材料加工技术创新在汽车轻量化中的应用研究进展

2022-05-11 16:30:03 | 浏览次数：

摘要：轻量化是当前汽车工业的发展方向，材料加工技术的创新是汽车轻量化的关键所在。本文主要从以下两个方面综述了该领域的研究进展：一是新型高强度或低密度轻质材料的开发和轻质零件的制备，用其取代传统钢铁零部件，可以大大减轻汽车自重。其二是采用新的成型工艺，实现零件及车身部件结构的简化和轻型化，节约生产材料、提高工作性能。

关键词：轻量化；材料加工；创新

前言：

汽车工业的发展促进了人类社会的进步，同时也带来了诸如大气污染，温室效应、能源过量消耗等问题。为解决这一问题，国家先后出台了《关于鼓励发展节能环保型小排量汽车的意见》、《汽车产业调整和振兴规划》，鼓励发展低油耗、节能环保型小排量和清洁能源汽车。财政部、税务总局出台了对购买的1.6升及以下排量乘用车购置税减半、对大排量乘用车提高消费税税率、对购置节能与新能源汽车给予一定补贴等政策[1]。汽车轻量化对这些问题有着很重要的影响，所以汽车轻量化越来越成为学术界和产业界关注的焦点。1966年到1988年BMW自重增加了270 kg[2]。为解决这一问题，近20多年来，各国汽车制造商都十分重视汽车轻量化的工作，投人大量的人力和资金进行研究，取得了长足的进展。2013年宝马汽车自重较1987年要减少30%，二氧化碳排放量减少25%，油耗减少50%[3]。

有关研究数据表明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；在轻量化的影响下，若车桥、变速器等机构的传动效率提高10% ，燃油效率可提高7%[4]。由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低。汽车车身约占汽车总质量的30% ，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上，因此车身的轻量化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要[5]。

近年来，汽车轻量化取得了显著的成就，这主要归功于材料工程领域的科技进步。首先是诸多高强度轻质材料的开发及在汽车制造中的应用，取代了不少传统的钢铁制件；其次是新的成形工艺，如液压成形、激光焊接、拼接毛坯等不断涌现，优化了工件结构，大大减少了材料消耗。本文即围绕这两个方面综述近年来材料加工技术创新在汽车轻量化中的应用。

1、新材料在现代汽车制造中的应用

1.1高强度钢

高强度钢取代普通钢板可以实现材料的薄壁化，从而降低整车重量。由于铝、镁合金等轻量化材料自身性能上的限制、工艺要求以及价格较高，在目前汽车制造中仅能替代小部分钢，高强度钢仍是未来汽车材料的中坚力量。各国在高强度钢的研制和生产方面取得了不少的成绩。日本在车身零件上应用高强度钢板始于20世纪70年代的石油危机，其使用范围越来越广[6]。为了实现汽车轻量化的目标，各国在高强度钢上所研制出来的产品也有很多，主要钢种有：含磷钢板（70年代开发）及烘烤硬化钢板、双相钢（马氏体一铁素体，80年代开发）、析出强化钢及相变诱导塑性钢（90年代开发）等[7]。

1.2轻金属材料

1.2.1铝

铝及铝合金的密度大致在2.7g·cm-3，约为钢的1/3。铝合金具有重量轻、加工性能良好、抗腐蚀性好、吸振性强等优点，应用于汽车制造对汽车轻量化有十分显著的效果[8]。目前，在汽车上使用的铝质零件除传统的车轮盖、空调系统、保险杠、座椅、换热器、油管外，高强度铝合金还广泛应用于汽车的连杆、摇臂、凸轮座等零件[9]。但是由于铝及其合金的原材料价格比钢高得多，制约了其在汽车上更大范围内的应用。

1.2.2钛

钛的密度为4.5g？cm-3，质轻、强度高、耐腐蚀性能非常好，但钛价格很贵。钛应用于汽车，可起到减重、节能、减震、降噪、减污、延寿、提高汽车安全性和舒适度的综合作用[10]。主要用于汽车发动机中，如气门、气门座、气门弹簧、摇臂、连秆、离合器板以及其它如转向齿轮、车轮、紧固件，必须耐腐蚀、耐损伤的车底覆盖件、侧视镜架等也可以用钛合金制作。目前来说，由于钛的价格极贵，一般汽车上使用较少，主要用于赛车上[11]。

1.3其它材料

除铝、镁等金属材料外，其它一些轻质的非金属以及复合材料也在汽车中得到了越来越广泛的应用，如金属/非金属轻质材料、塑料、陶瓷、非金属基复合材料等。

1.3.1塑料

塑料既可大幅减轻零部件质量。又可降低制造成本，是汽车中使用最多的非金属材料。世界汽车平均每辆塑料用量在2015年就已达130kg，约占汽车总质量的8%～12%[12]。最近几年，我国一般汽车上塑料件占整车质量的比例从原来的5%左右上升到12%～18%以上。新开发的一些轿车上塑料件已达20%以上，如奥迪A2型轿车，塑料件的总质量高达220 kg，占总用材的24.6%[13]。

1.3.2复合材料/金属层压材料

热塑性复合材料/金属层压材料是极具潜力的轻量化汽车车身板材料。抗撞凹性能是汽车车身板的一个重要性能，复合材料做底层既减轻了板材的质量，又提高了板材的抗撞凹性能；金属材料做蒙皮使其易于连接并能改进表面质量，因此，混合热塑性复合材料/金属层压材料具有优良的表面质量。可采用标准复合材料板的联接方式联接。与传统金属汽车车身板材料相比，混杂层压板材的抗撞凹性能更好，且随着复合材料/金属比率的升高而提高，板材重量也随着该比率的升高而降低[14]。

1.3.3非金属复合材料

复合材料在汽车上的用量近年来逐年增加。复合材料主要用于摩擦片、车身、悬架、车架等汽车结构件。如高强度有机纤维增强复合材料具有很高的机械强度，能代替钢板材料，从而减轻车身的重量，在汽车车身上得到了广泛的应用。碳纤维复合材料（CFRP）质量小、强度高、刚性高、耐蠕变与耐腐蚀性能良好，是很有潜力的汽车用轻量化材料[15]。美国福特公司早已采用CFRP制造汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等零部件。采用CFRP制造汽车零部件能收到显著的轻量化效果[16]。

2、成形工艺创新在汽车轻量化中的应用

锻造、铸造、冲压、焊接、热处理等材料成形加工工艺是汽车制造的基础和核心技术，随着技术的进步，逐步出现了诸如液压成型、裁剪拼接、发泡铝等材料加工新技术。成形加工工艺的创新不但大大降低了成本、提高了汽车质量，而且为汽车轻量化做出了重要贡献。

2.1液压成形

利用流体介质来代替模具传递力以实现金属塑性加工称为液压成形。由于液压成形的应力状态良好，可以比其它成形方法获得更大的变形程度，可以与弯曲、压印、冲孔等工序复合，取得更大的经济效益。它不仅简化了模具结构，而且可以制造出其它方法所不能制造的复杂工件，对提高汽车性能、减少零件数量和减少汽车自重有十分重要的意义。

要得到横断面形状连续变化的空心零件，管件液压成形可以一次整体成形这样的空心复杂结构件，既可以减少结构的零件数量和模具数量、减轻工件重量、简化工序，又可以改善产品质量。以轿车底盘支架为例，采用液压成形零件数量由6个减少到1个，质量减轻了30%，成本降低了20%，模具造价降低60%，生产工序减少为CNC弯曲、管件液压成形和冲孔[17]。

2.2发泡铝成形技术

发泡铝又称泡沫铝，是以氢化钛为增粘剂和发泡剂，加入熔融的铝中搅拌而制成的。是一种集结构、性能一体化的新型功能材料，它是比重2.7的金属铝发泡而成比重只有0.2-0.4的超轻纯金属材料，体积扩大了13倍，重量只相当于木材的三分之一[18]。在汽车制造中应用最有前途的就是发泡铝板，它面世已经多年，由于成本高，一直只能用于航空领域。Karman在1999年的IBEC展览会上展示了用于生产汽车车身结构件三明治式发泡铝材。这些展品大约10mm厚，共分3层：两层坚实的外层（钢板或铝板）加中间层（发泡铝材层）[19]。其生产工艺是先把材料拉延成板材半成品。接着在模具中加热使其膨胀。这种结构的优点在于重量轻且能吸收各种能量、隔音、隔热、比塑料耐高温且易于回收，但材料成本和制造成本都较大，在汽车轻量化上很有应用潜力。

2.3零件轧制新技术

目前这类技术中楔横轧和柔性轧制应用比较广泛。采用楔横轧，可以由钢管制造阶梯轴，如齿轮轴、凸轮轴等。一般可减重30%[20]。采用柔性轧制，可以制造沿纵向不等厚的金属板材。与焊接剪裁拼接毛坯相比，由于无焊缝，内在和表面质量、防锈等方面均得到改善。

3、汽车制造轻量化技术的应用实例

3.1铝合金轮毂

铝合金轮毂的使用是汽车轻量化的一个巨大成就，不仅减轻了汽车自重，而且由于减小了车轮转动惯量，具有双重的节能效果。与钢制轮毂相比，减重40%～65%，单件平均减重3 kg左右。美国1964年就开始使用铝合金轮毂逐步取代钢制轮毂，1970年逐步推广，2014年，世界轮毂铝合金化率已经超过60%。

3.2铝质车架ASF（Aluminum Space Frame）

Audi公司1993年开始研制的Audi A8采用了铝质车架ASF技术，减轻车身质量15%，油耗随之降低5%～8%，大大改善了加速性和燃油消耗，被评为1998年度“最豪华车型”。2015年新款奥迪TT发布，全车身69%的铝材，油耗大大降低。

4、结论

提高材料的强度，开发新型材料是实现汽车轻量化的有效途径。新的成形工艺以及和新型材料的结合，在汽车轻量化中发挥着重要的作用。但尚有成本高、工艺复杂等问题，为相关领域的科学研究提供了方向。

参考文献

[1]人民网.2009-12-25.

[2]刘超.陈一龙：科学设计和系统集成是汽车轻量化前提[J].新材料产业.2015（02）.