摘要：轻量化工艺是车身轻量化应用的重要保证，是实现客户价值的关键环节。重点阐述了超高强钢板的冷成型、热冲压成型、级进模成型和铝合金成型等轻量化成形工艺，以及激光焊接技术、SPR、FDS和结构胶连接等轻量化的连接工艺特点及开发，制定了车身工艺的同步开发流程，为轻量化工艺的实施提供流程保障，最后针对轻量化的混合车身开发提出了新的展望。
关键词：轻量化工艺；车身开发；应用
引言
随着汽车产量和保有量不断攀升，有效推动了我国经济发展，但同时也对能源状况和环境状况产生巨大的影响和压力。当整车质量减轻10%，汽车的燃油消耗可降低6%-8%，排放量减少5%-6%。“中国制造2025”规划中明确要求，到2020年通过高强度钢、铝镁合金和复合材料等在汽车上的应用，实现整车平均减重5%至20%。车身在整车中重量占比约27%，但成本只占11%左右，同时车身每减轻一公斤所花费的成本远低于其他功能块，具有较大的轻量化潜力。实现车身的轻量化、高性能、高品质离不开车身前期开发中结构设计和先进工艺规划。
1国内车身轻量化发展现状
1.1国内整车企业在汽车车身结构开发上仍沿用传统汽车设计理念，在轻量化材料和新技术的应用方面也明显落后。
1.2国内材料品种、数量、性能与国外还有很大差距。国内汽车企业和材料企业也融合得不够，国内材料企业明显滞后于汽车产业发展。
1.3由于技术限制，国内企业在材料和加工成本控制难度大，导致整车成本上升，制约了汽车轻量化的发展。
1.4国内没有完整的汽车轻量化零部件技术和产品标准。
2车身轻量化的成型工艺
2.1超高强钢板冷成型工艺
超高强度钢板一般指抗拉强度超过550MPa的钢板，主要有DP钢、MS钢和QP钢。超高强度钢板冷成型工艺包含冷冲压和辊压两种工艺。DP钢一般用于需要高抗拉强度、高碰撞吸能且成型较复杂的车身零件，考虑到成本，一般采用冷冲压工艺，如前舱大梁、B柱内外板等。QP钢即淬火延性钢，强度高、塑性强、具备较高延伸率，特别适合外形相对复杂、强度要求相对高的冲压件。超高强度钢板成形性能比普通钢板差，更容易出现回弹、扭曲等尺寸精度问题。需要采用虚拟成形分析和实验相结合的方法，对成形性和回弹进行控制。MS钢一般用辊压工艺生产，主要应用在门槛梁上。辊压成型具有结构简单、生产率高、型材断面质量稳定等特点。
2.2超高强钢板热冲压成型工艺
热冲压成型（PHS）工艺就是利用硼钢在高温状态下的高塑形、高延展性、低屈服强度等特点进行冲压成形，之后进行快速冷却淬火，钢板组织由奥氏体转变成马氏体，因而得到超高强度的钢板零件。目前传统的PHS工艺，减重效果有限，已不能满足轻量化设计需求。激光拼焊板（TWB）、不等厚板（TRB）、补丁板（Patch）等高端热成形工艺越来越多应用车身设计中。TRB是一种变料厚的热成型板材，这种材料的优势在于可以根据实际的设计需求灵活调整零件的厚度。通过在高载荷区域增加厚度，在其他区域减小厚度的设计，实现同时满足性能目标和重量目标。TWB是一种通过激光连接技术实现不等料厚的热成型材料。这种材料的优势在于可以控制材料料厚的组合，实现不同强度需求的差异化，达到性能要求的同时实现减重目的。PatchPHS是对多片PHS材料钢板焊接好后再完成热成型的零件的统称。这种工艺实现了不同料厚的组合，为性能优化提供了更多选择，实现性能的提升。
2.3级进模成型工艺
级进冲压是指压机的一次行程中，在模具的不同工位同时完成多种工序的冲压。由于级进模工艺相对于单工序只有一副模具而且生产效率高，所以当产品产量较大时，可以考虑使用级进模工艺方式生产降低成本。
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2.4铝合金的成型工艺
2.4.1铝板冲压工艺
车身的铝合金板材主要为5000系和6000系。铝合金总延伸率只有25%左右，深拉伸性能比钢板低约30%，回弹是钢板的3倍左右。且铝板的缩颈量小于5%，断裂前变形量小，因此铝板一旦到达抗拉强度就很容易开裂，铝板的FLD曲线中的安全区间也比钢板小，更容易开裂。铝板冲压工艺优点是减重效果明显，可达30%左右，主要用于车身覆盖件以及受力较小的零件。
2.4.2铝挤压工艺
铝挤压是利用压力将加热后的铝锭通过模具挤出具有特定截面铝型材的技术，按体系可分为6000系与7000系两类，7000系挤压铝具有性能更优的屈服强度、抗拉强度与延伸率。铝挤压型材因其具有封闭的截面而获得更高的强度和刚度，主要应用在前后保险杠、前后大梁和门槛梁类。
2.4.3高压真空薄壁铸铝工艺
高压真空薄壁铸铝（HPDC）是利用高压将铝液注入具有一定真空度的模具型腔中快速凝固。将压铸模具抽为真空，显著减少在充型时裹入的气体，在凝固成型后再对零件进行固溶和时效热处理。而此时因为硅相（共晶硅）经热处理后颗粒更圆润，从而可以显著提高材料塑性，达到断后伸长率大于10%设计指标要求。高压真空薄壁铸铝具有设计灵活、壁厚薄等优点外，提高了塑性、韧性，可以应用于多种受载场合。高压真空薄壁铸铝工艺主要应用在车身关键载荷路径与接头区域，例如前后轮罩和前铰链柱。
3车身轻量化的连接工艺
3.1激光焊接工艺
激光焊接是采用偏光镜反射激光产生的光束，使其集中在聚焦装置中产生的巨大能量，使工件瞬间熔化，从而实现焊接的过程。激光焊接具有速度快、热影响区小、外观质量高和工艺带宽高等优点并且由于激光焊接工艺灵活，可在一套工装上实现点焊、塞焊、拼焊等多种工艺。
3.2异种金属混合连接（SPR）工艺
SPR是一种高强度冷连接工艺，适用于多种材料间的连接，如Al-Al，Al-Steel，Steel-Steel等的连接，也适用于镁、铜、塑料、三明治板的连接。自冲铆接技术通过液压缸或伺服电机提供动力将铆钉直接压入待铆接板材，待铆接板材在铆钉的压力作用下和铆钉发生塑性变形，成型后充盈于铆模之中，从而形成稳定连接的一种全新的板材连接技术。
3.3单面可达连接（FDS）工艺
FDS技术称为热融自攻丝技术，是一种新型的连接工艺，效率高、成本低而且便于质量控制。FDS工艺通过螺钉的高速旋转软化待连接板材并在巨大的轴向压力作用下挤压旋入待连接板材，形成几倍于板料厚度的衬套特征，最终在板材与螺钉之间形成螺纹连接。同时在FDS连接的过程中，工件孔内表面因FDS钉子与金属材料剧烈摩擦产生高温，然后在空气中冷却，起到正火处理效果，使孔的表面硬度及防锈、耐腐蚀性能得以提高。
3.4结构胶连接工艺
胶结是通过胶粘剂与被连接件之间的化学反应或物理凝固等作用将材料连接在一起的连接技术。可用于各种类型材料的连接，也包括金属和非金属之间的连接。在实际应用过程中，结构胶往往与焊点结合使用。在剪切力作用下，对于只有焊点连接的样件，焊点附近产生开裂；焊点和结构胶结合使用后，剪切强度显著提升，其能力约是纯焊点连接的2倍，样件的失效位置转移到钣金本体，胶结部分足够强壮，不产生失效破坏。在拉伸载荷作用下，胶和焊点结合的样件，因结构胶抗撕裂的能力较差，载荷加载早期胶已失效，对最大拉伸强度提升不明显。因此在结构胶设计时，应尽量使结构胶承受剪切载荷，避免受拉伸载荷。
结语
在日趋严苛的排放法规及轻量化的驱动下，混合材料组成的车身必将是车身架构发展的主流。轻量化材料的应用必然带来轻量化的成型工艺和轻量化地连接工艺。
参考文献：
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[3]余秀慧，沈建东，王镝.制造工艺与车身工程开发集成应用技术[J].上海汽车，2017（4）：24-28.
论文作者:李鑫,范涛涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/7
标签：工艺论文; 车身论文; 轻量化论文; 钢板论文; 材料论文; 强度论文; 载荷论文; 《基层建设》2019年第11期论文;