新材料与工艺手册

[轻量化材料] 汽车轻量化材料及制造工艺研究现状

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发表于 2019-2-26 08:32:44 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘要:近些年我国汽车行业随着经济水平和科学技术水平的发展不断进步,汽车行业由此步入高速发展时期,所以说汽车行业的
市场竞争越发激烈,各汽车生产企业要想在激烈的竞争中谋求发展必须制造质量和性能更高的汽车,其中轻量化材料的应用是关键
因素。目前阶段汽车轻量化应用的主要途径有两种,一种是借助热成型、液压成形以及激光拼焊等先进的车身制造工艺;另一种则是
铝合金复合材料塑料、高强钢等轻量化材料进行应用。本文首先简单探讨轻量化材料及先进制造工艺于汽车轻量化中的应用现
状,然后对轻量化领域中新工艺和新材料的研究进展进行叙述,最后总结现阶段国内外此类研究中的重难点问题。
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 楼主| 发表于 2021-2-26 11:21:45 | 显示全部楼层
汽车轻量化材料及制造工艺研究现状
石启正 王勤卫

(汉腾汽车有限公司,江西上饶 334000)

摘 要:进入21世纪以来,我国的汽车市场呈现出高速发展趋势,为人们的满足国内汽车行业发展需求,对出行带来方便,汽车厂商为了国民需求,经过长期创新、摸索,理论验证工作,设计出更加先进合理的汽车材料以及制造工艺,使得汽车逐渐向着轻量化的方向发展,制造工艺也更加先进。对汽车轻量化材料的应用状况以及装配工艺展开全面细致地分析探讨,充分认识铝合金、高强度钢、复合材料等新型材料的优势特点,对汽车行业的发展前景进行预测分析就显得尤为重要。

关键词:汽车;轻量化;制造工艺

0 引言
节能减排是汽车工业发展的必然趋势,20世纪,石油危机,促进汽车工业节能减排加快进程,提高人民生产环境,汽车排放。汽车工业的节能减排对国家的能源供应和环境保护具有重大意义,故新材料运用势在必行,刻不容缓。

自从改革开放以来,我国人民的经济收入不断提高,为汽车行业的发展奠定了良好的基础。尤其是21世纪以来,我国的汽车销量连续多年呈现出高速增长,已经成为全球范围内最大的汽车消费大国。但是在另一方面,无论是材料设计,还是加工工艺,国产汽车与国外(奔驰、宝马、奥迪)品牌还存在很大的差距,这对国产企业的进一步发展产生了极大的负面影响。如何提高汽车材料的创新研发速度,推动汽车制造技术的进一步发展成为各大汽车厂商需要考虑的重要问题。

1 汽车轻量化材料的应用现状
随着我国的能源危机越来越严重,我国政府提出了“低碳、环保、可持续发展”的战略方针,而汽车轻量化设计可以有效降低能源消耗,推动社会经济的健康有效发展。据统计,目前,各主机厂产品(传统车/电动车/混合动力等),自重90%的六类主要材料,包含:钢、铝、铸铁、复合材料、陶瓷及玻璃组成,具体内容如下所示:

1.1 铝合金材料
众所周知,金属铝的密度非常小,力学性能好,在生产生活中得到了广泛的应用。特别是金属铝与锌、锰、镉等元素结合在一起之后,能够发挥出良好的力学性能。与传统的钢铁材料相比,具有耐腐蚀性好、可塑性强、热导率高等诸多优点,因此铝合金用在了汽车发动机、汽车车身、轮毂等多个方面。与钢材料相比,铝合金能够很好地吸收碰撞能,所以说铝合金能够有效提高汽车的安全性。铝合金的重量不足低碳钢的1/3,使得车身的重量大大减小,有效提高了汽车的燃油性,从这个角度分析,铝合金是汽车轻量化设计的重要方向,这也符合我国低碳环保的政策方针。截止到目前为止,一些高端车型的车身全部使用铝合金材料,不仅使得车身的重量大大降低,而且使得车辆的安全性能大大提高,铝合金已经成为高端车型的代名词。

1.2 高强度钢
汽车车身中使用最多的材料就是钢材料,钢材料能够承受巨大的横向压力和纵向压力,保证车辆的结构稳定性。在同等强度压力下,高强度钢在保证车辆安全的情况下,尽可能减少钢材料的使用量,从而降低车辆自身的重量。很多汽车制造厂商都发现了高强度钢的诸多优势,因此在车身许多部位都使用到了高强度钢,例如保险杠、车身横梁、车门加强筋等。采用高强度钢是降低车身重量的重要措施。在以后的车身轻量化设计中,高强度钢依然发挥着不可忽视的职能作用。但是在另一方面,高强度钢在使用过程中也会出现很多问题,例如高强度钢的可塑性、成形性较差,回弹大、伸长率低、尺寸精度控制难度大等,而且我国目前的钢铁生产技术较差,大部分的高强度钢都是从国外进口的,这在一定程度上制约了我国汽车行业的进一步发展。

1.3 复合材料
复合材料指的是碳纤维材料,存在密度小、耐腐蚀性高、韧性好的诸多优势特点,在一些高端车型上得到了广泛的应用。将符合材料应用到汽车的车身、底盘等大型结构件上,不仅可以提高车身的强度和刚度,而且可以大大减轻汽车的重量。苏联也是一种复合材料,随着市场上的低端车型越来越多,塑料在汽车行业的用量也大大增加,在未来有着巨大的发展空间。诸如聚丙烯、AB S、聚乙烯等复合型塑料具有重量轻、可塑性好、成本低等多种优势特点,在汽车内饰、仪表盘、车门板中发挥出了重要的职能作用。但是截止到目前为止,碳纤维等复合型的造价成本非常高,只能用在一些高端车型上,如何降低碳纤维材料的造价成本,在中低端车型大量使用,推动汽车轻量化设计的进一步发展,是汽车厂商应该考虑的重要问题。

2 汽车的制造工艺分析
2.1 冲压技术制造工艺
汽车中有7成左右的零部件都是由金属加工而成的,冲压技术时汽车制造的重要手段,也是金属零件最基本、最常用的加工方法。冲压技术是借助模具和冲压设备对金属材料施加压力,使金属材料发生变形弯曲从而达到自己想要的形状。冲压技术之所以在汽车制造方面得到了广泛的应用,主要是因为冲压技术具有多种优势特点:第一,冲压制造工艺能够有效提高金属零部件的尺寸精度,在实际加工过程中,冲压设备一般不会对金属表面以及内部结构造成破坏,使得冲压件的质量较为稳定。第二,冲压制造工艺的加工范围非常大,不管是车门的防撞U型槽,还是引擎盖,都可以利用冲压技术加工而成。第三,冲压技术不会产生金属碎屑,不会造成材料浪费现象,制作成本比较低,加工效率非常高。

汽车中的金属零部件尺寸差异很大,形状也不尽相同,因此在加工不同的汽车零部件时,采用的冲压制作工艺也存在很大的区别。一般情况下,汽车零部件的冲压加工工序分为三种:第一种是冲压基本工序,包括冲裁、弯曲、拉伸、成形等几个过程。第二种是分离工序,主要是指原材料在冲压设备的的作用下,局部应力达到金属材料的强度极限之后出现断裂或落料的现象。第三种是成形工序,即金属坯料在冲压力作用下发生塑性变形现象,这种作用力不会超过金属材料的强度极限,而是让金属材料达到预期的形状模型。

2.2 焊接工艺制造技术
焊接工艺主要是将两个金属件连接在一起,在焊接生产线中发挥着不可忽视的职能作用。在汽车制造过程中,经常用到的焊接方式有四种:第一种是点焊,点焊指的是将两个金属设备放在一起,利用电阻热融化母材金属,最终形成焊点使两个材料融合在一起的焊接方法。第二种是凸焊,凸焊是在点焊的基础上发展而来的,凸焊可以同时在焊接位置形成多个熔核,使两个设备连接在一起在电阻加热的作用下形成一个或多个焊点。凸焊的焊接效率非常高,而且不会产生分流影响,因为凸焊的电流集中在凸点位置,电流密度大,即便是很小的电流也能完成焊接任务,因此焊接成本比较低。第三种是激光焊接,这种焊接工艺在汽车生产制造中的应用最为广泛。据有关资料显示,在当前的钢结构车身中,有一半的焊接任务都是由激光焊接完成的。激光焊接工艺能够满足汽车零件的设计和功能需求,将强度不同、厚度不同、材料不同的零件结合在一起。

激光焊接技术能够将不同材料更好地融合在一起,减少车身的重量,这与汽车的轻量化设计需求保持一致。与点焊和凸焊等焊接工艺相比,激光焊接能够应用在强度、厚度不同的材料焊接当中,更重要的是能够减轻车身重量,提高汽车的安全系数。激光焊接工艺不会造成太大的材料消耗,有效降低了生产成本,提高生产效率。除此之外,激光焊接采用的是对接工艺,不需要搭接缝和加强板,使得焊接点的力学性能大大提高。

2.3 汽车车身装配工艺
装配工艺是汽车生产制作的最后一个环节,是将成百上千个合格的零件,按照既定的标准和规定组合在一起的行为活动。汽车不仅要有良好的动力性能,还需要有一定的耐久性,能够在各种复杂的环境下发挥出色的运载功能,这就对汽车装配工艺提出了越来越高的要求。截止到目前为止,汽车的装配工艺主要分为两种:一种是固定式装配,指将需要装配的主体固定起来,将其它零件以此安装到装配主体上,然后形成成本的装配工艺,诸如汽车座椅、汽车轮胎采用的都是固定式装配。在实际装配过程中,人们可以对装配零件进行加工处理,操作过程大多都是依靠人工完成的。虽然汽车固定装配工艺的功率非常低,但是对工人的技能要求提出了很高的要求,因此在汽车批量化生产中很少采用,只适用于质量要求较高的装配工序当中。第二种是流水线装配,指的是汽车零部件随着传送装置在多工位装配线上不断移动,由各个工位完成装配的工艺流程,流水线装配将汽车零部件、装配动作划分成一个个工序,每个工位完成一到两个装配动作,一个操作人员只需要保证各个工位设备正常运作就可以了。流水线装配的生产效率非常高,而且装配质量较高,是目前汽车生产制作中的主流装配模式。

3 汽车制造的发展趋势分析
3.1 向着绿色环保的方向发展
随着全球范围内的汽车保有量越来越多,人们逐渐意识到汽车给生态环境造成的巨大污染,因此很多国家都针对汽车制定了一系列环境保护措施,报哪个人保护人类赖以生存的生态环境。如今我国政府针对汽车实施最严格的检测标准,出台了“国六”汽车行业标准,传统的国五家用轿车禁止销售,大力发展新能源汽车、电动汽车等,提高清洁能源的覆盖范围,提高化石能源的利用率,改进发动机装置,将全新的三缸技术应用到家用汽车上。除此之外,我国政府引导各大汽车厂商创新发展电子控制燃油喷射系统、二次空气喷射、废弃循环利用技术等。更为重要的是,我国汽车制造厂商也在大力推动汽车轻量化的设计发展,使用高强度高、铝合金等材质,降低汽车重量,提高汽车的燃油经济性等。

3.2 向着智能化的方向发展
传统的汽车装配工作任务复杂,装配成本居高不下,再加上我国的劳动成本越来越高,导致汽车行业的利润空间越来越小。在这样的时代背景下,诸如比亚迪、吉利等汽车厂商都开始创新研发自动化装配技术,将人工职能、射频识别技术、远程操控技术等应用到汽车装配当中,不仅大大提高了汽车装配效率,而且省去了大量的人力成本。但是与德国、日本等国家的汽车自动化装配水平相比,我国的汽车自动化生产线还比较落后,这就需要我国汽车厂商加大自动化生产线的研发力度,创新设计出更加先进的机器人焊接技术、自动化冲压技术等,紧跟国际潮流,推动汽车装配生产技术向着智能化的方向发展。

4 结语
汽车轻量化设计不仅是广大社会的本质需求,也是汽车未来的发展趋势。截止到目前为止,汽车的轻量化设计以及装配工艺已经取得了一定的进步,诸如铝合金、高强度钢、复合材料等材料在汽车车身上的大范围使用,不仅使得汽车自身重量大大降低,而且提高了汽车的安全性能。冲压技术、激光焊接技术、流水线装配等技术极大地提高了汽车的装配效率。在以后的发展过程中,汽车行业将继续向着绿色环保、轻量化、智能化的方向发展。

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