探析新材料在汽車輕量化技術(shù)中的應(yīng)用

徐佳良

摘 要：汽車輕量化是在保證汽車安全性能前提下，降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。尤其是“碳達(dá)峰”和“碳中和”被提出后，對汽車節(jié)能減排的需求更為迫切。對于燃油車，汽車質(zhì)量每減少10%，汽車燃油效率將會增加6%～8%[1]；而新能源汽車每減重10%，續(xù)航里程可提升5%～6%，由此可見，無論是在提高汽車性能，還是在實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能、降耗、增加續(xù)航里程方面，輕量化都是汽車的重要技術(shù)路徑之一。

關(guān)鍵詞：汽車；新材料；輕量化；成形技術(shù)

引言

在智能、電動(dòng)及軟件重新定義汽車工業(yè)的今天，傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)及制造手段受到了前所未有的挑戰(zhàn)。在新型汽車介入汽車工業(yè)的背景下，大量的新車型被研發(fā)，行業(yè)的革命往往帶來技術(shù)的革新，以往我國在汽車覆蓋件設(shè)計(jì)制造上所采用的逆向工程已經(jīng)難以符合目前行業(yè)的發(fā)展潮流。所以，正向設(shè)計(jì)開發(fā)才是傳統(tǒng)汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的最佳方案。設(shè)計(jì)的創(chuàng)新意味著制造成本的提高，類似鋁合金等非傳統(tǒng)汽車覆蓋件的開發(fā)目前尚存在較多缺陷。若僅由設(shè)計(jì)部門單獨(dú)進(jìn)行覆蓋件的開發(fā)，則難以規(guī)避由零件先天缺陷所帶來的工藝風(fēng)險(xiǎn)。因此，新型汽車覆蓋件的開發(fā)需要借助同步工程實(shí)現(xiàn)一體化考慮鈑金結(jié)構(gòu)、沖壓工藝及模具結(jié)構(gòu)等問題。

1輕量化工藝技術(shù)

汽車輕量化相關(guān)的工藝技術(shù)主要有熱沖壓成形、激光焊接、液壓成形、結(jié)構(gòu)膠粘接等，熱成形和液壓成形零部件應(yīng)用較為廣泛。在汽車制造中，熱沖壓成形工藝主要用于鋼鐵材料的加工，Mn-B系鋼應(yīng)用最為廣泛，如22MnB、38MnB5等；液壓成形主要應(yīng)用于管類零件的生產(chǎn)加工。熱沖壓成形工藝是將熱沖壓成形用鋼加熱至奧氏體化，在奧氏體溫度區(qū)間保溫一段時(shí)間后，快速轉(zhuǎn)移至熱沖壓模具中進(jìn)行成形和淬火。最終零件組織一般為完全的馬氏體組織，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1500MPa甚至更高。熱沖壓成形工藝結(jié)合了沖壓和熱處理過程，奧氏體組織塑性好、變形抗力小，在零件成形后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使零部件回彈小、強(qiáng)度高。目前，熱成形件主要應(yīng)用在汽車安全件上，如車門防撞梁、B柱加強(qiáng)板、地板縱梁、門檻梁等零部件。

2新材料在汽車輕量化技術(shù)中的應(yīng)用

2.1高強(qiáng)度鋼材料

高強(qiáng)度鋼材料是汽車制造應(yīng)用范圍最廣的一種材料，我國在該領(lǐng)域已取得了一系列成就，但仍應(yīng)圍繞高強(qiáng)度材料加大技術(shù)研發(fā)，在降低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減輕車輛質(zhì)量。（１）加大對高強(qiáng)度鋼材料的開發(fā)。目前所使用的一系列高強(qiáng)度鋼，如雙向鋼、低合金鋼等需要用化學(xué)方法改進(jìn)其冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)貴重合金元素使用量的不斷減少，在提升其強(qiáng)度同時(shí)增加其塑性韌性，使高強(qiáng)度鋼具有更好的性能使之具有較高的成形性的高強(qiáng)鋼。（２）采用更先進(jìn)的研發(fā)技術(shù)，確保成形效果。高強(qiáng)度鋼的成形目前主要依靠延展、拉伸、彎曲等技術(shù)，受到一定的局限，因此要研發(fā)一些先進(jìn)的成形技術(shù)，如液壓、輥壓等，不斷豐富成形技術(shù)。另外，要主動(dòng)探究研發(fā)高強(qiáng)度鋼焊接技術(shù)，引入更先進(jìn)的激光拼焊技術(shù)，全面開發(fā)高強(qiáng)度鋼的連接技術(shù)，這也是今后運(yùn)用高強(qiáng)度鋼材的重點(diǎn)內(nèi)容。（３）運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助工程（ＣＡＥ）分析技術(shù)進(jìn)行成形研發(fā)，推動(dòng)高強(qiáng)度鋼材料成形技術(shù)的發(fā)展。由于高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度高，因此其成形難度更大，而且高強(qiáng)度鋼存在容易發(fā)生開裂、回彈等問題，借助于ＣＡＥ分析能夠不斷地優(yōu)化其成形路徑，有效杜絕開裂問題的發(fā)生，確保成形一次成功。同時(shí)，也能夠模擬分析回彈，對回彈進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而能夠有針對性地補(bǔ)償回彈，使成形效果得到保證。

2.2鋁合金

鋁合金的密度約為鋼的1/3，且具有高比強(qiáng)度和優(yōu)秀的防腐性能，在車輛結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用逐漸增多。汽車制造中使用的鋁合金主要有鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金是將加熱至液態(tài)的鋁水注入鑄造模具中冷卻，然后加工成汽車零部件。鋁合金鑄件質(zhì)量穩(wěn)定且易于大批量生產(chǎn)，已被車企廣泛使用在輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體、懸架擺臂、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置等零部件。在車輛中常用的變形鋁合金主要有軋制和擠壓鋁合金，軋制鋁合金主要為5系合金，多為板材，主要用于汽車覆蓋件沖壓成形等。擠壓鋁合金主要為6系和7系合金，多為型材，主要用于車身骨架。

2.3碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料性能獨(dú)特、優(yōu)勢明顯，已經(jīng)成為當(dāng)下汽車輕量化研究的重點(diǎn)材料。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料優(yōu)勢較多：①力學(xué)性能優(yōu)異。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料密度低，是碳鋼密度的１／１０，質(zhì)量也是相同體積鋁合金質(zhì)量的２／３左右，但其性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金材料，抗拉強(qiáng)度更是其他鋼材的數(shù)倍。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的動(dòng)阻尼特性優(yōu)異，是其他輕金屬所不可比擬的。通常鋁合金的動(dòng)阻尼時(shí)間為９ｓ，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的動(dòng)阻尼時(shí)間為２ｓ。②實(shí)現(xiàn)了一體化制造。今后汽車制造發(fā)展的趨勢是一體化制造，采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料能夠一次性地制作成不同形狀的曲面，實(shí)現(xiàn)一體化制造所有的汽車零部件，可有效減少汽車零部件制造的空檔，提高了工作效率。③抗沖擊吸能性能好，材料可塑性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)外部負(fù)荷壓力的轉(zhuǎn)換，特別是由碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制作的零部件具有良好的抗沖擊吸能性能。

結(jié)束語

擠壓是鋁合金重要的加工方式，鋁型材具備較好的力學(xué)性能，因此部件的截面剛度較高。同時(shí)由于截面可變，鋁合金可實(shí)現(xiàn)多部件功能的復(fù)合，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化較好的材料。但其廣泛應(yīng)用中存在鋁合金貨柜設(shè)計(jì)能力欠缺、成形及焊接問題、新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間及推廣費(fèi)用等瓶頸，最主要原因還是鋁合金回收生態(tài)未成熟前鋁合金成本比鋼材高?？傊X合金在汽車上的應(yīng)用范圍將越來越廣，使用量也日漸增加。在當(dāng)前節(jié)能減排、汽車新能源行業(yè)發(fā)展潮流中，隨著人們對鋁合金性能了解的深入及對鋁合金應(yīng)用問題的有效解決，鋁合金擠壓材將會更加廣泛地應(yīng)用于汽車輕量化。

參考文獻(xiàn)：

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