汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀

石啟正 王勤衛(wèi)

摘 要：進入21世紀(jì)以來，我國的汽車市場呈現(xiàn)出高速發(fā)展趨勢，為人們的滿足國內(nèi)汽車行業(yè)發(fā)展需求，對出行帶來方便，汽車廠商為了國民需求，經(jīng)過長期創(chuàng)新、摸索，理論驗證工作，設(shè)計出更加先進合理的汽車材料以及制造工藝，使得汽車逐漸向著輕量化的方向發(fā)展，制造工藝也更加先進。對汽車輕量化材料的應(yīng)用狀況以及裝配工藝展開全面細致地分析探討，充分認(rèn)識鋁合金、高強度鋼、復(fù)合材料等新型材料的優(yōu)勢特點，對汽車行業(yè)的發(fā)展前景進行預(yù)測分析就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：汽車;輕量化;制造工藝

中圖分類號：U462.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0075-02

0 引言

節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，20世紀(jì)，石油危機，促進汽車工業(yè)節(jié)能減排加快進程，提高人民生產(chǎn)環(huán)境，汽車排放。汽車工業(yè)的節(jié)能減排對國家的能源供應(yīng)和環(huán)境保護具有重大意義，故新材料運用勢在必行，刻不容緩。

自從改革開放以來，我國人民的經(jīng)濟收入不斷提高，為汽車行業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。尤其是21世紀(jì)以來，我國的汽車銷量連續(xù)多年呈現(xiàn)出高速增長，已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)最大的汽車消費大國。但是在另一方面，無論是材料設(shè)計，還是加工工藝，國產(chǎn)汽車與國外（奔馳、寶馬、奧迪）品牌還存在很大的差距，這對國產(chǎn)企業(yè)的進一步發(fā)展產(chǎn)生了極大的負(fù)面影響。如何提高汽車材料的創(chuàng)新研發(fā)速度，推動汽車制造技術(shù)的進一步發(fā)展成為各大汽車廠商需要考慮的重要問題。

1 汽車輕量化材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國的能源危機越來越嚴(yán)重，我國政府提出了“低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展”的戰(zhàn)略方針，而汽車輕量化設(shè)計可以有效降低能源消耗，推動社會經(jīng)濟的健康有效發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，目前，各主機廠產(chǎn)品（傳統(tǒng)車/電動車/混合動力等），自重90%的六類主要材料，包含：鋼、鋁、鑄鐵、復(fù)合材料、陶瓷及玻璃組成，具體內(nèi)容如下所示：

1.1 鋁合金材料

眾所周知，金屬鋁的密度非常小，力學(xué)性能好，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是金屬鋁與鋅、錳、鎘等元素結(jié)合在一起之后，能夠發(fā)揮出良好的力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的鋼鐵材料相比，具有耐腐蝕性好、可塑性強、熱導(dǎo)率高等諸多優(yōu)點，因此鋁合金用在了汽車發(fā)動機、汽車車身、輪轂等多個方面。與鋼材料相比，鋁合金能夠很好地吸收碰撞能，所以說鋁合金能夠有效提高汽車的安全性。鋁合金的重量不足低碳鋼的1/3，使得車身的重量大大減小，有效提高了汽車的燃油性，從這個角度分析，鋁合金是汽車輕量化設(shè)計的重要方向，這也符合我國低碳環(huán)保的政策方針。截止到目前為止，一些高端車型的車身全部使用鋁合金材料，不僅使得車身的重量大大降低，而且使得車輛的安全性能大大提高，鋁合金已經(jīng)成為高端車型的代名詞。

1.2 高強度鋼

汽車車身中使用最多的材料就是鋼材料，鋼材料能夠承受巨大的橫向壓力和縱向壓力，保證車輛的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在同等強度壓力下，高強度鋼在保證車輛安全的情況下，盡可能減少鋼材料的使用量，從而降低車輛自身的重量。很多汽車制造廠商都發(fā)現(xiàn)了高強度鋼的諸多優(yōu)勢，因此在車身許多部位都使用到了高強度鋼，例如保險杠、車身橫梁、車門加強筋等。采用高強度鋼是降低車身重量的重要措施。在以后的車身輕量化設(shè)計中，高強度鋼依然發(fā)揮著不可忽視的職能作用。但是在另一方面，高強度鋼在使用過程中也會出現(xiàn)很多問題，例如高強度鋼的可塑性、成形性較差，回彈大、伸長率低、尺寸精度控制難度大等，而且我國目前的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)較差，大部分的高強度鋼都是從國外進口的，這在一定程度上制約了我國汽車行業(yè)的進一步發(fā)展。

1.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料指的是碳纖維材料，存在密度小、耐腐蝕性高、韌性好的諸多優(yōu)勢特點，在一些高端車型上得到了廣泛的應(yīng)用。將符合材料應(yīng)用到汽車的車身、底盤等大型結(jié)構(gòu)件上，不僅可以提高車身的強度和剛度，而且可以大大減輕汽車的重量。蘇聯(lián)也是一種復(fù)合材料，隨著市場上的低端車型越來越多，塑料在汽車行業(yè)的用量也大大增加，在未來有著巨大的發(fā)展空間。諸如聚丙烯、ABS、聚乙烯等復(fù)合型塑料具有重量輕、可塑性好、成本低等多種優(yōu)勢特點，在汽車內(nèi)飾、儀表盤、車門板中發(fā)揮出了重要的職能作用。但是截止到目前為止，碳纖維等復(fù)合型的造價成本非常高，只能用在一些高端車型上，如何降低碳纖維材料的造價成本，在中低端車型大量使用，推動汽車輕量化設(shè)計的進一步發(fā)展，是汽車廠商應(yīng)該考慮的重要問題。

2 汽車的制造工藝分析

2.1 沖壓技術(shù)制造工藝

汽車中有7成左右的零部件都是由金屬加工而成的，沖壓技術(shù)時汽車制造的重要手段，也是金屬零件最基本、最常用的加工方法。沖壓技術(shù)是借助模具和沖壓設(shè)備對金屬材料施加壓力，使金屬材料發(fā)生變形彎曲從而達到自己想要的形狀。沖壓技術(shù)之所以在汽車制造方面得到了廣泛的應(yīng)用，主要是因為沖壓技術(shù)具有多種優(yōu)勢特點：第一，沖壓制造工藝能夠有效提高金屬零部件的尺寸精度，在實際加工過程中，沖壓設(shè)備一般不會對金屬表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，使得沖壓件的質(zhì)量較為穩(wěn)定。第二，沖壓制造工藝的加工范圍非常大，不管是車門的防撞U型槽，還是引擎蓋，都可以利用沖壓技術(shù)加工而成。第三，沖壓技術(shù)不會產(chǎn)生金屬碎屑，不會造成材料浪費現(xiàn)象，制作成本比較低，加工效率非常高。

汽車中的金屬零部件尺寸差異很大，形狀也不盡相同，因此在加工不同的汽車零部件時，采用的沖壓制作工藝也存在很大的區(qū)別。一般情況下，汽車零部件的沖壓加工工序分為三種：第一種是沖壓基本工序，包括沖裁、彎曲、拉伸、成形等幾個過程。第二種是分離工序，主要是指原材料在沖壓設(shè)備的的作用下，局部應(yīng)力達到金屬材料的強度極限之后出現(xiàn)斷裂或落料的現(xiàn)象。第三種是成形工序，即金屬坯料在沖壓力作用下發(fā)生塑性變形現(xiàn)象，這種作用力不會超過金屬材料的強度極限，而是讓金屬材料達到預(yù)期的形狀模型。

2.2 焊接工藝制造技術(shù)

焊接工藝主要是將兩個金屬件連接在一起，在焊接生產(chǎn)線中發(fā)揮著不可忽視的職能作用。在汽車制造過程中，經(jīng)常用到的焊接方式有四種：第一種是點焊，點焊指的是將兩個金屬設(shè)備放在一起，利用電阻熱融化母材金屬，最終形成焊點使兩個材料融合在一起的焊接方法。第二種是凸焊，凸焊是在點焊的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，凸焊可以同時在焊接位置形成多個熔核，使兩個設(shè)備連接在一起在電阻加熱的作用下形成一個或多個焊點。凸焊的焊接效率非常高，而且不會產(chǎn)生分流影響，因為凸焊的電流集中在凸點位置，電流密度大，即便是很小的電流也能完成焊接任務(wù)，因此焊接成本比較低。第三種是激光焊接，這種焊接工藝在汽車生產(chǎn)制造中的應(yīng)用最為廣泛。據(jù)有關(guān)資料顯示，在當(dāng)前的鋼結(jié)構(gòu)車身中，有一半的焊接任務(wù)都是由激光焊接完成的。激光焊接工藝能夠滿足汽車零件的設(shè)計和功能需求，將強度不同、厚度不同、材料不同的零件結(jié)合在一起。

激光焊接技術(shù)能夠?qū)⒉煌牧细玫厝诤显谝黄?，減少車身的重量，這與汽車的輕量化設(shè)計需求保持一致。與點焊和凸焊等焊接工藝相比，激光焊接能夠應(yīng)用在強度、厚度不同的材料焊接當(dāng)中，更重要的是能夠減輕車身重量，提高汽車的安全系數(shù)。激光焊接工藝不會造成太大的材料消耗，有效降低了生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。除此之外，激光焊接采用的是對接工藝，不需要搭接縫和加強板，使得焊接點的力學(xué)性能大大提高。

2.3 汽車車身裝配工藝

裝配工藝是汽車生產(chǎn)制作的最后一個環(huán)節(jié)，是將成百上千個合格的零件，按照既定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定組合在一起的行為活動。汽車不僅要有良好的動力性能，還需要有一定的耐久性，能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境下發(fā)揮出色的運載功能，這就對汽車裝配工藝提出了越來越高的要求。截止到目前為止，汽車的裝配工藝主要分為兩種：一種是固定式裝配，指將需要裝配的主體固定起來，將其它零件以此安裝到裝配主體上，然后形成成本的裝配工藝，諸如汽車座椅、汽車輪胎采用的都是固定式裝配。在實際裝配過程中，人們可以對裝配零件進行加工處理，操作過程大多都是依靠人工完成的。雖然汽車固定裝配工藝的功率非常低，但是對工人的技能要求提出了很高的要求，因此在汽車批量化生產(chǎn)中很少采用，只適用于質(zhì)量要求較高的裝配工序當(dāng)中。第二種是流水線裝配，指的是汽車零部件隨著傳送裝置在多工位裝配線上不斷移動，由各個工位完成裝配的工藝流程，流水線裝配將汽車零部件、裝配動作劃分成一個個工序，每個工位完成一到兩個裝配動作，一個操作人員只需要保證各個工位設(shè)備正常運作就可以了。流水線裝配的生產(chǎn)效率非常高，而且裝配質(zhì)量較高，是目前汽車生產(chǎn)制作中的主流裝配模式。

3 汽車制造的發(fā)展趨勢分析

3.1 向著綠色環(huán)保的方向發(fā)展

隨著全球范圍內(nèi)的汽車保有量越來越多，人們逐漸意識到汽車給生態(tài)環(huán)境造成的巨大污染，因此很多國家都針對汽車制定了一系列環(huán)境保護措施，報哪個人保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。如今我國政府針對汽車實施最嚴(yán)格的檢測標(biāo)準(zhǔn)，出臺了“國六”汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的國五家用轎車禁止銷售，大力發(fā)展新能源汽車、電動汽車等，提高清潔能源的覆蓋范圍，提高化石能源的利用率，改進發(fā)動機裝置，將全新的三缸技術(shù)應(yīng)用到家用汽車上。除此之外，我國政府引導(dǎo)各大汽車廠商創(chuàng)新發(fā)展電子控制燃油噴射系統(tǒng)、二次空氣噴射、廢棄循環(huán)利用技術(shù)等。更為重要的是，我國汽車制造廠商也在大力推動汽車輕量化的設(shè)計發(fā)展，使用高強度高、鋁合金等材質(zhì)，降低汽車重量，提高汽車的燃油經(jīng)濟性等。

3.2 向著智能化的方向發(fā)展

傳統(tǒng)的汽車裝配工作任務(wù)復(fù)雜，裝配成本居高不下，再加上我國的勞動成本越來越高，導(dǎo)致汽車行業(yè)的利潤空間越來越小。在這樣的時代背景下，諸如比亞迪、吉利等汽車廠商都開始創(chuàng)新研發(fā)自動化裝配技術(shù)，將人工職能、射頻識別技術(shù)、遠程操控技術(shù)等應(yīng)用到汽車裝配當(dāng)中，不僅大大提高了汽車裝配效率，而且省去了大量的人力成本。但是與德國、日本等國家的汽車自動化裝配水平相比，我國的汽車自動化生產(chǎn)線還比較落后，這就需要我國汽車廠商加大自動化生產(chǎn)線的研發(fā)力度，創(chuàng)新設(shè)計出更加先進的機器人焊接技術(shù)、自動化沖壓技術(shù)等，緊跟國際潮流，推動汽車裝配生產(chǎn)技術(shù)向著智能化的方向發(fā)展。

4 結(jié)語

汽車輕量化設(shè)計不僅是廣大社會的本質(zhì)需求，也是汽車未來的發(fā)展趨勢。截止到目前為止，汽車的輕量化設(shè)計以及裝配工藝已經(jīng)取得了一定的進步，諸如鋁合金、高強度鋼、復(fù)合材料等材料在汽車車身上的大范圍使用，不僅使得汽車自身重量大大降低，而且提高了汽車的安全性能。沖壓技術(shù)、激光焊接技術(shù)、流水線裝配等技術(shù)極大地提高了汽車的裝配效率。在以后的發(fā)展過程中，汽車行業(yè)將繼續(xù)向著綠色環(huán)保、輕量化、智能化的方向發(fā)展。

參考文獻

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