柳州柳新汽车冲压件有限公司 广西柳州 545006
摘要：如何使用新材料、新工艺、新技术来实现汽车的轻量化，从而实现汽车的节能减排成为各大汽车制造企业重要的研究内容，现代汽车的车身上尤其是高端品牌的车身上已使用了大量的轻量化技术。
关键词：轻量化；材料；制造工艺
1汽车轻量化材料选用
1.1钢铁材料的应用
钢铁材料具有良好的塑性和韧性，可以很容易地将其加工成不同部件所需要的形状，满足各零部件的需求。钢铁研究相对其他材料更成熟，形成了不同强度级别的汽车用钢，满足不同零部件的不同要求。钢铁材料相对其他轻量化材料来说，密度大（约为7．85g·cm－3）、弹性模量高（196～206GPa）、泊松比在0．24～0．30范围内。车身对钢的要求包括：深冲性能、高碰撞吸收能、高焊接性能、高表面质量、高抗凹性和低回弹。车身用钢主要包含软钢、传统高强钢和先进高强钢。其中，先进高强度钢又分为第一代先进高强度钢、第二代先进高强度钢和第三代先进高强度钢。第一代先进高强度钢合金含量较低，焊接性能好，其强塑积低于20GPa%；第二代先进高强度钢合金含量高，强塑积可达50GPa%以上；第三代先进高强度钢合金含量较第二代先进高强度钢有所降低，强塑积在20～40GPa%。在选择某一类钢时，首先要满足乘用车零部件设计要求，能够达到所需要的成形性能和强度要求。与普通钢相比，高强度钢能够大幅增加构件的变形抗力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变区，可以通过减薄零件来达到减轻车身质量的目的。有研究表明，当车身钢板厚度分别减小0．05mm、0．10mm和0．15mm时，车身的质量将分别减轻6%、12%和18%。热成形钢近年来在车身上得到了大量的应用，以河钢生产的热冲用钢22MnB5为例，回火处理能够有效地降低22MnB5淬火处理后的内应力，防止脆性失效，低温回火能够有效地提高材料的综合性能。
1.2铝合金材料的应用
铝合金的密度为钢的1/3，具有质量轻、耐腐蚀性好、耐磨性好、比强度高及可回收等优点，己成为仅次于钢材的汽车用金属材料。用于汽车上的铝合金主要是铝合金铸件、铝合金板材和挤压铝型材。铝合金按照合金中主要化学成分可分为：工业纯铝（1xxx系）、Al－Cu合金（2xxx系）、Al－Mn合金（3xxx系）、Al－Si合金（4xxx系）、Al－Mg合金（5xxx系）、Al－Mg－Si合金（6xxx系）、Al－Zn－Mg（－Cu）合金（7xxx系）。用于汽车车身的铝合金板材属于A1－Mg（5xxx系）和A1－Mg－Si6xxx系）。5xxx系铝合金中Mg合金元素固溶于铝基体中，形成固溶强化效应，可用于一些复杂形状的冲压件。6xxx系铝合金中的合金元素Mg和Si形成A12Mg2Si相，具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性，综合性能良好，可用于冲压发动机罩盖，具有烘烤硬化效应。相比于钢车身，铝合金车身可以显著减轻车身质量30%～40%。此外，铝合金车身几乎可以100%回收循环再利用，这对环境保护十分有利。车身上用的铝合金，主要是冲压成形的车身外覆盖件与车身非承重结构件以及挤压成形和铸造成形的一些复杂结构零部件。因其价格比钢铁高，在高端汽车上较为常见，如奥迪A8全铝车身、宝马i3以及赛车等。
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1.3镁合金材料的应用
镁的密度只有钢铁密度的1/4，它的阻尼性和抗冲击能力均优于钢铁和铝合金，是最轻的金属结构材料。镁合金主要用于仪表盘骨架、油底壳等支架和壳体类零件上。使用镁合金结构件可在铝合金的基础上再减重30%，轻量化效果非常好。但因其易氧化燃烧、耐蚀性差、加工困难、成本高等问题，一直未能得到较大范围的应用。
2轻量化材料的工艺制造技术
2.1冲压
从工艺设计角度而言，铝板的最大减薄率不能超过17%，并且需要着重关注圆角、拔模角度的设计以及尽可能避免凸台；而对于钢板而言，由于其成型性比铝板好，最大减薄率一般控制在不能超过20%。从生产角度而言，由于铝件料屑问题多，返修率普遍达到10%，返修需要投入专用返修打磨间，返修成本高。相比较而言，钢板的返修不需要苛刻的环境，返修的成本比铝板低很多。铝件回弹大，导致铝冲压件尺寸难以控制和调节，目前德国设计的模具铝件尺寸符合率也不高，平均不足70%，而钢板模具，尺寸符合率一般能达到98%以上；从模具角度而言，由于铝的弹性模量仅为钢的1/3，铝板冲裁断裂后的弹性恢复比钢更为剧烈，铝板断裂后断面与冲头侧壁接触的压应力更高，剐蹭更为剧烈，产生更多热量，由于铝板自身具有粘性，铝板断裂面上的一些材料就会粘附在冲头侧壁上，形成积屑瘤，导致冲裁间隙变小，产生毛刺，为此，需要对模具冲头镶块的结构及表面进行特殊设计。从设备角度而言，铝板分张时，不能使用磁力分张，拆垛站不能使用磁性皮带。在开卷落料线更需要注意下列事项：（1）生产铝板用铝板校直机和铝板进给装置，钢板和铝板不能混用校直机和进给装置；（2）生产铝板不能用清洗机，尽可能用停落堆垛模式；（3）校直机的校直辊要定期拉出进行彻底清洁，引入装置的净辊和进给辊要定期清擦；（4）整个设备的用于带料支撑的所有滚轮要定期清擦并检查转动的灵活性；（5）进给辊和测量辊压力要调整适当，避免在板料上产生痕迹；（6）伸缩皮带托料杆凸轮要调整适当，减少板料端部与托料杆的磕碰；（7）校直机引入辊压力要调整适当，避免在板料上产生痕迹。
2.2汽车轻量化连接技术
为了实现汽车的轻量化，将多种新型材料混合运用在车身上，这样汽车各种部件的连接就更加复杂，以奥迪汽车为例，目前常用的连接方式主要有机械连接、化学连接和热学连接。机械连接常用的有螺栓连接、折边连接、铆接等；化学连接常用的有胶粘连接；热学连接常用的有MAG焊、MIG焊、电阻点焊、激光钎焊和螺柱焊接。在混合材料的车身结构中为实现轻量化，铆接是应用最多的一种方式，由于大量的铝质材料应用在车身上，传统的焊接方式无法有效的对铝质材料进行连接，铆接的优势就凸显出来了，铝铆钉相对质量要轻于螺栓等连接方式，而它是利用压力使得铆钉两端变形而进行的板与板之间的连接方法，不会有热变形也不会对板件性能造成损害，是一种非常环保的连接技术。激光焊接是以聚焦的激光束作为能源对工件相应区域，填充焊丝进行加热融化形成焊缝的一种连接工艺，根据是否需要填料和焊接温度的高低又可细分为激光焊和激光钎焊，这些先进的焊接方式提高了汽车的连接强度，减低了整车的质量。随着越来越多的混合材料车身的出现，越来越多的胶粘连接出现在汽车上，胶粘相对操作简单，而强度高，并且胶粘化学剂普遍的质量较轻，适合轻量化车身的连接。
3结语
轻量化材料和轻量化材料的加工技术近些年来发展迅速。在国外很多技术已经达到成熟运用的阶段。在可以预见的未来，在电动车市场的推动下，对车身轻量化的要求进一步增加，国内未来几年将是轻量化材料及其加工技术迅速成长的时期，将助力国内轻量化技术的进步与应用。
参考文献：
[1]张晓艳，王永军，李骏，等.中国汽车低碳化系统工程研究[J].中国科学，2018，20（1）：23-29.
[2]刘益成，曲政，孙胜伟.铝冲压件生产稳定性研究[J].汽车工艺与材料，2019（8）：26-30.
论文作者:薛玲1,黄开炽2
论文发表刊物:《防护工程》2019年19期
论文发表时间:2020/2/27
标签：车身论文; 材料论文; 合金论文; 铝合金论文; 轻量化论文; 汽车论文; 铝板论文; 《防护工程》2019年19期论文;