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輕量化先進(jìn)工藝技術(shù)大盤點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2021-02-05 15:59:05
一、激光拼焊(TWB)及不等厚度軋制板(VRB)
1.激光拼焊技術(shù)
激光拼焊是將不同厚度、不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度、不同沖壓性能和不同表面處理狀況的板坯拼焊在一起,再進(jìn)行沖壓成形的一種制造技術(shù)。
德國大眾最早于1985年將激光拼焊用于汽車。北美于1993年也大量應(yīng)用激光拼焊技術(shù)。目前,幾乎所有的著名汽車制造商都采用了激光拼焊技術(shù)。采用拼焊板制造的結(jié)構(gòu)件有車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、風(fēng)擋玻璃框架/前風(fēng)擋框、輪罩板、地板、中間支柱(B柱)等(見圖1)。
圖1 激光拼焊技術(shù)在車身上的應(yīng)用實(shí)例
最新統(tǒng)計(jì)表明,最新型的鋼制車身結(jié)構(gòu)中,50%采用了拼焊板制造。激光拼焊技術(shù)在20世紀(jì)90年代末引入中國,一汽、上汽、長城、奇瑞、吉利等汽車公司在前縱梁、門內(nèi)板和B柱加強(qiáng)板等都有應(yīng)用。寶鋼已有23條激光拼焊生產(chǎn)線,年產(chǎn)2200多萬片板坯,占我國市場份額的70%以上,是世界第三、亞洲第一大激光拼焊板生產(chǎn)公司。鞍鋼也在與蒂森克虜伯合作,在長春等地建立激光焊接加工生產(chǎn)線。
2.不等厚度軋制板
變厚板是軋鋼機(jī)通過柔性軋制工藝生產(chǎn)的金屬薄板,即在鋼板軋制過程中,通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整軋輥的間距,以獲得沿軋制方向上按預(yù)先定制的厚度連續(xù)變化的板料。
圖2 不等厚度軋制板生產(chǎn)原理
圖2顯示了變厚板生產(chǎn)的工藝原理。與TWB鋼板相比,VRB鋼板僅可為同一種鋼種,寬度也不能太寬,更適合制造梁類零部件。
德國Mubea公司有兩條變厚板生產(chǎn)線,年產(chǎn)7萬t。板厚為0.7~3.5mm,原始板料的最高強(qiáng)度為800MPa級別。目前,歐洲70余個(gè)車型使用變厚板或者變厚管產(chǎn)品。奔馳C級車中通道加強(qiáng)板、前地板縱梁、后保險(xiǎn)杠、后地板橫梁等11個(gè)零件使用了VRB鋼板。我國寶鋼和東北大學(xué)均開展了VRB鋼板的研發(fā)和生產(chǎn)工作,目前具備了小批量供貨的能力。
借助于強(qiáng)大的材料開發(fā)能力,寶鋼形成了VRB零件的設(shè)計(jì)、材料開發(fā)、成形過程模擬、模具設(shè)計(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量評估的能力,并已試制成功前縱梁、儀表板支架、頂蓋橫梁等零件,同時(shí)也軋制成功了1500MPa級別的非鍍層和鋁硅鍍層的熱沖壓成形鋼板,成功試制了熱沖壓成形VRB中通道零件。
二、內(nèi)高壓成形(液壓成形)制造技術(shù)
管件液壓成形是將管坯放入模具內(nèi),利用高壓液體充入管坯空腔,同時(shí)輔以軸壓補(bǔ)料,使其直徑脹大至貼靠凹模的成形過程,如圖3所示。
圖3 液壓成形示意圖
由于內(nèi)部壓力可高達(dá)400MPa,在歐洲又稱為內(nèi)高壓成形技術(shù)(IHPF),在美國則稱為管件液壓成形技術(shù)(TH)。液壓成形適用于汽車領(lǐng)域的沿構(gòu)件軸線變化的圓形、矩形截面或各種異形截面空心構(gòu)件。與傳統(tǒng)沖壓焊接工藝相比,液壓成形技術(shù)具有成形精度高、可節(jié)約材料、減少成形件數(shù)量和后續(xù)機(jī)械加工與焊接量、提高成形件的強(qiáng)度與剛度、減少模具數(shù)量、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。
液壓成形在底盤部件中應(yīng)用較多,如前副車架主管、扭力梁、控制臂等,車身結(jié)構(gòu)件主要應(yīng)用于A、B柱等件。福特新蒙迪歐車型A柱上部采用DP1000鋼管內(nèi)高壓成形,實(shí)現(xiàn)減重2.1kg。B柱加強(qiáng)板采用兩個(gè)內(nèi)高壓成形件,優(yōu)化了側(cè)碰性能。
三、超高強(qiáng)度鋼熱沖壓成形技術(shù)
熱成形技術(shù)通過熱處理和高溫成形相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)零件的高強(qiáng)度。熱成形技術(shù)適用于對舒適性、強(qiáng)度和安全性要求高的零件,典型的熱沖壓零件有前、后門左右防撞桿(梁),前后保險(xiǎn)杠橫梁,A柱、B柱、C柱加強(qiáng)板,地板中通道和車頂加強(qiáng)梁等,如圖4所示。
圖4 熱成形技術(shù)在汽車車身應(yīng)用部位
除全鋁車身以外,均應(yīng)用了熱成形構(gòu)件。國外目前至少有110條熱沖壓成形生產(chǎn)線,主要分布在美國(19條)、德國(30條)、日本(10條)以及法國、西班牙、瑞典等國。
國內(nèi)已建成和在建的熱成形生產(chǎn)線有30~40條,熱成形件的產(chǎn)量可達(dá)到5000萬件。熱成形技術(shù)在我國自主品牌汽車中有大量應(yīng)用。
四、輥壓成形技術(shù)
輥壓成形工藝通過順序配置的多道次成形軋輥,把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲,以制成特定斷面的型材。輥壓成形的優(yōu)勢在于能夠加工其他工藝無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀。一般,輥壓成形為等截面零件,近年來開始開發(fā)三維變截面輥壓成形技術(shù)。其優(yōu)勢是合理設(shè)計(jì)型材的幾何斷面,提高承載能力,減輕零件質(zhì)量。輥壓成形因其成本低和效率高而得到重視,凱迪拉克ATS地板有8件采用超高強(qiáng)度鋼輥壓成形,奔馳新B級車地板有多個(gè)零件采用輥壓成形(見圖5),材料利用率在90%以上。圖5所示為三維輥壓技術(shù)可能生產(chǎn)的乘用車車身變截面零件。
圖5 奔馳新B級車輥壓件
圖6 三維輥壓技術(shù)可能生產(chǎn)的變截面零件
2005年瑞典開發(fā)了3D柔性輥壓技術(shù),2011年開發(fā)完成世界上第一條3D柔性輥壓生產(chǎn)線,通過伺服電動機(jī)驅(qū)動,可以實(shí)現(xiàn)軋輥上下移動、水平移動及轉(zhuǎn)動,生產(chǎn)寬度可變、深度可變的零件。德國DATAM公司也完成了3D柔性輥壓生產(chǎn)線的開發(fā),用于商用車大梁及乘用車邊梁。
2014年,我國北方工業(yè)大學(xué)與一汽集團(tuán)公司聯(lián)合開發(fā)出我國自主研發(fā)的首套高強(qiáng)度鋼三維輥壓生產(chǎn)制造控制系統(tǒng)。開發(fā)了3D柔性輥壓技術(shù),用于變截面零件輥壓成形。
五、半固態(tài)成形技術(shù)
麻省理工學(xué)院的研究人員在1972年首次提出采用半固態(tài)加工技術(shù)可以得到高性能的鋁合金。20世 紀(jì)90年代,半固態(tài)技術(shù)開始在汽車部件上應(yīng)用。目前,美國AEMP、德國EFU、意大利StamPal、法國Pechiney、美國Alunax工程工業(yè)公司和瑞士Alusuisse公司均已形成相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)規(guī)模,大量用于交通運(yùn)輸和武器裝備零部件的制備。鋁合金半固態(tài)成形件的單件尺寸與質(zhì)量也不斷加大,意大利StamPalSPa和菲亞特公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金零件重達(dá)7kg。
我國目前主要注重半固態(tài)漿料的制備研究,華東理工大學(xué)、上海大學(xué)、東北大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)在機(jī)械攪拌和電磁攪拌方面有一定進(jìn)展,所研制的多種牌號半固態(tài)成形的鋁合金零件,與鑄造鋁合金相比,綜合性能均提高了30%以上。
六、高壓鑄造成型技術(shù)
高壓鋁合金鑄造件的優(yōu)勢在于其可高效率生產(chǎn)集成設(shè)計(jì)復(fù)雜薄壁構(gòu)件的能力。除動力傳動系統(tǒng)殼體構(gòu)件和發(fā)動機(jī)缸體,奔馳新SL大量應(yīng)用鋁合金高壓鑄造技術(shù),零部件數(shù)量大大減少,如圖7所示。
圖7 奔馳新SL鑄造構(gòu)件圖及懸架固定座
其中,A柱由兩個(gè)鑄造件構(gòu)成,替代了原來的13個(gè)構(gòu)件。前懸架固定座整合了7個(gè)構(gòu)件,B柱內(nèi)板整合了11個(gè)構(gòu)件,后縱梁整合了22個(gè)構(gòu)件,前防火墻整合了6個(gè)構(gòu)件??傮w來說,鋁合金高壓真空鑄造懸架固定座已經(jīng)在國外得到批量應(yīng)用,達(dá)到了較好的輕量化效果,但國內(nèi)還沒有產(chǎn)品化。
七、低(差)壓鑄造成型技術(shù)
低(差)壓鋁合金鑄造件的優(yōu)勢主要在于獲得較高工藝品質(zhì)的同時(shí),可以生產(chǎn)一體化設(shè)計(jì)的中空、薄壁、復(fù)雜構(gòu)件。除車輪和缸蓋外,主要用于汽車懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)的輕量化構(gòu)件生產(chǎn),迄今已在國外高端汽車的上述系統(tǒng)的鋁合金構(gòu)件生產(chǎn)上得到批量應(yīng)用,達(dá)到了極好的輕量化和提高車輛駕乘性能的效果,如圖8所示。在國內(nèi),除車輪、缸蓋外,底盤和懸架系統(tǒng)方面的應(yīng)用較少。
圖8 路虎攬勝(運(yùn)動) 輕量化全鋁懸架
八、復(fù)合材料直接在線混合成型技術(shù)
為解決傳統(tǒng)注塑和模壓成型低效率、高成本和高能耗等工藝缺點(diǎn),20世紀(jì)90年代初期,德國、美國和法國分別開展了長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料直接在線模塑成型(LFT?D)技術(shù)的研究,研發(fā)出了短流程、高效率、低能耗和低成本的成型工藝與裝備,如在線注射成型工藝(LFT?D?injecting)和在線模壓工藝(LFT?D?molding)。
在線注射成型適用于制造小型件和復(fù)雜零部件,在線模壓成型一般用于尺寸較大、形狀簡單的產(chǎn)品。長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在線模壓產(chǎn)品現(xiàn)已被寶馬、奔馳、奧迪、馬自達(dá)等汽車企業(yè)廣泛地應(yīng)用于后背門內(nèi)板、儀表板骨架、前端模塊、底護(hù)板、備胎艙支架、發(fā)動機(jī)氣門室罩蓋、油底殼等汽車關(guān)鍵零部件。在線模壓成型可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減重30%以上,是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效手段之一,我國還處于探索階段。圖9在線模壓成型生產(chǎn)的典型汽車零部件。
圖9 在線模壓成型生產(chǎn)的典型汽車零部件
九、汽車輕量化連接技術(shù)
汽車輕量化連接技術(shù)包括激光焊接、攪拌摩擦焊、鎖鉚技術(shù)、自鎖鉚、熱熔自攻螺釘以及膠粘連接等技術(shù),通過上述先進(jìn)連接技術(shù)將輕量化構(gòu)件連接成零部件總成或車身,以達(dá)到較好的剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。上述連接技術(shù)在汽車零部件的應(yīng)用情況及在汽車輕量化進(jìn)程中的發(fā)展方向見附表。
來源: 汽車輕量化新技術(shù)
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