนต์ทั่วไป โดยมีน้ำหนัก 25-30% ของน้ำหนักตัวรถ ตัวถังสีขาวมีโครงสร้าง 2 แบบ

1. “การออกแบบโครงตัวถังแบบโปรไฟล์” สำหรับรถยนต์ขนาดเล็กและขนาดกลาง:Audi A8 เป็นตัวอย่างทั่วไป ตัวถังสีขาวมีน้ำหนัก 277 กก. ประกอบด้วยโปรไฟล์ 59 ชิ้น (61 กก.) ชิ้นส่วนหล่อ 31 ชิ้น (39 กก.) และแผ่นโลหะ 170 ชิ้น (177 กก.) เชื่อมติดกันด้วยการรีเวต เชื่อม MIG เชื่อมเลเซอร์ เชื่อมไฮบริดอื่นๆ ติดกาว ฯลฯ

2. “โครงสร้างโมโนค็อกแบบแผ่นโลหะขึ้นรูป” สำหรับการใช้งานยานยนต์ที่มีความจุขนาดกลางถึงขนาดใหญ่:ตัวอย่างเช่น Jaguar XJ (X350) รุ่นปี 2002 (ดังที่แสดงในรูปที่ 4 ด้านล่าง) ตัวถังแบบ “โมโนค็อก” ที่มีมวล 295 กก. ประกอบด้วยโปรไฟล์ 22 ชิ้น (21 กก.) ชิ้นส่วนหล่อ 15 ชิ้น (15 กก.) และชิ้นส่วนโลหะแผ่น 273 ชิ้น (259 กก.) วิธีการเชื่อมต่อ ได้แก่ การยึดติด การหมุดย้ำ และการเชื่อม MIG

การประยุกต์ใช้โลหะผสมอลูมิเนียมกับตัวถัง

1. โลหะผสม Al-Mg-Si ที่แข็งตัวเมื่อผ่านการใช้งาน

โลหะผสมซีรีส์ 6000 ประกอบด้วยแมกนีเซียมและซิลิกอน และปัจจุบันใช้ในแผ่นตัวถังรถยนต์ในชื่อ A6016, A6111 และ A6181A ในยุโรป EN-6016 ขนาด 1-1.2 มม. มีความสามารถในการขึ้นรูปและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม และมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย

2. โลหะผสม Al-Mg-Mn ที่ไม่สามารถผ่านกระบวนการอบด้วยความร้อนได้

โลหะผสม Al-Mg-Mn มีคุณสมบัติการชุบแข็งแบบเฉพาะตัวและทนต่อแรงดึงสูง จึงสามารถขึ้นรูปได้ดีเยี่ยมและมีความแข็งแรงสูง และใช้กันอย่างแพร่หลายในแผ่นโลหะรีดร้อนและรีดเย็นสำหรับยานยนต์ และท่อที่ขึ้นรูปด้วยแรงดันน้ำ การใช้งานในแชสซีหรือล้อมีประสิทธิภาพมากกว่า เนื่องจากการลดมวลของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวที่ไม่ได้รับแรงรองรับยังช่วยเพิ่มความสะดวกสบายในการขับขี่และลดระดับเสียงรบกวนอีกด้วย

3.โปรไฟล์อลูมิเนียม

ในยุโรป มีการเสนอแนวคิดรถยนต์ใหม่ทั้งหมดโดยอิงจากการออกแบบโปรไฟล์อะลูมิเนียม เช่น เฟรมอัลลอยด์อะลูมิเนียมและโครงสร้างย่อยที่ซับซ้อน ศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในการออกแบบที่ซับซ้อนและการผสานการทำงานทำให้เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตแบบต่อเนื่องที่คุ้มต้นทุน เนื่องจากต้องมีการชุบแข็งในระหว่างการอัดรีด จึงใช้โลหะผสมที่ชุบแข็งได้ที่มีความแข็งแรงปานกลาง 6000 และความแข็งแรงสูง 7000 ความสามารถในการขึ้นรูปและความแข็งแรงสูงสุดจะถูกควบคุมโดยการชุบแข็งด้วยการให้ความร้อนในภายหลัง โปรไฟล์อัลลอยด์อะลูมิเนียมส่วนใหญ่ใช้ในการออกแบบเฟรม คานกันกระแทก และส่วนประกอบกันกระแทกอื่นๆ

4.การหล่ออลูมิเนียม

การหล่อเป็นส่วนประกอบอลูมิเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในยานยนต์ เช่น บล็อกเครื่องยนต์ หัวสูบ และส่วนประกอบแชสซีพิเศษ แม้แต่เครื่องยนต์ดีเซลซึ่งมีส่วนแบ่งการตลาดเพิ่มขึ้นอย่างมากในยุโรปก็หันมาใช้การหล่ออลูมิเนียมเนื่องมาจากความต้องการความแข็งแกร่งและความทนทานที่เพิ่มมากขึ้น ในเวลาเดียวกัน การหล่ออลูมิเนียมยังถูกนำมาใช้ในการออกแบบเฟรม ชิ้นส่วนเพลา และชิ้นส่วนโครงสร้าง และการหล่อแรงดันสูงของโลหะผสมอลูมิเนียม AlSiMgMn ใหม่ทำให้มีความแข็งแรงและความเหนียวที่มากขึ้น

อะลูมิเนียมเป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับการใช้งานยานยนต์หลายประเภท เช่น แชสซี ตัวถัง และส่วนประกอบโครงสร้างต่างๆ เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ ขึ้นรูปได้ดี และทนต่อการกัดกร่อนได้ดี อะลูมิเนียมที่ใช้ในการออกแบบโครงสร้างตัวถังสามารถลดน้ำหนักได้อย่างน้อย 30% โดยต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ นอกจากนี้ โลหะผสมอะลูมิเนียมยังสามารถนำไปใช้กับชิ้นส่วนส่วนใหญ่ของฝาครอบปัจจุบันได้ ในบางกรณีที่มีข้อกำหนดเรื่องความแข็งแรงสูง โลหะผสมซีรีส์ 7000 ยังคงรักษาข้อได้เปรียบด้านคุณภาพเอาไว้ได้ ดังนั้น สำหรับการใช้งานปริมาณมาก โซลูชันการลดน้ำหนักด้วยโลหะผสมอะลูมิเนียมจึงเป็นวิธีที่ประหยัดที่สุด

เรียบเรียงโดย เมย์ เจียง จาก MAT Aluminum