汽車白車身輕量化-鋁板技術(shù)的應(yīng)用

曹晨華，才佳，張一闖

汽車白車身輕量化-鋁板技術(shù)的應(yīng)用

曹晨華，才佳，張一闖

（一汽-大眾汽車有限公司天津分公司，天津 301500）

隨著環(huán)境污染、能源消耗日益加劇等問題的出現(xiàn)，汽車制造業(yè)對(duì)汽車車身的輕量化提出了更高的要求。鋁板技術(shù)的應(yīng)用在最大的程度上降低了轎車車身重量，對(duì)汽車輕量化做出了巨大的貢獻(xiàn)。文章介紹了鋁板技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合所在單位鋁板技術(shù)的應(yīng)用，闡述了鋁板材料的存儲(chǔ)、沖壓加工和鋁板零件返修過程中的注意事項(xiàng)等問題。

車身；輕量化；鋁板；沖壓

前言

隨著環(huán)境污染、能源消耗日益加劇等問題的出現(xiàn)，汽車制造業(yè)對(duì)汽車車身的輕量化提出了更高的要求。無論是整車廠還是零配件供應(yīng)商都在嘗試采用各種方式降低車身重量，如采用新材料、新的加工工藝等。對(duì)于白車身的減重而言，目前常用的技術(shù)如采用鋁板、激光拼焊板、TRB、熱成型、液壓成形、以及高強(qiáng)鋼，在降低車身重量的同時(shí)，也保障和提高了車身的安全性能。其中綜合比較成熟技術(shù)中，鋁板技術(shù)的應(yīng)用在最大的效果上降低了轎車車身重量，對(duì)汽車車身輕量化做出了巨大的貢獻(xiàn)。 各種材料對(duì)車身減重的貢獻(xiàn)見表1所示。

1 鋁板在汽車制造中的優(yōu)缺點(diǎn)概述

奧迪公司是最早采用鋁合金材料做車身材料的整車廠，其中Audi A8全鋁車身達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的 546kg鋁件，質(zhì)量減輕15%，耗油量降低5~8%。秉承奧迪的造車?yán)砟?，鋁合金材料在一汽-大眾的汽車制造中被廣泛的應(yīng)用在翼子板、門板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李箱蓋等重要零件上。

1.1 鋁板存在一定的缺點(diǎn)

1.1.1 成形性差

鋼板與鋁板的成形極限曲線比較圖見圖1所示。

1.1.2 延伸率低

多數(shù)汽車用鋁合金板總延伸率遠(yuǎn)低于冷軋鋼板，甚至只能達(dá)到前者的一半。

表1 各種材料對(duì)車身減重的貢獻(xiàn)

1.1.3 低熔點(diǎn)、低屈服強(qiáng)度、低厚向異性指數(shù)，不利于成形

1.1.4 機(jī)械強(qiáng)度低、抗凹性差

除6XXX系部分鋁合金的強(qiáng)度較高外，其他系列鋁合金板的強(qiáng)度都明顯低于鋼板，并且抗凹性較差。

1.1.5 焊接性能低、結(jié)合部位抗腐蝕性能差

1.1.6 成本高

無論是鋁板本身的單件價(jià)格還是模具制造費(fèi)用、設(shè)備及生產(chǎn)的成本投入都比鋼板的成本要高。

圖1 鋼板與鋁板的成形極限曲線比較圖

1.2 與鋼板相比，鋁合金材料有以下一些優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 回收率高

國(guó)外可達(dá)80%以上，60%以上的車用鋁合金為再生鋁，回收生產(chǎn)1t鋁合金比重新生產(chǎn)1t鋁合金少耗能95%。

1.2.2 投資少、減重效果明顯

鋁合金加工設(shè)備投資比鋼鐵少、車身減重效果顯著（鋁板的設(shè)計(jì)厚度要比鋼板的厚，減重效果可以達(dá)到20%-50%）。

1.2.3 防腐性能優(yōu)異

2 鋁板在一汽-大眾車型中的應(yīng)用

一汽-大眾應(yīng)用鋁板的車型包括Audi T99、Audi X89、Audi X77/X77NF、Audi W66/W77等，這些車型從2011年中期開始調(diào)試并陸續(xù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。圖2為Audi X77NF前蓋內(nèi)外板鋁板零件，其重量?jī)H為3.9kg和2.7kg。因?yàn)?000系列的鋁合金材料具有可熱處理強(qiáng)化，成形性好、耐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高和較好的耐高溫性能，上述車型的沖壓自制件采用的鋁合金材料均為6000系列合金，這些材料的供應(yīng)商為瑞士的Novelis和比利時(shí)的Aleris。

2.1 6000系列鋁合金材料的可熱處理性能

6000系列鋁合金材料成分主要為鋁鎂硅，與5000系鋁合金不具備可熱處理強(qiáng)化相比，6000系合金可以在鋁件經(jīng)過油漆車間180°、20分鐘加熱之后進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，即鋁件的強(qiáng)度有非常大的提升。這種可熱處理的時(shí)效強(qiáng)化可以大幅度的提高制件的塑性而不降低產(chǎn)品的強(qiáng)度，因而被廣泛的應(yīng)用于沖壓件的生產(chǎn)中。

然而6000系列的鋁合金性能在6個(gè)月內(nèi)也會(huì)隨著自然時(shí)效而發(fā)生較大的變化，其中屈服強(qiáng)度和材料的壓合性能變化較大。在實(shí)際應(yīng)用過程中，要盡可能快的使用鋁板，因?yàn)樯a(chǎn)制造時(shí)間越短，鋁板的塑性和壓合性能越好，越有利于沖壓和壓合的進(jìn)行。同時(shí)，對(duì)于倉儲(chǔ)而言，也要做到盡量先進(jìn)先出的原則，以免造成浪費(fèi)。

圖2 Audi X77NF前蓋內(nèi)外板鋁件

2.2 鋁板的表面結(jié)構(gòu)-EDT表面

EDT表面即電火花毛糙結(jié)構(gòu)的表面，與之相對(duì)應(yīng)為Mill Finish的表面，即鋁板經(jīng)過軋制之后未進(jìn)行處理的光面表面，二者的具體形態(tài)見圖3所示。汽車鋁板應(yīng)用約95%的鋁板為EDT表面，Ra值 1.0 +/- 0,3 μm。EDT表面與MF表面相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）EDT表面為準(zhǔn)各項(xiàng)同性，即各個(gè)方面的性能差異不大，因而具有良好的油漆表面質(zhì)量，同時(shí)對(duì)于成形而言沒有方向的影響。

（2）EDT表面毛糙處理后的微觀凹坑能夠儲(chǔ)存更多的潤(rùn)滑劑，從而更有利于成形，在沖壓車間進(jìn)行鋁板的拆垛時(shí)易于分離，減少?zèng)_壓件脫模的困難，具有更穩(wěn)定的沖壓參數(shù)。

圖3 EDT表面與Mill Finish表面形態(tài)對(duì)比

2.3 鋁板表面采用固態(tài)潤(rùn)滑劑

與鋼板表面采用液態(tài)潤(rùn)滑劑不同，一汽-大眾鋁合金材料表面采用的是固態(tài)潤(rùn)滑劑。固態(tài)潤(rùn)滑脂有水基潤(rùn)滑脂和非水基潤(rùn)滑脂（熱熔）兩種，福斯的PL39SX屬于熱熔的固態(tài)潤(rùn)滑脂。水基潤(rùn)滑脂即為潤(rùn)滑脂噴射在鋁板表面后需要將水烘干，非水基潤(rùn)滑脂（熱熔）即為潤(rùn)滑脂在加熱狀態(tài)下變?yōu)橐簯B(tài)，經(jīng)過冷卻后與鋁板表面結(jié)合。 固態(tài)潤(rùn)滑脂具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）固態(tài)潤(rùn)滑脂有較好的成形性能

（2）固態(tài)潤(rùn)滑脂有較低的摩擦系數(shù)

（3）拆垛時(shí)易分離

（4）潤(rùn)滑脂厚度均勻不易流動(dòng)

（5）防腐保護(hù)較好

（6）焊裝粘膠前不需要清理

3 鋁板在實(shí)際應(yīng)用中的問題和應(yīng)對(duì)措施

3.1 鋁合金材料的倉儲(chǔ)

因鋁合金材料自然時(shí)效材料性能變化較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。鋁合金材料的最好保存時(shí)間為15℃-18℃，如果在寒冷的冬天，材料在室外存放超過半個(gè)小時(shí)，在沖壓加工之前需要在沖壓車間內(nèi)存放2天，待材料達(dá)到室溫之后，方可進(jìn)行加工。

圖4 6000系鋁合金性能隨著溫度變化情況

3.2 鋁板在沖壓冷加工過程中存在的主要問題和應(yīng)對(duì)措施

（1）鋁件由于厚度大、速度低，沖程次數(shù)較鋼要低1-2次/分鐘。

（2）模具表面光潔度、垂直度、對(duì)板料表面油量的要求都比鋼件高。

（3）由于鋁板較輕，易在壓完件后帶件，需要加頂料銷，加大通氣孔。

（4）鋁件模具維護(hù)和維修成本遠(yuǎn)高于鋼件模具。

（5）對(duì)于拉延模，鋁件工藝補(bǔ)充相對(duì)比較多，拉延筋為圓筋，R角較大。

（6）對(duì)于修邊模，因?yàn)殇X板較輕，廢料下滑困難，滑廢料要保持通暢。

（7）對(duì)于翻邊模和整形模，采用盡可能窄的壓料面，考慮采用吹氣或吸氣的辦法來除料屑。

（8）模具料屑是鋁件生產(chǎn)的嚴(yán)重問題，沖孔和修邊凸模上設(shè)計(jì)-2°的角度可以防止料屑堆積造成模具崩刃，每次批量生產(chǎn)后需要進(jìn)行模具的清擦，且在保證排廢料的基礎(chǔ)上，盡可能用大的廢料刀。圖5為Audi X77NF車型的前蓋沖孔修邊模具。

（9）刃口切入要盡可能的淺，且刃口間隙比鋼件模具大。

圖5 Audi X77NF前蓋修邊沖孔模

3.3 鋁板零件的返修

鋁板在打磨過程中，極微小的干燥鋁粉顆粒能懸浮在空氣中。這種鋁粉顆粒在空氣中達(dá)到一定的濃度時(shí)，遇到火源極易產(chǎn)生爆燃，存在較大的安全隱患。因此，鋁板零件的返修場(chǎng)地必須設(shè)置在敞開環(huán)境，保持通風(fēng)，最好建造專用鋁件返修間。一汽-大眾所有鋁件的返修都在專業(yè)的返修間內(nèi)進(jìn)行。如圖6所示，房間采用低壓排風(fēng)，具有較高的安全性。同時(shí)編制了詳細(xì)的安全操作指導(dǎo)說明書如圖7所示。

圖6 鋁板零件返修間

圖7 鋁板零件返修說明書

4 鋁板應(yīng)用展望

鋁合金材料在白車身上的應(yīng)用是汽車發(fā)展史上的巨大進(jìn)步，就目前的生產(chǎn)工藝而言，整車廠還存在很多的困難需要去克服，比如鋁合金材料固態(tài)潤(rùn)滑劑的涂覆均勻性的保證問題、需要在焊裝車間增加酸洗鈍化工藝步驟，鋁合金材料在6個(gè)月內(nèi)因自然時(shí)效材料性能變化較大等。但是，出于環(huán)保和節(jié)能等需要，輕量化已是汽車今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。而隨著新能源汽車的突飛猛進(jìn)，輕量化更是重中之重。隨著鋁合金材料研發(fā)的不斷進(jìn)步，尤其是7000系高強(qiáng)度鋁板的開發(fā)，鋁合金材料一定會(huì)在汽車輕量化方面做出更大的貢獻(xiàn)，并且被越來越廣泛的應(yīng)用！應(yīng)重點(diǎn)從制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備和管理等多角度研究降低成本措施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋁板材的大批量生產(chǎn)與應(yīng)用。

Car Body Lightweight--Application of Aluminum Plate Technology

Cao Chenhua, Cai Jia, Zhang Yichuang

（Series planning FAW-Volkswagen Automotive co. LTD. Tianjin Branch, Tianjin 301500）

With the emergence of problems such as environment pollution and energy consumption increasing, the car-manufacturing industry has put forward higher requirements for the lightweight of car-body. The application of aluminum plate technology has reduced the weight of car body to the greatest extent and made great contribution to the lightweight of car. This paper introduces the advantages and disadvantages of aluminum plate technology, and expounds the problems including material storage, stamping process and repairing process of aluminum plate parts combining with the application of aluminum plate technology in Faw-vw.

Car Body; Lightweight; Aluminium plate; Stamping

B

1671-7988(2019)21-130-03

U466

B

1671-7988(2019)21-130-03

曹晨華，規(guī)劃工程師，就職于一汽-大眾汽車有限公司天津分公司，負(fù)責(zé)沖壓工藝制定，產(chǎn)品項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)管理。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.046

CLC NO.:U466