汽車車身覆蓋件技術(shù)現(xiàn)狀和制造工藝發(fā)展

鐘良輝 郭華金

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

主題詞：車身覆蓋件 沖壓 壓鑄 一體化 輕量化

縮略語(yǔ)

CFD Computational Fluid Dynamics

TWIP Twinning Induced Plasticity Steel

CAN Controller Area Network

TRB Tailor Rolled Blank

1 引言

目前我國(guó)汽車生產(chǎn)總量逐年增加，同時(shí)保持多年全球汽車銷量第一。汽車的需求量增加直接導(dǎo)致汽車產(chǎn)量和報(bào)廢車數(shù)量的增加，間接對(duì)汽車生產(chǎn)工藝、環(huán)境、能源、材料方面都帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[1-2]。

汽車車身質(zhì)量在整個(gè)汽車的總質(zhì)量中占比約40%～50%。從汽車外形來(lái)看，汽車的車身在面積上基本覆蓋了整個(gè)汽車[3]。因?yàn)槠囓嚿頍o(wú)論是在質(zhì)量方面還是在汽車覆蓋面積方面都分別占據(jù)了整個(gè)汽車質(zhì)量和面積的絕大部分。所以在汽車研發(fā)過(guò)程對(duì)車身的研發(fā)會(huì)需要很多投入，而車身生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)耗費(fèi)大量能源，因此在汽車車身生產(chǎn)技術(shù)的傳承的基礎(chǔ)上，車身技術(shù)發(fā)展需要加快新技術(shù)突破[4]。

2 車身覆蓋件發(fā)展現(xiàn)狀

目前看來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)車身覆蓋件的關(guān)注情況還是熱度不減，主要集中在以下5個(gè)方面，如圖1所示。其中，輕量化是多種發(fā)展方向共同追求的目的。文章圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、行李箱蓋以及車門的外形、連接技術(shù)、材料進(jìn)行現(xiàn)狀概述，著重對(duì)沖壓和壓鑄工藝進(jìn)行概述和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)研究。

2.1 覆蓋件外形

汽車車身覆蓋件是汽車與空氣接觸面積最大的部分，車身覆蓋件的設(shè)計(jì)讓汽車外形更加貼合汽車空氣動(dòng)力學(xué)，讓汽車外形更具有科技感，同時(shí)迎合大眾審美。陳承杰等[5]設(shè)計(jì)了一種類似孔雀開屏的汽車尾翼，通過(guò)CFD模擬驗(yàn)證了該尾翼在汽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生下壓力的效果，做出了性能評(píng)價(jià)。張震等[6]通過(guò)對(duì)現(xiàn)有跑車外形進(jìn)行三維建模和對(duì)模型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)局部?jī)?yōu)化達(dá)到了降低空氣阻力的目的。Alessandro Ferraris等[7]通過(guò)設(shè)定位于汽車輪罩的空氣流量控制裝置，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的方式對(duì)城市客車空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。在空氣動(dòng)力學(xué)方面，主要通過(guò)優(yōu)化汽車覆蓋件外形、增加尾翼、局部增加裝置調(diào)整空氣阻力、隱藏式門把手、電子后視鏡的方式優(yōu)化汽車空氣動(dòng)力學(xué)。

汽車覆蓋件中發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋和尾廂蓋板外形發(fā)展來(lái)看，最初的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋和行李箱蓋屬于方正外形，如來(lái)自1930年的雪鐵龍Traction Avant宣傳海報(bào)上的雪鐵龍Traction汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋，如圖2a所示。雪鐵龍C6車型，如圖2b所示。雪鐵龍C6汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋在外形上更符合汽車空氣動(dòng)力學(xué)，設(shè)計(jì)趨向低趴、扁平和過(guò)渡光順。

在滿足結(jié)構(gòu)和功能性的前提下，提升對(duì)汽車外形審美的設(shè)計(jì)水平。以轎車為列，如國(guó)內(nèi)某自主汽車廠商的2012款車型到2022款新車型，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋和行李箱蓋方面都有呈現(xiàn)向過(guò)渡光順、低趴式的趨勢(shì)發(fā)展，車型上溜背汽車外形更加突出和采用了開口空間更大的掀背式尾門，通過(guò)邊緣檢測(cè)，如圖3所示[9-11]。

此外，科技感也很重要，部分車輛外形部件增加科技感，比如帶顯示功能的車燈、隱藏式后視鏡等。

2.2 輕量化

在2016年10月中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中顯示，到2030年要大幅度增加高強(qiáng)度鋼應(yīng)用，單車用鋁合金超過(guò)350 kg，碳纖維超過(guò)總質(zhì)量的5%，此次會(huì)議上展示了輕量化技術(shù)，預(yù)計(jì)從2015年到2030年，實(shí)現(xiàn)從18%到40%的減重目標(biāo)。在2020年修訂的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中，輕量化被列為九大技術(shù)方向之一，預(yù)計(jì)2035年燃油乘用車整車輕量化系數(shù)降低25%，純電動(dòng)乘用車整車輕量化系數(shù)降低35%[12]。

車身輕量化通過(guò)降低車身的質(zhì)量達(dá)到降低能源消耗和降低產(chǎn)生污染物的目的，輕量化研究方向主要圍繞輕質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造技術(shù)、鋁合金和高強(qiáng)度鋼以及塑料應(yīng)用進(jìn)行展開[13]。王童等[14]通過(guò)建立城市客車車身模型，對(duì)其進(jìn)行多工況分析以及多方向結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到輕量化的目的。韋學(xué)軍等[15]基于碰撞角度，從碰撞結(jié)果對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這樣既得到了安全性，又達(dá)到了輕量化目的。高豐嶺等[16]通過(guò)將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到汽車車身，達(dá)到了降低車身質(zhì)量的目的。Martin Ivanjko通過(guò)使用新型高強(qiáng)韌鋼材（Twinning Induced Plasticity Steel，TWIP），同時(shí)應(yīng)用新型連接釘進(jìn)行連接，二者共同配合達(dá)到降低了車身質(zhì)量的目的[17]。采用全鋁車身相對(duì)于鋼材可以達(dá)到減重40%以上。輕質(zhì)材料的制造工藝研究和輕質(zhì)材料典型部件的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和研究相關(guān)輕量化指數(shù)都可以作為研究的方向[18]。

2.3 沖壓及壓鑄技術(shù)

車身覆蓋件多數(shù)由內(nèi)外板組成，外板通常為A面，對(duì)表面質(zhì)量要求高，目前由于沖壓技術(shù)的相對(duì)成熟、沖壓設(shè)備的完善和模具生產(chǎn)設(shè)備的完善，所以車身覆蓋件成形工藝最多的仍然是沖壓成形。為了優(yōu)化沖壓產(chǎn)品的減薄率情況以及表面起皺情況，主要集中在對(duì)沖壓成形工藝參數(shù)、回彈方面進(jìn)行研究。王康康等[19]將正交試驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入汽車行李箱蓋沖壓成形過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)沖壓參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和遺傳算法優(yōu)化，獲得了提高沖壓成形產(chǎn)品質(zhì)量的多參數(shù)組合結(jié)果。曹琳琳等[20]針對(duì)U形較薄產(chǎn)品進(jìn)行沖壓成形回彈控制，確定了影響回彈的主要因素，同時(shí)對(duì)這些因素進(jìn)行控制，最終降低了回彈。沖壓仿真過(guò)程主要還是集中在對(duì)壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、沖壓深度和拉延筋布局方面的調(diào)整，通過(guò)正交試驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法以達(dá)到降低起皺和優(yōu)化減薄率的目的。

壓鑄技術(shù)出現(xiàn)約在19世紀(jì)20年代，因?yàn)槠浔旧砜梢灾苯颖苊鉀_壓過(guò)程中遇到的起皺、R角、負(fù)角和模具出現(xiàn)互相干涉的問(wèn)題，所以對(duì)壓鑄的研究也是在逐漸深入。因?yàn)閴鸿T主要研究方向集中在優(yōu)化壓鑄產(chǎn)品的成形內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，所以主要研究壓鑄的工藝參數(shù)、壓鑄流道、模具和冷卻。

如今特斯拉公司和沃爾沃汽車公司開始將其壓鑄技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，在國(guó)內(nèi)建立大型壓鑄車間，用于生產(chǎn)汽車零部件，并且有意愿應(yīng)用于一體式汽車車身生產(chǎn)[21]。Kurtulus等[22]通過(guò)建模和設(shè)定隨形冷卻的模具結(jié)構(gòu)，獲取到了更加均勻分布的模具表面溫度，相對(duì)降低了冷卻時(shí)間，獲得了擁有更好質(zhì)量的成形產(chǎn)品。牛志超等[23]將高壓壓鑄應(yīng)用于薄壁件進(jìn)行了可鑄造性、缺陷和力學(xué)性能方面的研究，得到了產(chǎn)品屈服強(qiáng)度和延伸率二者與澆道遠(yuǎn)近的位置關(guān)系，并且得到了大型薄壁件壓鑄產(chǎn)品容易在力學(xué)性能不均勻性方面出現(xiàn)問(wèn)題的結(jié)論?？傮w而言，本文在車身覆蓋件成形技術(shù)方面分析結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.4 連接技術(shù)

汽車車身目前還是采用多零件拼接而成，因此需要較好的連接工藝。提升連接工藝的技術(shù)手段也可以達(dá)到輕量化的目的、降低材料成本、人力成本和時(shí)間成本。

目前，汽車車身連接主要采用焊接、鉚接、粘接方式進(jìn)行連接，同時(shí)采用多種焊接結(jié)合的方式，在最新一代的奧迪A8全鋁汽車上應(yīng)用了14種焊接技術(shù)，其中包括激光焊等8種熱連接技術(shù)和沖鉚連接等6種冷連接技術(shù)。

車身焊接主要包含電阻焊、電弧焊、激光焊接等。電阻焊通過(guò)局部電流產(chǎn)生電阻熱的方式將局部工件熔化，熔化的部位進(jìn)行熔化焊接，具有焊接質(zhì)量好和焊接速度快的優(yōu)點(diǎn)。電弧焊通過(guò)電焊絲與部件之間的電弧作為熱源進(jìn)行焊接，并且同時(shí)需要一定的保護(hù)氣體，比如二氧化碳。激光焊接是一種較新的焊接技術(shù)，利用激光束作為熱源進(jìn)行焊接。因?yàn)槠浜附淤|(zhì)量好、耗時(shí)短、節(jié)省材料、焊接件不易變形的優(yōu)勢(shì)被廣泛使用于汽車車身焊接[24]。

焊接也會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成一定的質(zhì)量影響，因此對(duì)焊接也進(jìn)行一定的技術(shù)優(yōu)化。趙建姣等[25]將激光飛行焊接技術(shù)應(yīng)用到白車身車門，飛行焊接指的是激光焊頭通過(guò)CAN總線的方式與機(jī)器人通訊，實(shí)現(xiàn)激光飛行焊接的功能。通過(guò)試驗(yàn)證明了飛行激光焊接的可行性，也獲取了相應(yīng)的影響參數(shù)，為此技術(shù)的發(fā)展提供了優(yōu)化方向。

鉚接比焊接在車身上的應(yīng)用較少，主要有自穿釘鉚接、無(wú)鉚釘自穿鉚接和壓力穿刺鉚。目前中國(guó)重汽集團(tuán)將螺母沖鉚工藝應(yīng)用到汽車白車身連接工藝中，驗(yàn)證了此工藝裝配精度高、工件變形小、節(jié)能環(huán)保、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化目的。

粘接車身技術(shù)是用結(jié)構(gòu)膠粘實(shí)現(xiàn)車身粘接。結(jié)構(gòu)膠指強(qiáng)度高、能承受較大荷載，且耐老化、耐疲勞、耐腐蝕，并在預(yù)期壽命內(nèi)性能穩(wěn)定、適用于承受大載荷結(jié)構(gòu)件粘接的膠粘劑[26]。張士展等[27]對(duì)車身結(jié)構(gòu)膠性能進(jìn)行了仿真，通過(guò)多種試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)膠失效進(jìn)行模擬驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)膠常常用于車上的塑料件粘接，在車身連接制造技術(shù)上的應(yīng)用仍處于探索階段。

2.5 材料

汽車車身使用材料以鋼材、有色金屬鋁材料、非金屬為主要使用材料，汽車車身用主要材料分類如下表1。

表1 車用車身主要材料分類表[28]

車身材料從最初的鐵質(zhì)材料，已經(jīng)發(fā)展到鋁質(zhì)材料和合金材料。研究汽車車身材料主要為了提高車身的力學(xué)性能以及降低車身質(zhì)量[29]。汽車車身材料主要為鋼、常規(guī)合金、工程塑料和復(fù)合材料?，F(xiàn)階段車身使用量最大的材料是鋼板，并且針對(duì)車身不同部件采用不同的鋼板。對(duì)車身面部件采用延伸性、耐腐蝕、抗凹陷性都較好的鋼材，對(duì)結(jié)構(gòu)件采用吸能性好、同時(shí)還具有一定剛性、耐腐蝕好的材料，將這些構(gòu)件良好地組合在一起可以達(dá)到輕量化和提升力學(xué)性能的效果。

有色金屬中的鋁合金最大的優(yōu)點(diǎn)就是密度低，能夠大幅度降低車身質(zhì)量，同時(shí)在結(jié)構(gòu)布局合理的前提下，還能滿足一定的力學(xué)性能，相對(duì)鋼制產(chǎn)品還會(huì)具有更好的吸能性能。鋁合金車身在目前應(yīng)用于全鋁車身車型，比如特斯拉Model S、路虎攬勝、ES8，凱迪拉克CT6則采用鋼和鋁合金混合車身，如寶馬6系發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋等開閉合件為鋁，其余結(jié)構(gòu)為鋼材。劉雅芳等[30]將代號(hào)為6082的鋁合金材料應(yīng)用于車門，通過(guò)碰撞分析軟件對(duì)其模型進(jìn)行碰撞受力分析，最終達(dá)到了降低產(chǎn)品質(zhì)量的目的，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，比原鋼制產(chǎn)品具有更好的吸能效果。

當(dāng)前汽車車身覆蓋件已經(jīng)采用了部分塑料件，比如保險(xiǎn)杠、前擋板、門板框等。工程塑料因其具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐熱和耐寒、可塑性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，所以考慮將其使用在汽車車身，目的主要是為了汽車輕量化[31]。工程塑料在解決成本問(wèn)題之后，在輕量化方面明顯優(yōu)于現(xiàn)有車身材料?，F(xiàn)階段國(guó)外通用汽車已經(jīng)研發(fā)出適合車身板料的工程塑料。沃爾沃汽車一直堅(jiān)持環(huán)保，曾宣稱2025年再生塑料在汽車上應(yīng)用將達(dá)到25%。2018年在哥德堡舉行的沃爾沃環(huán)球帆船賽中，演示的汽車中包含170個(gè)組件，由總計(jì)60 kg的再生塑料制成[32]。

復(fù)合材料種類繁多，車身上使用的復(fù)合材料主要是指的是碳纖維復(fù)合材料，碳纖維具有輕量化、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。碳纖維材料現(xiàn)在最大的難點(diǎn)就是成本問(wèn)題，需要在碳纖維材料的生產(chǎn)技術(shù)方面加大研究力度。徐作文等[33]將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到汽車車門，對(duì)碳纖維材料進(jìn)行了層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鋪層，對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)性能仿真，驗(yàn)證了剛度、強(qiáng)度方面的提升效果，達(dá)到了輕量化目標(biāo)。

3 成形技術(shù)

車身覆蓋件成形工藝是降低生產(chǎn)節(jié)拍、減少人工成本、減少原材料浪費(fèi)、減少模具使用套數(shù)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

雖然沖壓技術(shù)比較成熟，但是沖壓技術(shù)存在工序繁瑣、模具套數(shù)較多、材料利用率相對(duì)不夠高的缺點(diǎn)[34]。沖壓技術(shù)圍繞研究壓邊力、摩擦因數(shù)、沖壓速度相關(guān)工藝參數(shù)，采用正交試驗(yàn)或者傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的遺傳算法以及其它多目標(biāo)優(yōu)化算法，獲取工藝參數(shù)之間的最優(yōu)組合來(lái)達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量的目的。沖壓過(guò)程不僅涉及提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)該從模具方面入手，對(duì)模具成本進(jìn)行控制，可采用拓?fù)鋬?yōu)化手段對(duì)模具進(jìn)行輕量化優(yōu)化，研究低成本模具材料，可將部分強(qiáng)度較高的塑料引入制造受力較小的模具。

從壓鑄工藝來(lái)看，壓鑄可以避免工序復(fù)雜和模具套數(shù)較多和材料利用率低的問(wèn)題。壓鑄技術(shù)在尺寸參數(shù)方面對(duì)壓鑄對(duì)象要求高，所以對(duì)于薄壁件而言，壓鑄應(yīng)用還是相對(duì)較少的。壓鑄技術(shù)目前還是多應(yīng)用于強(qiáng)度要求較高的汽車部件，壓鑄技術(shù)在大型薄壁部件內(nèi)部質(zhì)量控制和模具制造技術(shù)方面還需要加大研發(fā)力度。在壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方面與沖壓技術(shù)類似，通過(guò)優(yōu)化技術(shù)對(duì)壓鑄溫度、壓射速度、模具溫度的參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化。壓鑄技術(shù)可以與合金材料結(jié)合，包含鋁合金、鎂合金、鈦合金和這些合金的半固態(tài)材料，研究提升壓鑄合金的流動(dòng)性能、力學(xué)性能是提高壓鑄產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

連續(xù)變截面板（Tailor Rolled Blank，TRB）技術(shù)在生產(chǎn)車輛框架結(jié)構(gòu)A柱、B柱和縱梁的成形有顯著成效，能夠讓這些部位工件的力學(xué)性質(zhì)在成形后能得到均勻分布。目前，部分車商已經(jīng)開始將TRB應(yīng)用于汽車車身生產(chǎn)，如圖5所示。奧迪新Q5的車底縱梁、A柱、B柱都由TRB熱成形鋼材制成，在保證部件強(qiáng)度的同時(shí)減輕部件質(zhì)量。

當(dāng)前，車身覆蓋件這樣較大、較?。ê穸刃∮? mm）部件以及對(duì)表面要求較高的部件采用沖壓技術(shù)為主，比如車門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋和行李箱蓋外板這樣的A面產(chǎn)品等。厚度相對(duì)較厚（厚度大于1 mm）、對(duì)表面質(zhì)量要求不高的B面和C面部件、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的部件可以采用壓鑄成形，比如車身內(nèi)部的加強(qiáng)件。壓鑄技術(shù)本身在模具方面相對(duì)沖壓模具數(shù)量減少，可以降低模具成本，比如對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋內(nèi)外板，采用沖壓技術(shù)需要通過(guò)拉延、修邊、翻邊整形、沖孔等多工序，涉及凹模、凸模、翻邊鑲塊等多套模具，內(nèi)板加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的模具套數(shù)相對(duì)較多。若采用壓鑄對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋進(jìn)行生產(chǎn)，無(wú)需修邊、翻邊整形、沖孔等工序，因此壓鑄發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋外板只需要一套模具、內(nèi)板只需要一套模具，在模具套數(shù)方面優(yōu)勢(shì)明顯。因此，在現(xiàn)階段融合多種成形技術(shù)，可以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

當(dāng)薄壁壓鑄技術(shù)逐漸成熟時(shí)候，對(duì)于車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、行李箱蓋這些需要內(nèi)外板的組合件，只需要采用單板，適當(dāng)提升結(jié)構(gòu)件平均厚度，對(duì)模型進(jìn)行厚薄區(qū)域優(yōu)化，設(shè)定合理的加強(qiáng)筋和流道，最終這些內(nèi)外板結(jié)合件只需要一體式單板即可，因此未來(lái)隨著薄壁壓鑄技術(shù)成熟，一體式車身或?qū)⑦M(jìn)入大量應(yīng)用。

4 總結(jié)與展望

（1）文章分析了車身覆蓋件外形、輕量化、成形工藝、連接工藝、材料5個(gè)研究方向，分別對(duì)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行概述。

（2）對(duì)沖壓、壓鑄技術(shù)進(jìn)行了梳理，對(duì)TRB技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了概述。

（3）提出了根據(jù)車身覆蓋件厚度和復(fù)雜度特性進(jìn)行多技術(shù)結(jié)合的生產(chǎn)方式。

（4）汽車車身覆蓋件技術(shù)正朝著一體化、低成本、輕量化方向發(fā)展。為此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)車身成形工藝中壓鑄工藝以及TRB技術(shù)研究。