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輕量化與熱衝壓

輕量化是現階段汽車研發的基本操作。

實驗證明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽車整備質量每減少100公斤,百公里油耗可降低0。3—0。6升;汽車重量降低1%,油耗可降低0。7%。但輕量化可能會降低汽車的碰撞安全性,怎麼樣既能保證安全性又能實現輕量化,而成本又不能太高呢?

鋁合金

鋁的比重約為鋼的1/3,還具有優良的抗腐蝕性、壓力加工和鑄造加工性,所以成為了輕量化最重要方法之一。

鎂合金

鎂的密度約為鋁的2/3,在實際應用的金屬中是最輕的。但缺點也很明顯,耐腐蝕性差,成本高。現在暫時主要應用在發動機罩蓋、方向盤、座椅支架、車內門板、變速器外殼等方面,但還沒有使用鎂合金薄板製造車身板件並投產進入市場的例項。

鎂合金鑄件最早應用在汽車行業的是輪轂:

輕量化與熱衝壓

鈦合金

鈦合金效能沒有問題,應用的最大阻力來自其高價格,至今只見在賽車和個別豪華車上少量應用。

碳纖維

重量輕,吸震效能強,缺點也是成本太高,是超跑的首選。這些年由於碳纖紗需求大增,造成材料短缺,因此價格居高不下。目前大部分車企對於碳纖維的高成本望而卻步,僅僅在小範圍、非核心部件上採用。寶馬對碳纖維的偏愛是顯而易見的,在自己車型上使用碳纖維已有10年曆史。旗下i3純電動車與i8混動跑車是目前為止全球唯一大規模使用碳纖維的民用車型。

碳纖維零件的重量之輕,小女孩也能輕鬆抱起:

輕量化與熱衝壓

塑膠應用

目前世界上不少轎車的塑膠用量已經超過120千克/輛,個別車型還要高,德國賓士高階轎車的塑膠使用量已經達到150千克/輛。國內一些轎車的塑膠用量也已經達到90千克/輛。塑膠製品越來越多應用到車身上,比如一些車型的尾門都有塑膠件的設計。

以上除了鋁合金,其它各種輕量化的技術目前對市面上99%以上的車型來說,還只是噱頭,可以錦上添花,但不能作為設計的基礎。但還有一項技術,目前在剛度,輕量化,製造可行性和成本方面都有較大的進步,已經是汽車車身材料應用的常規武器了。

熱衝壓高強度鋼

高強度鋼板熱衝壓生產技術正呈現出欣欣向榮的趨勢,成為同時實現輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。熱衝壓技術不僅有高強度比的優點,且在高溫下材料成形性好,能消除回彈影響,零件精度高,成形質量好。在VOLVO車型中熱衝壓硼鋼的使用量逐年遞增,預計將達到白車身的45%以上。福特汽車各種車型的熱衝壓硼鋼應用也越來越多,比如福克斯上就有大量應用。

熱衝壓是相對比常見的冷衝壓成形而言,為了克服高強度鋼板冷成形的困難,熱衝壓須將鋼板加熱實現相變再衝壓成形並進行淬火,從而獲得更高的強度、抗變形性與硬度,能夠成形抗拉強度高達1600-2000MPa的零部件,可組焊成高強度駕乘單元,承受5噸以上的靜壓而不損壞。採用這種相對於超高強度的結構件,可明顯提高汽車的碰撞安全性,同時透過減小壁厚或截面、減少汽車裝配環節中的零部件的數量尺寸,從而實現輕量化。正因為熱衝壓的技術優勢,才使得高強度鋼熱衝壓技術正受到全球汽車廠商和鋼鐵生產企業的的青睞和極大關注。

熱衝壓簡化工藝流程:

輕量化與熱衝壓

熱衝壓不是簡單的多了一個加熱過程,它涉及到了十分複雜的金屬材料熱力相變多物理場耦合和多尺度問題以及熱邊界摩擦非線性力學問題。高強鋼板熱衝壓要克服許多可能的熱衝壓缺陷的產生,比如區域性過分軟化,縮頸,破裂,起皺,馬氏體轉化不均勻等,還要實現最佳的奧氏體-馬氏體化溫度、最佳模內冷卻速率、最佳成形壓力、最佳保壓時間等最佳化問題,這就需要從宏觀和微觀尺度進行諸如成形性分析、服役效能等進行深入研究和技術積累。

高強度鋼板熱衝壓成形生產線是實現這一先進成形技術的關鍵環節。熱衝壓成形技術特徵決定了它不同於常規衝壓的裝備及關鍵技術,它是將落料、加熱、防氧化、衝壓、淬火冷卻、切形和噴丸處理等為一體的綜合製造整合加工系統,是體現機械加工、電控和材料化工緊密交叉的國際前沿高新技術。

高強度鋼板熱衝壓技術具有巨大的市場前景和生命力,但在成形過程和熱處理過程中仍存在各種技術問題。另一方面,由於高強度鋼板熱衝壓技術還處於起步階段,還有很多產業化實際問題需要解決和完善,例如製造工藝引數最佳化、生產效率、產品質量、熱衝壓成形過程微觀機理研究、採用非鍍層鋼板時需要進行噴丸處理及鐳射切割成本偏高等等。因此,熱衝壓技術今後將朝著高效率、低成本、強韌化、防氧化方向發展。

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