汽車(chē)輕量化與變截面薄板的應用
- 2016-03-14 14:28:00
- 同濟大學(xué) 齊從謙 原創(chuàng )
- 8747
汽車(chē)輕量化不但可以提高車(chē)速，還能降低油耗、減少廢氣排放量和改善安全性（縮短剎車(chē)距離和減少碰撞慣性）。然而，汽車(chē)輕量化絕非是簡(jiǎn)單地將其小型化而已。首先應保持汽車(chē)原有的性能不受影響，既要有目標地減輕汽車(chē)自身的重量，又要保證汽車(chē)行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時(shí)汽車(chē)本身的造價(jià)不被提高，以免給客戶(hù)造成經(jīng)濟上的壓力。
汽車(chē)輕量化技術(shù)包括汽車(chē)結構的合理設計和輕量化材料的使用兩大方面。在結構設計方面可以采用前輪驅動(dòng)、高剛性結構和超輕懸架結構等來(lái)達到輕量化的目的，在用材方面可以通過(guò)材料替代或采用新材料來(lái)達到汽車(chē)輕量化的目的。世界各汽車(chē)生產(chǎn)強國都十分重視并競相開(kāi)展了各種形式的汽車(chē)輕量化研究計劃和合作研究。
上個(gè)世紀末，由來(lái)自18個(gè)國家的35個(gè)鋼材生產(chǎn)商組成的“超輕鋼結構汽車(chē)車(chē)身”聯(lián)盟（Ultra Light Steel Auto Body，ULSAB），聯(lián)合制定了新的汽車(chē)車(chē)身設計業(yè)界標準，其目標是減少汽車(chē)鋼結構車(chē)身的重量并且維持汽車(chē)的性能和造價(jià)不變。有些研究計劃還致力于提出新的輕量化設計概念，其中包括超輕的鋼車(chē)架（ULSAC）及超輕的鋼懸掛系統（ULSAS）等研究項目；中國一些科研部門(mén)和高校也在研究激光拼焊板制造車(chē)身零部件、用變截面彈簧鋼梁設計、制造車(chē)身懸架系統迭板彈簧，以達到保持車(chē)身抗振性能、節省材料、降低造價(jià)的目的。
實(shí)現汽車(chē)輕量化的主要途徑
據統計，汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)（含懸掛系統）、發(fā)動(dòng)機三大件約占一輛轎車(chē)總重量的65％以上。其中車(chē)身外、內覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車(chē)白車(chē)身重量對降低發(fā)動(dòng)機的功耗和減少汽車(chē)總重量具有雙重的效應。為此，首先應該在白車(chē)身制造材料方面尋找突破口。具體說(shuō)來(lái)可以有如下幾種方案：
1）使用密度小、強度高的輕質(zhì)材料，像鋁鎂輕合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；
2）使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼；
3）使用基于新材料加工技術(shù)的輕量化結構用材，如連續擠壓變截面型材、金屬基復合材料板、激光焊接板材等。
方案1）和2）是通過(guò)更換車(chē)身材料種類(lèi)來(lái)達到汽車(chē)輕量化的目的。其中鋁合金具有高強度、耐侵蝕、熱穩定性好、易成型等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在車(chē)身、底盤(pán)及懸掛系統、發(fā)動(dòng)機和車(chē)輪等部件的制造上得到成功地應用，但是由于鋁合金中有較高含量的硅和鐵，使之回收再利用成為新的難題，從而影響鋁合金的更大規模使用。鎂比鋁更輕，可以作為鋁的最佳替代用品，隨著(zhù)汽車(chē)輕量化技術(shù)的發(fā)展，已有60多種汽車(chē)零部件開(kāi)始用鎂合金制造，世界上鎂材料的消耗日益攀升，然而在地球上，鎂恰恰是一種比較稀缺的金屬，其價(jià)格昂貴自不待說(shuō)，再加上鎂合金在加工成型方面的困難，更限制了其被廣泛應用。塑料聚合物，如連續玻璃纖維與熱塑性樹(shù)脂改性聚丙烯復合材料（Glass Mat Reinforced Thermoplastics，GMT）是最佳的車(chē)用輕質(zhì)材料，其密度僅為金屬的1/5。用塑料制造汽車(chē)零部件所消耗的能量?jì)H為鋼材能耗的1/2，還具有加工容易、成型性好、耐腐蝕等特性。目前轎車(chē)上使用GMT材料的零部件有800多種，主要有發(fā)動(dòng)機罩、儀表板骨架、蓄電池托架、座椅骨架、轎車(chē)前端模塊、保險杠、行李架、備胎盤(pán)、擋泥板、風(fēng)扇葉片、發(fā)動(dòng)機底盤(pán)、車(chē)頂棚襯架等。除了可用來(lái)制造零部件之外，還有望應用在整個(gè)車(chē)身制造上，即所謂“全塑車(chē)身”。但是，不同種類(lèi)的塑料聚合物材料的性能千差萬(wàn)別，塑料的強度、耐沖擊性、耐蠕變性及抗老化性也是其難以克服的弱點(diǎn)；且方案2）還將導致車(chē)身造價(jià)提高。
相比之下，至少在目前及至今后相當長(cháng)的一段時(shí)期內，鋼仍然是汽車(chē)車(chē)身制造用材的最佳選擇：鋼材不僅具有優(yōu)異的性能價(jià)格比，還有長(cháng)期積累起來(lái)的冶金技術(shù)和成型加工經(jīng)驗，使之在汽車(chē)行業(yè)中仍然坐擁不可撼動(dòng)的霸主地位。而方案3）正是從材料加工的角度出發(fā)，使經(jīng)過(guò)特殊加工后的鋼板材料的承載性能、成型性能或者其他方面的性能大大提高。
變截面薄板及其在車(chē)身制造中的應用
用于車(chē)身制造的變截面薄板分為兩種，一種是激光拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB），另一種是通過(guò)柔性軋制生產(chǎn)工藝得到的連續變截面板（Tailor Rolling Blanks，TRB）。
TWB生產(chǎn)工藝及其應用
TWB是根據車(chē)身設計的強度和剛度要求，采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起，然后再進(jìn)行沖壓。這樣，沖壓工程師可以根據車(chē)身各個(gè)部位的實(shí)際受力和變形的大小，預先為某車(chē)身部件定制一塊理想的拼接板料，從而達到節省材料、減輕重量且提高車(chē)身零部件性能的目的。在一些汽車(chē)制造強國，TWB已經(jīng)成為汽車(chē)制造業(yè)中的標準工藝，主要用來(lái)制造汽車(chē)車(chē)身側框、車(chē)門(mén)內板、車(chē)身底盤(pán)、電機間隔導軌、中間立柱內板、擋泥板和防撞箱之類(lèi)的車(chē)身零部件。
由于TWB可以根據需要任意進(jìn)行拼接，因而具有極大的靈活性，并且能按照等強度的概念優(yōu)化設計一些原來(lái)是等厚度的車(chē)身零部件，把它們由原來(lái)的鍛造加工轉換為沖壓加工，既提高加工效率，又節省加工能源。
TRB連續變化的截面提供了有利于后續成型加工的可能性。比如，事先運用有限元分析或數字模擬技術(shù)判斷車(chē)身覆蓋件在沖壓過(guò)程中可能出現拉裂或材料流動(dòng)性較大的部位，那幺，在車(chē)身設計階段就可以為某一部件的某個(gè)部位預先分配較大的板料厚度，從而有效地避免廢品的發(fā)生。
TWB與TRB的比較
減重效果
TWB和TRB 的應用都是為了達到汽車(chē)輕量化的目的?；诠こ塘W(xué)中薄壁梁承載性能的基本理論，若由等厚度板、TWB及TRB三種板材制成的結構件具有同樣的剛度，則其減重效果如圖2所示。
機械性能和應用效果
由于TWB存在厚度突變和焊縫的影響，且焊接添加金屬材料與被焊接基材在材料特性上必然有一定差異，致使TWB在沿長(cháng)度方向上的硬度也會(huì )發(fā)生跳躍式的變化，如圖3 a）所示。這將為后續的成型加工帶來(lái)極為不利的影響。再者，TWB的焊縫從外觀(guān)上來(lái)說(shuō)即使采用任何涂裝措施也無(wú)法徹底掩蓋，因此它不適宜用作車(chē)身外覆蓋件材料，一般只用來(lái)制作內覆蓋件或支承結構件。相比之下，TRB具有較好的機械性能，其在沿長(cháng)度方向上的硬度變化比較平緩，沒(méi)有TWB那樣的硬度和應力波峰，具有更佳的成型性能；TRB所制成的零部件厚度可以連續變化，以適應車(chē)身各部位的承載要求；其表面變化是連續、光滑的，因而可以制作各種車(chē)身外覆蓋件。參見(jiàn)圖3 b）。
TWB可以通過(guò)激光焊接工藝進(jìn)行任意拼接，具有很大的靈活性。但由于它用不同厚度板材的對接或搭接，拼接處板料厚度有突變；此外焊縫及其附近會(huì )產(chǎn)生局部硬化，需要一道熱處理工藝來(lái)消除硬化效應，從而加大了工藝復雜程度。TRB則是靠柔性軋制工藝在不同厚度的板料之間形成一個(gè)連續的、緩變的過(guò)渡區，不存在TWB的焊縫問(wèn)題。但它的不足之處是受軋制工藝和軋機設備的限制，其厚度變化只能發(fā)生在板料的初始軋制方向上；此外，現有的軋制工藝還無(wú)法把不同金屬材料的板料“軋制”在一塊整板上，即在靈活性上不如TWB。
由以上對比分析可知，TWB和TRB在減重、機械性能、制造工藝等方面各有自己的特色和不足之處，從綜合指標來(lái)看，TRB具有更大的優(yōu)勢。因此，為達到汽車(chē)輕量化的目的，似有一種更好的方案提出：即把TRB與TWB組合在一起，制成真正意義上的“任意拼接板”（Tailored Blanks），從而得到一種新型的汽車(chē)輕量化用材。
TRB應用實(shí)例
在一些汽車(chē)制造強國（如德國），TRB已經(jīng)開(kāi)始投入汽車(chē)工業(yè)的實(shí)際應用之中。圖4 a）所示為一個(gè)用在“奔馳”E級轎車(chē)上的TRB原型零件。這個(gè)由TRB沖壓成型的“側框”位于轎車(chē)后部，左右對稱(chēng)。前端板料厚度為0.88mm，與左右側圍相接，后端板料厚度為1.15mm，恰是汽車(chē)追尾時(shí)的敏感部位，中間區域板料厚度均勻過(guò)渡。
圖5為用TRB沖壓的車(chē)身覆蓋件組裝的白車(chē)身整車(chē)，注意到其前部發(fā)動(dòng)機蓋板的兩側要求有足夠好的剛性，板料厚度為1.25mm，中間部位幾乎不承受任何外力，僅需防止高速行駛中可能出現的顫振即可，板料厚度為0.88mm；兩側到中部為連續、光滑過(guò)渡，保證了車(chē)身的美觀(guān)和良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性。
TRB軋制工藝及其應用給汽車(chē)輕量化開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)良好的途徑，還將給航空航天、軌道交通車(chē)輛等輕量化結構零部件帶來(lái)了巨大的潛力和誘人的前景。然而，TRB的概念從提出至今也不過(guò)10年左右的時(shí)間，其加工和應用的研究還不是十分成熟，還有不少深層次的理論問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題有待解決。比較突出的問(wèn)題表現在如下幾個(gè)方面。
車(chē)身覆蓋件壓模具的設計
普通等厚度板材沖壓成型的車(chē)身覆蓋件模具的設計，是復雜程度和難度相當高的工作，更何況變截面薄板的沖壓成型模具設計。因為對于變截面薄板來(lái)說(shuō)，原來(lái)基于等厚度板材所建立的力學(xué)本征模型、數值仿真模型及三維幾何模型都不再完全適用了。需要花大力氣重建這些模型，針對變截面薄板的具體變化特征來(lái)重新設計車(chē)身覆蓋件沖壓模具。
變截面薄板在沖壓過(guò)程中的變形和材料流動(dòng)性
變截面薄板的引入使車(chē)身覆蓋件的沖壓成型過(guò)程變得更為復雜，在同樣的壓邊力和拉伸力條件下，板料各部位的變形不均勻，覆蓋件的成型更難以控制。需要進(jìn)一步建立新的數學(xué)模型，開(kāi)展以高性能計算機為基礎的三維數值模擬來(lái)營(yíng)造“虛擬現實(shí)（Virtual Real）”環(huán)境，以預測變截面薄板在沖壓過(guò)程中的變形和材料流動(dòng)情況，從而找出相應的對策。
板料回彈問(wèn)題
對于等厚度薄板沖壓卸載后工件回彈量的精確補償，與材料本身的物理非線(xiàn)性、力學(xué)上的邊界非線(xiàn)性和模具型腔的幾何非線(xiàn)性等密切相關(guān)，工程上往往是結合現場(chǎng)實(shí)驗來(lái)獲取一些數據，再進(jìn)行工程分析，即確定材料的彈塑性本構關(guān)系、各種應力應變曲線(xiàn)及材料的各相異性等參數，以有限元仿真、數值模擬的手段來(lái)進(jìn)行預測，修改原覆蓋件三維設計模型，最終獲得一個(gè)與所要求的工件模型不同的模具型腔模型，以比較理想地解決回彈量的補償。而對于TRB來(lái)說(shuō)，由于其本身結構的特殊性，即沿軋制方向連續變化的截面形狀及由此引出的材料機械性能的非均一化，將會(huì )使工件回彈問(wèn)題變得更為復雜。在這一方面，以德國亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成型研究所（IBF of Aachen University）Reiner Kopp為首的研究隊伍與工業(yè)界密切合作，已經(jīng)開(kāi)始了一些探索性的研究工作，并取得初步的成果；中國上海交通大學(xué)模具技術(shù)研究所也在開(kāi)展類(lèi)似的研究。
相關(guān)文章
- [焊接技術(shù)] 螺柱焊接基礎知識 2022-07-11
- [焊接技術(shù)] 螺柱焊機發(fā)展史及其焊接工藝 2022-07-11
- [焊接技術(shù)] 干了多年的焊工都未必真能說(shuō)清楚CO2、MIG/MAG和脈沖MIG/MAG的區別！ 2020-12-23
- [焊接技術(shù)] 溫度影響焊接質(zhì)量，冬天到了應該如何改進(jìn)？ 2020-12-03
- [焊接技術(shù)] 螺柱焊中鋁制螺釘的焊接工藝 2020-11-13
- [焊接技術(shù)] 鋁合金焊接中最關(guān)鍵基礎知識，一定要知道！ 2020-11-12
發(fā)表評論
熱門(mén)產(chǎn)品
社區新帖
- GBT 19867.4-2008 激光焊接工藝規程.pdf 2019-12-25
- GBT 2652-2008 焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法.pdf 2019-12-25
- GBT 16672-1996 焊縫-工作位置-傾角和轉角的定義.pdf 2019-12-25
- GBT 16745-1997 金屬覆蓋層產(chǎn)品釬焊性的標準試驗方法.pdf 2019-12-25
- GBT 17853-1999 不銹鋼藥芯焊絲.pdf 2019-12-25
- GBT 15169-1994 鋼熔化焊手焊工資格考核方法.pdf 2019-12-25
- GBT 15579.5-2005 弧焊設備安全要求 第5部分 送絲裝置.pdf 2019-12-25
- GBT 15579.7-2005 弧焊設備安全要求第7部分：焊炬(槍).pdf 2019-12-23
聯(lián)系我們
| 聯(lián)系人： | 韓玉琦 |
|---|---|
| 電話(huà)： | 0755-26013200/26013464 |
| 傳真： | 0755-26013188 |
| Email： | saw@sawchina.cn |
| QQ： | 2280915288 |
| 微信： | 18682260315 |
| 旺旺： | szhbkj |
| 地址： | 東莞市鳳崗鎮東深路鳳崗段206號天安深創(chuàng )谷W2棟誠信大廈21樓 |
底部分享通欄
關(guān)于我們
產(chǎn)品分類(lèi)
焊接學(xué)院
客戶(hù)服務(wù)
-
在線(xiàn)客服
-
關(guān)注微信
-
-
業(yè)務(wù)咨詢(xún)
-
人才招聘
-
售后咨詢(xún)
-
業(yè)務(wù)咨詢(xún)
-
掃一掃關(guān)注微信
