新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵工藝分析

鄧劍鋒

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545004)

0 前言

隨著時(shí)代發(fā)展，社會(huì)總體能源消耗量大幅增加，傳統(tǒng)燃油汽車使用數(shù)量和規(guī)模的擴(kuò)大，導(dǎo)致了能源消耗與環(huán)境污染日漸嚴(yán)峻。通過對(duì)能源實(shí)際消耗與能源儲(chǔ)備占比的研究分析發(fā)現(xiàn)，目前全球能源短缺日趨嚴(yán)重。采用科學(xué)合理的能源開采計(jì)劃及能源使用規(guī)劃已經(jīng)成為世界各國的共識(shí)。

我國堅(jiān)持走綠色可持續(xù)發(fā)展的道路，積極倡導(dǎo)新能源汽車的推廣和應(yīng)用，逐步替代傳統(tǒng)燃油汽車。為了避免新能源汽車對(duì)能源造成不必要浪費(fèi)及對(duì)環(huán)境造成污染，新能源汽車的輕量化設(shè)計(jì)是必然趨勢(shì)，這將對(duì)新能源汽車的發(fā)展、制造及投入使用具有重要意義。

通過調(diào)研分析，當(dāng)前新能源汽車輕量化研究主要內(nèi)容有：① 選擇合適的設(shè)計(jì)開發(fā)方式和分析方法。燃油汽車在經(jīng)歷了1個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其在車身設(shè)計(jì)、用料等方面都形成了較為成熟的體系，而新能源汽車仍處于摸索與研究階段，需要相關(guān)技術(shù)人員投入更多的精力加以分析與研究。② 選用合適的替代材料及選擇合適的新材料制造工藝，有效解決新能源汽車輕量化方面的問題。③ 發(fā)揮我國強(qiáng)大的生產(chǎn)制造能力的優(yōu)勢(shì)，合理完成新材料的制造加工，使其逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩p量化的結(jié)構(gòu)材料。

1 輕質(zhì)材料的應(yīng)用

1.1 高強(qiáng)鋼

高強(qiáng)鋼可分為普通高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼。普通高強(qiáng)鋼包括烘烤硬化鋼、無間隙原子鋼和剛強(qiáng)度低合金鋼等；先進(jìn)高強(qiáng)鋼包括雙相鋼、復(fù)相鋼和相變誘導(dǎo)塑性鋼等。有專家指出，高強(qiáng)鋼可有效減輕汽車質(zhì)量，有效提升汽車碰撞安全性能。因此，從成本和性能角度分析，高強(qiáng)鋼可滿足新能源汽車車身輕量化要求，也能確保新能源汽車符合汽車碰撞安全性要求。

1.2 鋁合金

鋁合金密度較小，僅為鋼材料的三分之一。該材料極易被擠壓成型，且具有良好的耐腐蝕性、較高的強(qiáng)度及良好的韌性。同樣的汽車車身結(jié)構(gòu)，相對(duì)于采用鋼制材料的車身質(zhì)量，采用鋁制材料可降低質(zhì)量約40%。在相同結(jié)構(gòu)下，鋁制輪轂的質(zhì)量也只有鋼制輪轂的30%左右。在現(xiàn)代汽車的制造工藝中，鋁合金的應(yīng)用規(guī)模日漸擴(kuò)大，且越來越普遍。該材料將有望發(fā)展成為極具優(yōu)勢(shì)的汽車輕量化材料之一。

1.3 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料自身帶有一定的物理特性。目前，以樹脂與金屬為基體的復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用已較為成熟，并具備較多制造工藝上的優(yōu)勢(shì)。與同類鋼制零部件相比，使用碳纖維復(fù)合材料的零部件，其質(zhì)量?jī)H為50%；與鋁制零部件相比，其質(zhì)量?jī)H為30%。研究發(fā)現(xiàn)，使用碳纖維復(fù)合材料，可使汽車車身和底盤整體質(zhì)量減小40%～60%。

目前，由碳纖維復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)性車身主要應(yīng)用于豪華跑車、方程式賽車等對(duì)車身輕量化要求較高的車型。

2 新焊接工藝

2.1 激光拼焊

激光拼焊技術(shù)借鑒了裁剪制衣的相關(guān)原理，是將不同厚度、不同材質(zhì)、不同涂層的鋼板進(jìn)行激光焊接，使其成為完整的拼焊板，在整體沖壓制造后，與其他零部件進(jìn)行總裝的一種焊接方法。該工藝可滿足汽車零部對(duì)材料性能的不同要求，對(duì)提升材料的使用效率及對(duì)零部件質(zhì)量控制具有重要意義。

激光拼焊板最早被應(yīng)用于德國蒂森克虜伯公司的產(chǎn)品上，首次被應(yīng)用到奧迪100車型的車身結(jié)構(gòu)上。有研究表明，將激光拼焊板應(yīng)用到汽車車身結(jié)構(gòu)中，可使汽車質(zhì)量減小20%～40%。在當(dāng)前推進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展中，激光拼焊發(fā)揮了較為關(guān)鍵的作用。但激光拼焊工藝也存在一定局限性，主要表現(xiàn)為拼接焊縫會(huì)對(duì)沖壓零部件材料的力學(xué)性能和表面質(zhì)量產(chǎn)生一定影響；激光拼焊板存在厚度突變，薄厚板間的光滑連接難以實(shí)現(xiàn)，不適用于汽車車身面板的制造。隨著我國汽車制造工藝的不斷發(fā)展，該工藝在新能源汽車高強(qiáng)鋼板拼接方面的技術(shù)得到了不斷完善和發(fā)展，也使新能源汽車獲得更為突出的輕量化效果。

2.2 鋁合金拼焊

目前，鋁合金材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用已較為廣泛。同類型的零部件，相對(duì)于使用焊接鋼板，使用鋁合金拼焊板可使汽車整車質(zhì)量降低約50%；相對(duì)于使用鋁合金材料，使用鋁合金拼焊板可使汽車整車質(zhì)量降低5%～10%。有研究表明，鋁合金拼焊板工藝對(duì)控制零部件自身質(zhì)量具有較大優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)階段，鋁合金拼焊板工藝分為非真空電子束焊和激光焊，但由于鋁合金在焊接過程中極易產(chǎn)生空隙、焊縫區(qū)域熱裂和合金元素?fù)p失等缺陷，不利于其實(shí)際應(yīng)用與推廣。

2.3 攪拌摩擦焊

近年來，攪拌摩擦焊技術(shù)逐漸得到應(yīng)用。攪拌摩擦焊是一種較為新型的鋁合金焊板制備工藝。該工藝主要由攪拌針插入到待焊接的工件中，通過攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化，當(dāng)攪拌針沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，被熱塑性化的材料向后流動(dòng)，將焊縫處的金屬結(jié)合起來，形成致密的固態(tài)連接。

3 新成型工藝

3.1 內(nèi)高壓成型工藝

內(nèi)高壓成型工藝是以管材為主要材料，通過向管材施加超高壓油液和軸向推力補(bǔ)料把管坯壓入模腔，使其成型為所需工件的制造工藝。內(nèi)高壓成型工藝包含以下過程：① 填充過程。將管材放入到模腔后進(jìn)行合膜，使管材兩端在沖水的狀況下沿著水平方向推進(jìn)，逐步形成相對(duì)密封的狀態(tài)，同時(shí)發(fā)揮預(yù)充體的作用，排出管材內(nèi)部空氣。② 成型過程。在向管材內(nèi)液體施加壓力的過程中，使管材逐步形成模具。③ 整型過程。通過施加壓力的方法將模具角度與膜腔貼合起來，形成所需的工件。與傳統(tǒng)的沖壓工藝相比，內(nèi)高壓成型工藝不僅可以減小零部件質(zhì)量，而且也能有效提升資源的實(shí)際利用率，將材料損耗率降至最低。在新能源汽車生產(chǎn)過程中，該工藝多被應(yīng)用于汽車儀表板橫梁和電池托架等的制作。

3.2 熱壓成型工藝

熱壓成型工藝是一種較為常見和普遍的加工方式，主要通過加熱模具，將材料注入模具，在壓力作用下將材料與模具進(jìn)行固定，當(dāng)材料成型后，取出模型成品。熱壓成型工藝包含以下環(huán)節(jié)：① 將材料放置到已完成加熱的模板中；② 使用上模和下模對(duì)材料模板施加一定壓力，通過排氣管作用將氣體排出；③ 對(duì)已冷卻成型的模具進(jìn)行剪切，成型為最終成品。與傳統(tǒng)制造工藝相比，熱壓成型工藝不僅有助于提高零部件的強(qiáng)度，還可以合理控制零部件的厚度，有效管控零部件的使用數(shù)量，提升汽車質(zhì)量水平。在新能源汽車生產(chǎn)過程中，該工藝多被用于汽車地板、車門防撞梁和前防撞梁等的制作。

3.3 輥壓成型工藝

輥壓成型工藝是指材料在跟隨輥輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，在輥輪的碾壓下成型為各種復(fù)雜制件。在使用該工藝時(shí)，需注意以下要點(diǎn)：① 在剪切對(duì)焊裝置中，應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行合理處理；② 應(yīng)發(fā)揮壓機(jī)與成型機(jī)的作用，確定輥壓成型定型；③ 應(yīng)重視對(duì)定型后模具的沖孔、切邊與壓型等處理工作。在新能源汽車生產(chǎn)過程中，該工藝多被用于汽車門檻梁、防撞梁和車門窗框等的制作。

4 結(jié)語

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步與發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械慕煌üぞ咧?，但汽車保有量的持續(xù)增加的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成了污染。加強(qiáng)對(duì)新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化的研究，加強(qiáng)對(duì)輕量化材料的理解和應(yīng)用，優(yōu)化新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵工藝，在汽車的生產(chǎn)制造過程中將愈發(fā)突顯其重要性。