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輕量化先進工藝技術大盤點

發布時間：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

激光拼焊是將不同厚度、不同材質、不同強度、不同沖壓性能和不同表面處理狀況的板坯拼焊在一起，再進行沖壓成形的一種制造技術。

德國大眾最早于1985年將激光拼焊用于汽車。北美于1993年也大量應用激光拼焊技術。目前，幾乎所有的著名汽車制造商都采用了激光拼焊技術。采用拼焊板制造的結構件有車身側框架、車門內板、風擋玻璃框架／前風擋框、輪罩板、地板、中間支柱（Ｂ柱）等（見圖1）。

圖1 激光拼焊技術在車身上的應用實例

最新統計表明，最新型的鋼制車身結構中，50%采用了拼焊板制造。激光拼焊技術在20世紀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、門內板和B柱加強板等都有應用。寶鋼已有23條激光拼焊生產線，年產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線。

2.不等厚度軋制板

變厚板是軋鋼機通過柔性軋制工藝生產的金屬薄板，即在鋼板軋制過程中，通過計算機實時控制和調整軋輥的間距，以獲得沿軋制方向上按預先定制的厚度連續變化的板料。

圖2 不等厚度軋制板生產原理

圖2顯示了變厚板生產的工藝原理。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線，年產7萬t。板厚為0.7～3.5mm，原始板料的最高強度為800MPa級別。目前，歐洲70余個車型使用變厚板或者變厚管產品。奔馳C級車中通道加強板、前地板縱梁、后保險杠、后地板橫梁等11個零件使用了VRB鋼板。我國寶鋼和東北大學均開展了VRB鋼板的研發和生產工作，目前具備了小批量供貨的能力。

借助于強大的材料開發能力，寶鋼形成了VRB零件的設計、材料開發、成形過程模擬、模具設計和產品質量評估的能力，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、內高壓成形（液壓成形）制造技術

管件液壓成形是將管坯放入模具內，利用高壓液體充入管坯空腔，同時輔以軸壓補料，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

由于內部壓力可高達400MPa，在歐洲又稱為內高壓成形技術（IHPF），在美國則稱為管件液壓成形技術（TH）。液壓成形適用于汽車領域的沿構件軸線變化的圓形、矩形截面或各種異形截面空心構件。與傳統沖壓焊接工藝相比，液壓成形技術具有成形精度高、可節約材料、減少成形件數量和后續機械加工與焊接量、提高成形件的強度與剛度、減少模具數量、降低生產成本等優點。

液壓成形在底盤部件中應用較多，如前副車架主管、扭力梁、控制臂等，車身結構件主要應用于A、B柱等件。福特新蒙迪歐車型A柱上部采用DP1000鋼管內高壓成形，實現減重2.1kg。B柱加強板采用兩個內高壓成形件，優化了側碰性能。

三、超高強度鋼熱沖壓成形技術

熱成形技術通過熱處理和高溫成形相結合的方式來實現零件的高強度。熱成形技術適用于對舒適性、強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），前后保險杠橫梁，A柱、B柱、C柱加強板，地板中通道和車頂加強梁等，如圖4所示。

圖4 熱成形技術在汽車車身應用部位

除全鋁車身以外，均應用了熱成形構件。國外目前至少有110條熱沖壓成形生產線，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。

國內已建成和在建的熱成形生產線有30～40條，熱成形件的產量可達到5000萬件。熱成形技術在我國自主品牌汽車中有大量應用。

四、輥壓成形技術

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行橫向彎曲，以制成特定斷面的型材。輥壓成形的優勢在于能夠加工其他工藝無法實現的復雜形狀。一般，輥壓成形為等截面零件，近年來開始開發三維變截面輥壓成形技術。其優勢是合理設計型材的幾何斷面，提高承載能力，減輕零件質量。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件采用超高強度鋼輥壓成形，奔馳新B級車地板有多個零件采用輥壓成形（見圖5），材料利用率在90%以上。圖5所示為三維輥壓技術可能生產的乘用車車身變截面零件。

圖5 奔馳新B級車輥壓件

圖6 三維輥壓技術可能生產的變截面零件

2005年瑞典開發了3D柔性輥壓技術，2011年開發完成世界上第一條3D柔性輥壓生產線，通過伺服電動機驅動，可以實現軋輥上下移動、水平移動及轉動，生產寬度可變、深度可變的零件。德國DATAM公司也完成了3D柔性輥壓生產線的開發，用于商用車大梁及乘用車邊梁。

2014年，我國北方工業大學與一汽集團公司聯合開發出我國自主研發的首套高強度鋼三維輥壓生產制造控制系統。開發了3D柔性輥壓技術，用于變截面零件輥壓成形。

五、半固態成形技術

麻省理工學院的研究人員在1972年首次提出采用半固態加工技術可以得到高性能的鋁合金。20世紀90年代，半固態技術開始在汽車部件上應用。目前，美國AEMP、德國EFU、意大利StamPal、法國Pechiney、美國Alunax工程工業公司和瑞士Alusuisse公司均已形成相當的產業規模，大量用于交通運輸和武器裝備零部件的制備。鋁合金半固態成形件的單件尺寸與質量也不斷加大，意大利StamPalSPa和菲亞特公司生產的半固態鋁合金零件重達7kg。

我國目前主要注重半固態漿料的制備研究，華東理工大學、上海大學、東北大學等高校和研究機構在機械攪拌和電磁攪拌方面有一定進展，所研制的多種牌號半固態成形的鋁合金零件，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

高壓鋁合金鑄造件的優勢在于其可高效率生產集成設計復雜薄壁構件的能力。除動力傳動系統殼體構件和發動機缸體，奔馳新SL大量應用鋁合金高壓鑄造技術，零部件數量大大減少，如圖7所示。

圖7 奔馳新SL鑄造構件圖及懸架固定座

其中，A柱由兩個鑄造件構成，替代了原來的13個構件。前懸架固定座整合了7個構件，B柱內板整合了11個構件，后縱梁整合了22個構件，前防火墻整合了6個構件。總體來說，鋁合金高壓真空鑄造懸架固定座已經在國外得到批量應用，達到了較好的輕量化效果，但國內還沒有產品化。

七、低（差）壓鑄造成型技術

低（差）壓鋁合金鑄造件的優勢主要在于獲得較高工藝品質的同時，可以生產一體化設計的中空、薄壁、復雜構件。除車輪和缸蓋外，主要用于汽車懸架系統、轉向系統、行駛系統的輕量化構件生產，迄今已在國外高端汽車的上述系統的鋁合金構件生產上得到批量應用，達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，除車輪、缸蓋外，底盤和懸架系統方面的應用較少。

圖8 路虎攬勝（運動）輕量化全鋁懸架

八、復合材料直接在線混合成型技術

為解決傳統注塑和模壓成型低效率、高成本和高能耗等工藝缺點，20世紀90年代初期，德國、美國和法國分別開展了長纖維增強熱塑性復合材料直接在線模塑成型（LFT?D）技術的研究，研發出了短流程、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雜零部件，在線模壓成型一般用于尺寸較大、形狀簡單的產品。長纖維增強熱塑性復合材料在線模壓產品現已被寶馬、奔馳、奧迪、馬自達等汽車企業廣泛地應用于后背門內板、儀表板骨架、前端模塊、底護板、備胎艙支架、發動機氣門室罩蓋、油底殼等汽車關鍵零部件。在線模壓成型可以實現產品減重30%以上，是實現汽車輕量化的有效手段之一，我國還處于探索階段。圖9在線模壓成型生產的典型汽車零部件。

　圖9 在線模壓成型生產的典型汽車零部件

九、汽車輕量化連接技術

汽車輕量化連接技術包括激光焊接、攪拌摩擦焊、鎖鉚技術、自鎖鉚、熱熔自攻螺釘以及膠粘連接等技術，通過上述先進連接技術將輕量化構件連接成零部件總成或車身，以達到較好的剛度和結構強度。上述連接技術在汽車零部件的應用情況及在汽車輕量化進程中的發展方向見附表。

來源：汽車輕量化新技術

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輕量化先進工藝技術大盤點

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