新型材料和工藝在汽車輕量化中的應(yīng)用

杜行

摘? 要：車身的輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑，也是當前汽車工業(yè)發(fā)展研究的重要課題，而輕質(zhì)新材料開發(fā)、輕量化工藝的應(yīng)用是輕量化的主要實施途徑。文章主要介紹了研究車身輕量化意義，綜述了新型輕質(zhì)材料和先進工藝的研究進展，總結(jié)出了我國汽車輕量化發(fā)展中所面臨的主要難題及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：輕量化;新材料;工藝;應(yīng)用

中圖分類號：U462.2? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0148-03

目前，國內(nèi)外紛紛出臺關(guān)于安全、排放、油耗等方面法規(guī)來強制規(guī)范汽車產(chǎn)品的安全及環(huán)保性能，隨著能源的不斷開發(fā)和消耗，我國對汽車的節(jié)能減排要求也變得日益嚴格，安全、節(jié)能和環(huán)保顯然已成為汽車領(lǐng)域研究學者最為關(guān)注的性能指標，如何開發(fā)出更加環(huán)保、節(jié)能的汽車已然成了當今汽車研究領(lǐng)域最為重要的方向之一。汽車的燃油經(jīng)濟、排放量與汽車的整車質(zhì)量息息相關(guān)，研究數(shù)據(jù)顯示，汽車的質(zhì)量越輕，與之對應(yīng)所需要的發(fā)動機負荷就可以相應(yīng)的降低，當車重每減輕10%時，油耗則可降低6%～8%。由于普通白車身占整車質(zhì)量的20%～35%，所以車身的輕量化對于整車的輕量化至關(guān)重要[1-3]。

由于傳統(tǒng)的鋼材工藝優(yōu)化空間有限、加工設(shè)備也難以適應(yīng)新的車身材料，采用新型材料和工藝是實現(xiàn)車身輕量化的主要途徑。新型輕量化材料主要可以分為低密度和高強度兩類材料，當前應(yīng)用較為廣泛的低密度輕質(zhì)材料有鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等，而高強度的材料主要指高強度鋼[4-5]。

1 新型材料在輕量化中的應(yīng)用

1.1 高強度鋼材料

一般規(guī)定，將屈服強度介于210-550MPa間的鋼稱之為高強度鋼，其特點是價格低、結(jié)構(gòu)強度高、抗疲勞性能優(yōu)良以及易于沖壓和焊接，能夠充分的利用傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，是現(xiàn)階段實現(xiàn)輕量化的首選材料。目前，高強度鋼材料主要用在車身的加強件上面，如側(cè)圍的AB柱、地板邊梁、車門防撞桿等特殊重要部位。其減重的主要機理是充分利用自身超高強度來減薄鋼板的厚度，在實現(xiàn)車身減重的同時，也提高了車輛的安全性能。高強度鋼材料在歐美國家車身的應(yīng)用比達到了55%以上，我國自主品牌的應(yīng)用也占到了45%左右。

1.2 鋁合金材料

鋁合金密度低、抗沖擊性能好，與鋼相比，鋁合金的密度只有鋼的35%，而吸能性卻是鋼的兩倍，因此，在安全碰撞性能方面，具有很大的優(yōu)勢，此外鋁合金儲量大、回收利用率高，作為新型輕量化材料，目前已在汽車制造領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)研究數(shù)據(jù)可知，鋁制產(chǎn)品在車身應(yīng)用減重率可以達到 50%左右，在滿足車身性能條件下，大大減輕車身的重量，實現(xiàn)車身的輕量化。鋁制與鋼制機蓋重量比較如表1。

表1 鋁制和鋼制機艙蓋重量比較

目前應(yīng)用較為廣泛的主要是5系和6系的鋁合金材料，5系列主要用于車身加強件，6系列主要運用在車身的框架和外覆蓋件。奧迪A8、捷豹XJ等車型已經(jīng)實現(xiàn)了全鋁車身，其車身采用鋁材制造，框架為立體結(jié)構(gòu)，外覆蓋件為鋁板沖壓，與同類的鋼制車身對比，車身質(zhì)量減輕了30%-50%，油耗降低了5%-8%。

1.3 鎂合金材料

鎂合金作為所有的金屬材料中密度最小的一種，其比強度和比剛度都高于鋁合金和鋼，此外，還擁有很好的吸能、散熱和降噪的特點，是鑄造件最好的材料之一，目前運用較為廣泛的是鑄造變速箱殼體、轉(zhuǎn)向盤、發(fā)動機托架等等，具有很大的輕量化應(yīng)用前景[7]。但是由于鎂元素熔點小、凝固結(jié)晶范圍大，不易形成熔池，接頭可靠性不高，加上化學活性高，制造生產(chǎn)中危險性大，這些都很大程度的制約了鎂合金輕量化材料發(fā)展，現(xiàn)階段的應(yīng)用范圍要低于鋁合金材料。

1.4 塑料和復(fù)合材料

在目前的車身材料應(yīng)用中，為了滿足輕量化、防腐、美觀性等要求，非金屬材料越來越受到汽車開發(fā)人員的青睞，應(yīng)用于車身的輕量化非金屬材料主要有工程塑料和復(fù)合材料兩類。

工程塑料材料主要包括PE、PVC、PA等，由于這類材料密度低、防腐、防震效果好、成型優(yōu)良等特點，通過氣輔成型（GAM）、水輔成型（WAM）、雙組份注塑成型（DAM）等成型技術(shù)的加工制造，使其在車身材料中得到較大的應(yīng)用，比如保險杠、翼子板及整車內(nèi)外飾等汽車零部件。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的材料組合，通常由基體和增強體兩部分構(gòu)成，增強材料主要包括纖維類和高分子類材料。由于復(fù)合材料的低密度、高強度和較好的耐高溫、耐腐蝕性特點，主要運用在汽車的懸架、車架等車身構(gòu)件上。

2 新工藝在輕量化中的應(yīng)用

2.1 激光拼焊成型技術(shù)

激光拼焊（TWB）將厚度、材質(zhì)、沖壓性能、強度和表面處理等狀況不同的板坯先拼焊在一起，然后進行整體的沖壓成型的一種加工方法[6]。1985年，德國大眾汽車最早采用激光拼焊技術(shù)，接著，北美在1993年也普及了此項技術(shù)。我國于上世紀90年代末引進激光拼焊技術(shù)，目前，寶鋼是我國最大也是亞洲最大的激光拼焊公司，擁有二十余條激光拼焊線，年產(chǎn)板坯可達兩千多萬片，市場占有率70%以上。激光拼焊技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于車門內(nèi)板、車身側(cè)框架、地板和輪罩等車身部件。激光拼焊成型工藝見圖1。

2.2 熱沖壓成型技術(shù)

對于高強度鋼板而言，隨著材料的屈服強度和抗拉強度的不斷增大，板材回彈也會變得嚴重，成型性能會明顯下降，零件的尺寸精度難以得到保證，特別是對于強度超過1000MPa且形狀復(fù)雜的零件，一般的沖壓工藝較難成型，此時高強度鋼的熱沖壓成型技術(shù)就能較好的得到運用。熱沖壓成型技術(shù)主要通過熱處理和高溫成型結(jié)合的方式實現(xiàn)板材加工制造，工藝過程主要包括板材下料、加熱到奧氏體狀態(tài)、沖壓成型、冷卻淬火，最終獲得均勻馬氏體組織的高強度成型零件。由于成型的材料具有高強度、無回彈、輕量化的特點，其應(yīng)用范圍非常廣泛，最典型的為側(cè)圍的AB柱，前后保險杠等加強件。熱沖壓成型工藝見圖2。

2.3 其他成型技術(shù)

除了上述成型技術(shù)外，目前應(yīng)用較為廣泛的還有液壓成形工藝、不等厚度軋制工藝、復(fù)合材料注射成型工藝等等，這些先進的成型工藝很好的滿足了新型輕量化材料和結(jié)構(gòu)的要求，為實現(xiàn)車身輕量化道路開辟了廣闊的途徑。

3 我國車身輕量化面對的難題和挑戰(zhàn)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的汽車工業(yè)制造取得巨大的成績，然而在輕量化研究領(lǐng)域仍然面臨著較多的難題，主要表現(xiàn)在如下幾個方面。首先，我國的汽車行業(yè)沒有完整的關(guān)于汽車輕量化部件的技術(shù)產(chǎn)品標準，絕大多數(shù)整車企業(yè)在車身開發(fā)項目上一直沿用著傳統(tǒng)的設(shè)計理念;其次，我國的輕量化材料研究起步較晚，材料在車身的應(yīng)用不夠深入，輕質(zhì)材料的種類、性能與國外還有很大的差距;最后，由于技術(shù)不成熟，新型材料的開發(fā)、制造和加工成本很大，短期難以形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈，致使車身應(yīng)用成本明顯上升。

汽車工業(yè)的快速發(fā)展為我國制造業(yè)提供了新的機遇，也帶來了更多挑戰(zhàn)。任何新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展都不是一蹴而就，涉及到眾多領(lǐng)域和學科的車身輕量化技術(shù)亦是如此，相信在輕量化浪潮的推動下，更多的輕量材料和技術(shù)將得以應(yīng)用。

參考文獻：

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[3]陳玉蓮.汽車車身輕量化的研究進展[J].熱加工工藝，2012，41（5）：24-26.

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[5]胡朝暉.面向汽車輕量化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湖南：湖南大學，2010.

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[7]Mordike B L，Ebert T.Magnesium properties-applications potential[J].Materials Science and Engineering A，2001，302：37-45.