材料加工技術(shù)創(chuàng)新與汽車輕量化探究

黃前飛

（貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550008）

材料加工技術(shù)創(chuàng)新與汽車輕量化探究

黃前飛

（貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550008）

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化是目前汽車發(fā)展的趨勢(shì)為汽車的，因此在汽車制造材料中，越來越多的新型輕質(zhì)材料以及加工技術(shù)不斷出現(xiàn)。因此首先介紹了現(xiàn)階段在汽車制造行業(yè)中新型的成型加工工藝，進(jìn)而分析了新型的輕質(zhì)汽車制造材料。

汽車；材料加工技術(shù)；創(chuàng)新；汽車輕量化

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，其給人類的各行各業(yè)發(fā)展都帶來了一定的便利，但是同時(shí)也造成了越來越嚴(yán)重的環(huán)境問題、能源問題，因此為了保障汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展以及保護(hù)地球的環(huán)境，進(jìn)行汽車的輕量化是十分必要的。

1 創(chuàng)新成型工藝

1.1 激光拼接、裁剪工藝

在傳統(tǒng)的汽車零件制造上，主要使用圓形以及矩形等截面來進(jìn)行棒、板的加工。由于材料較為單一，故此其具備操作十分簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)，但是其使用材料消耗很大，并且裁剪效果并不是很好。新型的拼接、裁剪工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的零件制造工藝，其具備原材料使用效率更高的優(yōu)勢(shì)，在其使用中通過焊接、熱處理等方式將截面、材質(zhì)以及性能不同的材料在進(jìn)行剪切之后再拼接起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原材料最佳的使用率，同時(shí)還可以在一定程度上提升制造零件的性，能其主要具有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)上[1]。

首先是對(duì)于汽車自身的車重有著明顯的降低效果。使用1.5mm的加強(qiáng)板以及0.8mm的本體材料，其總厚度達(dá)到2.3mm。但是使用激光焊接技術(shù)可以使焊接的厚度降低至1.5~2.0mm之間，并且在性能上達(dá)到了同樣的效果。其次為有效的減少了汽車零部件。使用激光焊接技術(shù)可以使用最大程度上的實(shí)現(xiàn)本體零件和加強(qiáng)板之間的一體化，焊接成一個(gè)簡(jiǎn)易的整體零件，故此對(duì)于汽車零件數(shù)量有著明顯的降低作用。再者為焊接作業(yè)為一步化完成，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)模具以及流程的減少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低。最后為有效的增加了汽車的安全性。激光焊接技術(shù)在其焊接措施上實(shí)現(xiàn)了兩塊鋼板之間的分子程度上的結(jié)合，其在物理力學(xué)上進(jìn)行觀察就好像是焊接成了一整塊鋼板，進(jìn)而其硬度較之常規(guī)的焊接其強(qiáng)度增加了30%，這就為汽車硬度增加了30%，從而就實(shí)現(xiàn)了汽車安全性提稿增加。

1.2 液壓成型工藝

液壓成型工藝，其是利用模具以及液體對(duì)金屬等材料進(jìn)行塑性的加工。液壓成型技術(shù)主要分為內(nèi)高壓成型和金屬板料液壓成型兩種，其相對(duì)于傳統(tǒng)的成型技術(shù)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)：首先，液壓成型工藝的應(yīng)力狀態(tài)很好，能夠在使用中配合壓印、沖孔以及彎曲等多道工序，并且承變形能力也很強(qiáng)；其次液壓成型工藝可以有效的對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而在很大程度上使生產(chǎn)的周期減短，進(jìn)而提升整個(gè)制造工作的經(jīng)濟(jì)性；最后，使用液壓成型工藝能夠制造出很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件，進(jìn)而能夠在很大程度上減少汽車的總零件數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目的，并且使汽車的舒適性增強(qiáng)[2]。

1.3 內(nèi)高壓成形技術(shù)

內(nèi)高壓成形技術(shù)，其成形原理為通過對(duì)軸向加力補(bǔ)料以及內(nèi)部的加壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在其管培壓入到模具型腔之內(nèi)，從而形成一個(gè)成型零件。在汽車輕量化發(fā)展中，發(fā)展內(nèi)高壓成形技術(shù)主要是為了實(shí)現(xiàn)汽車自身體重的降低，其主要通過大量使用輕質(zhì)的材料，同時(shí)在其零件的結(jié)構(gòu)大量使用空心結(jié)構(gòu)代替實(shí)心結(jié)構(gòu)，這類零件主要是汽車零件中承受扭轉(zhuǎn)或者彎曲應(yīng)力的零件，故此實(shí)現(xiàn)空心化并不會(huì)造成零件性能上的降低，但是實(shí)現(xiàn)了最大程度上的重量降低。和傳統(tǒng)的沖壓技術(shù)相比內(nèi)高壓成形技術(shù)主要具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

首先是在零件結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了空心化，進(jìn)而在很大程度上實(shí)現(xiàn)了零件制造材料的降低，同時(shí)還降低了汽車的自身質(zhì)量。其次為高壓的成形技術(shù)在零件成形時(shí)壓力很大，故此在其零件剛度、強(qiáng)度上都實(shí)現(xiàn)了很大程度上的提升。最后為對(duì)于汽車的總體生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)了降低。內(nèi)高壓成形技術(shù)其使用主要是在汽車的軸線變化、異型截面空心以及矩形截面類的零件。例如散熱架、前軸以及底盤等，這些部件通常都是需要使用材料很多的地方，因此實(shí)現(xiàn)這些零件的材料降低便實(shí)現(xiàn)了最大程度上的汽車總造價(jià)的降低[3]。

1.4 其他技術(shù)

除了上文所介紹的三種汽車輕量化的技術(shù)之外在國(guó)際上還存在一些并沒有實(shí)現(xiàn)廣泛性利用的輕量化技術(shù)。例如20世紀(jì)70代在美國(guó)麻省理工大學(xué)研究出的半固態(tài)成型技術(shù)以及JFE鋼鐵研究公司所研究出的板材及管材電磁成形技術(shù)、JFE智能沖壓成型技術(shù)、多模點(diǎn)成型技術(shù)、美鋁合金超塑性成形技術(shù)等。這些技術(shù)雖然并沒有在實(shí)際的汽車輕量化中廣泛的使用，但是其在理論上以及實(shí)踐上都是具有很高的可行性的，并且也在發(fā)展之中不斷的實(shí)現(xiàn)自身的成熟和完善，進(jìn)而也推動(dòng)者整個(gè)汽車輕量化進(jìn)程的不斷推進(jìn)[4]。

2 新型材料

2.1 輕金屬材料

目前在汽車輕量化的道路上廣泛使用的輕質(zhì)金屬材料主要有鈦、鎂和鋁三種。

鈦金屬是一種銀白色的稀有過濾金屬，其在地球上的總含量相對(duì)較為豐富，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高以及耐腐性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，使用鈦金屬進(jìn)行汽車的制作，可在很大程度上減輕汽車的質(zhì)量，現(xiàn)階段鈦金屬在汽車的離合器、車輪、氣門座以及轉(zhuǎn)型齒輪等廣泛的被使用，但是鈦金屬缺點(diǎn)是價(jià)格很高，因此現(xiàn)階段在一般汽車中的應(yīng)用較少[5]。

鎂在汽車的制造中主要以合金的形式的使用，通常需要添加其他元素形成鎂合金使用。其優(yōu)點(diǎn)是具有很高的比彈性、質(zhì)量很低，以及散熱性較高的等優(yōu)點(diǎn)[2]?，F(xiàn)階段在汽車的方向盤柱、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋以及進(jìn)氣歧管等上有廣泛的使用，相對(duì)于鈦金屬而言，鎂的價(jià)格較低，因此在汽車制造中使用更為廣泛[6]。但是鎂合金在其種類上較少，并且價(jià)格相對(duì)也較高，同時(shí)其高溫以及抗蠕變性能較差，并且零件的后處理工序也較為復(fù)雜，同時(shí)也容易受到酸性物質(zhì)的腐蝕。因此要實(shí)現(xiàn)鎂金屬的進(jìn)一步在汽車輕量化上的廣泛使用還需要在價(jià)格以及制造工藝上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的突破。

鋁是一種銀白色的金屬，具備良好的延展性，并且在地球上的含量很高，具有耐腐蝕、易加工等諸多的優(yōu)點(diǎn)。目前在在汽車的連桿、油管、凸輪座等零部件商有廣泛的使用。但是鋁合金在其價(jià)格上是鋼材的三倍左右，并且在其零件制造過程上通常都需要使用壓鑄成型技術(shù)，該技術(shù)的工藝十分復(fù)雜；并且其制造具有較大的控制難度，在壓制成型技術(shù)使用中還極易出現(xiàn)縮孔、縮松以及形成氣孔等問題，故此其在制造中的報(bào)廢品較多，因此在成本上控制難度很大[7]。

2.2 非金屬材料

在輕量化汽車的制造中除了鈦、鎂、鋁等金屬材料被廣泛使用之外，一些非金屬材料也被廣泛的使用其中，例如：塑料、陶瓷等。塑料是其中使用最大的非金屬材料，塑料具有成較低，減重效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。目前在汽車的許多的零件都有廣泛的使用，例如把手、安全扣帶、電開關(guān)、車底板、托架、儀表板、刮雨器、門框、防凍板、保險(xiǎn)桿等均有塑料材料的使用[8]。碳纖維復(fù)合材料也是目前非金屬材料中，在汽車制造中使用較為廣泛的材料。其具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在汽車減重中的效果極佳。目前主要在汽車車架、摩擦片以及車身上廣泛的應(yīng)用，其中強(qiáng)度極高的有機(jī)碳纖維的復(fù)合材料甚至可以達(dá)到代替普通鋼材料的效果。

2.3 高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鋼材料

如果一塊合金鋼板其屈服強(qiáng)度大于140lgf/mm2、抗拉強(qiáng)度大于165kgf/mm2，那么該合金鋼板就是超高強(qiáng)度的鋼板。根據(jù)鋼版的合金化程度以及其顯微組織可以將其劃分為高合金、中合金、低合金、超低碳以及半奧氏體等。由于鈦、鎂等金屬其在地球上的含量有限，同時(shí)價(jià)格也很高，并且受到工藝的影響，雖然其在綜合性能上比普通鋼更好，但是卻難以實(shí)現(xiàn)完全代替普通鋼。然而高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鋼材料去可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)普通鋼材料的代替，并且其使用量更少，進(jìn)而達(dá)到汽車制造材料的降低?，F(xiàn)階段主要的高強(qiáng)度鋼材料主要通過冶煉和熱處理的方式來獲得，但是高強(qiáng)度鋼在制造中，具有成型度不高、回彈大等工藝上缺點(diǎn)，因此，其在汽車制造的沖壓、焊接的環(huán)節(jié)，必須通過熱沖壓伺服壓力機(jī)等方法進(jìn)行處理，這也在一定程度上增加了汽車制造的成本[9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，進(jìn)行汽車的輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)持續(xù)發(fā)展以及保護(hù)人類賴以生存的地球的必要措施，因此必須不斷的在汽車輕量化的道路上進(jìn)行研究。現(xiàn)階段主要應(yīng)用的新型汽車制造技術(shù)有拼接、裁剪工藝，液壓成型工藝以及內(nèi)高壓成形技術(shù)三種，而在汽車輕量化的材料上主要有鈦、鎂、鋁等輕質(zhì)的金屬材料，同時(shí)也包括一些非金屬材料以及強(qiáng)度很高的鋼材料。在汽車制造中可以經(jīng)過細(xì)致的分析，合理地進(jìn)行工藝和材料的選擇，實(shí)現(xiàn)汽車的最大化輕量化，并保障經(jīng)濟(jì)性。

[1] 劉艷，孫友松.材料加工技術(shù)創(chuàng)新與汽車輕量化[C].第三屆鍛壓裝備與制造技術(shù)論壇特種加工技術(shù)研討及產(chǎn)品信息交流會(huì)議論文匯編，2012，（20）：82-87.

[2] 方鯤，顧軼卓，劉建才，等.碳纖維增強(qiáng)（樹脂基）熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂的CAE分析[C].第十一屆先進(jìn)成型與材料加工技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集，2014，（20）：191-195.

[3] 趙嶺，王婷，梁明，等.機(jī)床結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].機(jī)床與液壓，2012，（15）：145-147.

[4] 王文暉.材料加工技術(shù)創(chuàng)新在汽車輕量化中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].科學(xué)與財(cái)富，2016，（4）：821-822.

[5] 胡平，劉文權(quán)，盈亮，等.高強(qiáng)度鋼熱成形理論、試驗(yàn)、仿真研究及在車身輕量化中的應(yīng)用[C].第十一屆先進(jìn)成型與材料加工技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集.2014，（3）：52-63.

[6] 王艷青，李軍，陳云霞，等.連續(xù)變截面薄板在汽車輕量化應(yīng)用中的新進(jìn)展[J].現(xiàn)代零部件，2013，（12）：43-45.

[7] 史東杰，劉偉波，王連波，等.乘用車懸架系統(tǒng)鋁合金應(yīng)用現(xiàn)狀[J].輕合金加工技術(shù)，2015，（6）：5-8.

[8] 曾大本.面向汽車輕量化材料加工技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向[J].現(xiàn)代鑄鐵，2010，（z2）：15-22.

[9] 方靜.切削深度對(duì)鋁合金加工過程影響的數(shù)值仿真[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2013，（20）：60.

Research on Technological Innovation of Material Processing and Light Weight of Automobile

Huang Qian-fei

With the continuous development of the automobile industry，the current trend of automobile development is the lightweight of automobile，so more and more new lightweight materials and processing technology are becoming more and more popular in automobile manufacturing materials.In this context，the article fi rst introduced，at this stage in the automotive manufacturing industry in the new molding process，and then analyzed the new light vehicle manufacturing materials.

automobile；material processing technology；innovation；automobile light weight

U466；U465

B

1003–6490（2017）03–0043–02

2017–03–01

黃前飛（1977—），男（苗族），主要研究方向?yàn)闄C(jī)械與電氣工程。