汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀

強(qiáng)薇 王小林 葛平

摘要：在現(xiàn)實(shí)生活中，節(jié)能環(huán)保、安全舒適、智能通信已經(jīng)是汽車技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，更是汽車可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵所在。隨著人們對(duì)環(huán)境重視度的加強(qiáng)，對(duì)于汽車高性能、高環(huán)保、高安全的研究已經(jīng)是當(dāng)下重要問(wèn)題。降低汽車自重是汽車降低燃耗、減少排放的有效可行方式之一。要實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)，就要注重高強(qiáng)度鋼、輕質(zhì)材料、復(fù)合材料、工程塑料等材料的運(yùn)用，再運(yùn)用現(xiàn)代化的制造工藝，從而實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化材料；制造工藝；研究現(xiàn)狀

1.汽車輕量化研究和分析

1.1汽車輕量化研究

汽車輕量化技術(shù)作為一種全新技術(shù)，主要由汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和輕量化材料的使用兩個(gè)部分組成。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)是保證汽車現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)，不僅注重外形，更注重性能。在現(xiàn)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化一般采用前輪驅(qū)動(dòng)、高剛性結(jié)構(gòu)、超懸架結(jié)構(gòu)等來(lái)達(dá)到相應(yīng)的輕量化目的。在用材方面可以運(yùn)用輕量化材料替代或者采用新材料以便達(dá)到汽車輕量化的目的和要求。

1.2汽車輕量化取決于汽車材料

減少汽車的車身重量不僅有助于減少汽車的總體重量，還有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功率。要實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，首先要在汽車制造材料找到相應(yīng)的突破口，具體而言，所采用的材料主要有一下幾種：第一種，使用密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料，例如鋁鎂合金、塑料聚合物、陶瓷材料等。第二種，使用同密度、同彈性模量而且工藝性能比較好的界面厚度較薄的高強(qiáng)度鋼。第三種，使用基于新材料加工技術(shù)而形成的輕量化結(jié)構(gòu)用材，如金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等。

2.汽車輕量化材料

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的汽車輕量化，保證汽車設(shè)計(jì)的安全性能一直以來(lái)是汽車領(lǐng)域的重要問(wèn)題。要促進(jìn)現(xiàn)代汽車輕量化發(fā)展，必須要采用輕質(zhì)化、高性能替代材料和新成型工藝，使汽車設(shè)計(jì)更加符合現(xiàn)代化的要求。在汽車領(lǐng)域中，除了常見的新型高強(qiáng)度鋼、輕合金材料等材料之外，本文主要介紹在汽車領(lǐng)域中最新使用比較頻繁的材料。第一種是纖維增強(qiáng)材料。纖維增強(qiáng)材料主要由玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等增強(qiáng)纖維材料，與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞，模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。樹脂基體多種多樣，主要包括PP、PA6、PA66、PBT等，具有比強(qiáng)度高、比模量大、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗腐蝕性好、耐久性好等特點(diǎn)，主要用在汽車前段模板、護(hù)板、托盤、支架等位置，能保持產(chǎn)品成型穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以塑代鋼，從而為汽車減重，在汽車改進(jìn)過(guò)程中具有劃時(shí)代的意義。第二種是低密度PP材料。PP是所有合成樹脂中密度最小的，僅為0.90～0.91g/cm，拉伸強(qiáng)度和剛性都比較好，但沖擊強(qiáng)度較差，特別是低溫時(shí)耐沖擊性差。此外，如果制品成型時(shí)存在取向或應(yīng)力，沖擊強(qiáng)度也會(huì)顯著降低。雖然抗沖擊強(qiáng)度差，但經(jīng)過(guò)填充或增強(qiáng)等改性后其機(jī)械性能在許多領(lǐng)域可與成本較高的工程塑料相競(jìng)爭(zhēng)。若是在汽車輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，運(yùn)用低密度PP材料，具有較低密度、較高彎曲模量和高沖擊強(qiáng)度等特點(diǎn)，運(yùn)用在汽車保險(xiǎn)桿、儀表板、門板等部件具有顯著的減重效果，其耐刮擦性能和著色性能更佳。第三種是工程塑料。工程塑料具有質(zhì)輕、防銹、吸震、可設(shè)計(jì)自由大等特點(diǎn)，運(yùn)用在汽車零部件、內(nèi)飾部件具有顯著效果。隨著現(xiàn)代汽車研究的不斷加深，工程塑料在汽車上的用量越來(lái)越普遍，甚至超過(guò)了鑄鐵的用量。很多塑料零件應(yīng)用于車身上，比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車子有塑料的后地板等等。第四種是低VOC綠色環(huán)保材料。在傳統(tǒng)的汽車材料中，運(yùn)用在汽車內(nèi)飾部件的揮發(fā)性有機(jī)化合物，簡(jiǎn)稱為“VOC”，是影響車內(nèi)空氣質(zhì)量的主要原因之一。這種物質(zhì)帶有強(qiáng)烈的揮發(fā)性，主要是由烷烴、烯烴、芳烴、乙醛或酮類等物質(zhì)組成，沸點(diǎn)通常在50℃～260℃的范圍之內(nèi)。一旦汽車內(nèi)部的溫度過(guò)高，這些物質(zhì)就會(huì)揮發(fā)形成霧翳并凝結(jié)在前擋風(fēng)玻璃上，直接阻礙駕駛?cè)藛T的視線。同時(shí)，這些物質(zhì)還能產(chǎn)生異味，導(dǎo)致人出現(xiàn)頭暈?zāi)垦?、干咳不適、過(guò)敏嚴(yán)重等不良反應(yīng)，對(duì)駕駛?cè)藛T的身體健康造成嚴(yán)重?fù)p壞。低VOC材料是通過(guò)使用高純度、高熱氧穩(wěn)定的添加劑，采用合適的工藝減少聚合物和助劑的降解，使用真空、添加劑吸附等手段實(shí)現(xiàn)低VOC，對(duì)于改善汽車室內(nèi)環(huán)境顯得尤為重要。

3.先進(jìn)輕量化制造工藝

3.1激光拼焊板成型技術(shù)

對(duì)于汽車輕量化而言，激光拼焊板成型技術(shù)具有非常高的地位，汽車底板、側(cè)圍、尾門內(nèi)板、輪罩等各類零部件的成型都無(wú)法離開此種技術(shù)的應(yīng)用。此種技術(shù)于板材加工的過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)及厚度鋼板焊接在一起的目的，可大幅度降低搭邊等各類因素引發(fā)的資源浪費(fèi)問(wèn)題，提升了材料的使用率，所以被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。激光拼焊板成型技術(shù)相比點(diǎn)焊等傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯。第一，將不同厚度與不同材質(zhì)的材料焊接在一起的同時(shí)可以將其各自優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮，進(jìn)而對(duì)車身的理學(xué)性能進(jìn)行改善，汽車強(qiáng)度大幅度提升的同時(shí)質(zhì)量減輕；第二，加工過(guò)程中所需的模具數(shù)量大量減少，進(jìn)而起到成本節(jié)約的目的；第三，降低了搭邊等各類因素引發(fā)的材料浪費(fèi)問(wèn)題，材料利用率得到提升的同時(shí)優(yōu)化了零件結(jié)構(gòu)。

3.2熱成型技術(shù)

熱成型技術(shù)近些年來(lái)逐漸發(fā)展為汽車輕量化進(jìn)程推進(jìn)過(guò)程中不可缺少的一種技術(shù)，在汽車衡量以及加強(qiáng)版等重要零件中應(yīng)用非常普遍。熱成型技術(shù)的原理是將鋼材加熱至奧氏體狀態(tài)后再進(jìn)行加工，此種方式可以對(duì)材料的成型性能進(jìn)行有效改善，其加工的零件無(wú)論是延展性還是強(qiáng)度都有一定程度的良性變化，不僅質(zhì)量更輕而且沖壓性能也更加理想。與傳統(tǒng)冷沖壓相比熱成型工藝具有眾多優(yōu)勢(shì)：第一，回彈更小，可以大幅度提升加工零件的尺寸精度；第二，加工零件更薄，汽車重量大幅度降低；第三，塑性和延展性提升，可對(duì)更加復(fù)雜的零件進(jìn)行加工；第四，降低了板料的變形抗力，可在沖壓時(shí)降低沖壓機(jī)的噸位，進(jìn)而成本得以節(jié)省。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，時(shí)代的發(fā)展促進(jìn)了汽車產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，汽車制造的輕量化技術(shù)也在不斷成熟。在這個(gè)過(guò)程中，需要加大資金投入，開發(fā)新型輕量化材料技術(shù)，解決輕量化過(guò)程中的技術(shù)難題，并結(jié)合綠色節(jié)能及信息化技術(shù)，促進(jìn)汽車輕量化的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]郭玉琴，朱新峰，楊艷，熊倪.汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀[J].鍛壓技術(shù)，2015，40（03）：1-6.

（作者單位：江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）