汽车轻量化制造技术现状与发展

汽车轻量化制造技术现状与发展题纲◎能源和环境双重压力倒逼汽车产业转型◎全球汽车产业处于材料革命前夜◎多种轻量化材料混合应用是汽车轻量化的发展方向◎先进高强度钢（AHSS）的发展及成形技术◎铝合金汽车的发展；铝合金车身成形，铝合金结构件先进铸造技术◎复合材料汽车的发展；碳纤维覆盖件、结构件成形技术，长纤维增强热塑性复合材料(LFT)成形技术◎多种轻量化材料连接技术◎我国汽车材料替换革命的思考全球汽车产业处于材料革命前夜◎着眼于可持续发展，节能环保成为汽车工业亟待解决的两大问题。特别是大范围雾霾天气倒逼汽车产业大调整。调整目标集中在“新能源、新材料、先进发动机”三大方面。随着新能源汽车的举步维艰，材料转换的重要性日渐凸显。◎我国《节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）》提出，到2015年，当年生产的乘用车油耗降至6.9升/百公里，节能型乘用车油耗降至5.9升/百公里以下，较现行标准降低2.6L。2020年降至5.0升/百公里，节能型乘用车油耗降至4.5升/百公里以下；商用车新车油耗接近国际先进水平。2010年世界各国汽车燃油效率限额◎过去二十年，美国汽车油耗要求每年降低1%。而2010—2025年则每年要求降低4%。美国规定截至2016年汽车油耗要达到6.6升/百公里，较美国现行标准降低2.6L，2025年达到4.18升/百公里。2014年被称为电动汽车元年•李克强总理宣布：我们要像对贫困宣战一样，坚决向污染宣战。而汽车是大范围雾霾天气的罪魁祸首之一，对策之一是大力发展新能源汽车。国家发展战略明确鼓励发展新能源汽车，并在该领域技术研发、产业发展、市场推广等各方面都采取了力度很大的政策。•商务部研究院近日发布的《2014年消费市场发展报告》指出，今年将成为中国新能源汽车消费元年。空气污染的环境压力使新能源汽车迎来明显利好。据中国汽车工业协会预测，2014年中国新能源汽车销量将有望达到3.5万辆，同比增幅达100%。若将混合动力各类车型加上，将会达到6万辆的规模。2014年将成为中国新能源汽车消费元年。新能源汽车已成为今年北京车展的最大亮点。在本届北京车展上全球首发的118辆车中，中外车企共全球首发新能源车79辆，约占七成。•我国新能源汽车发展可能再次落后，“湾道超车’梦想落空!有人称2013年是电动汽车元年，即，国际电动汽车产业化取得了突破。据统计，新型动力汽车去年的全球销量已经突破57.8万台，超出2012年销量1万多台。据预测，2014年全球电动汽车市场将同比增长86%。德政府于2011年5月出台了《德国联邦政府国家电动汽车发展规划》，其目标是：在2020年德国上路的电动及混合动力汽车达100万辆，到2030年至少达到600万辆，到2050年电动交通网络覆盖全德城市区域。美国特斯拉公司2013年销量超过2.2万辆，通用汽车雪佛兰混合动力车在美国销量为23,094辆，日产聆风纯电动车销量为22,610辆。新能源新材料双轮驱动—电动汽车发展的必由之路◎国际名牌电动汽车都采用复合材料为主的新材料。这也是他们续航能力和电池重量低的原因所在。◎如，德国BMW、大众、意大利兰博基尼、日本帝人和美国GM都开发了碳纤维车身电动汽车。◎我国电动汽车增重高达30-40%，远远超过国际先进水平（德国大众电动汽车增重6-16%），复合材料电动汽车成为减重的最佳出路，可平衡增加的电池重量。纯电动车整车质量与续航能力关系轻量化是汽车发展的历史必然•汽车发展至今已经超过100年,目前的瓶颈是能源制约和环境污染.石油是不可再生的资源,汽油和柴油驱动的机动车造成的污染有目共睹.•各国政府相继提出了燃油经济性指标,硬性规定汽车公司到达百公里油耗指标,如美国政府的CAFA标准是2012年至少需要达到每加仑29.7英里(百公里油耗8升)，到2016年需达到34.1(百公里油耗6.9升),2025年则为54.5(百公里油耗4.3升).对超过CAFÉ目标的部分，主机厂需要支付每0.1英里每加仑为5.5美元/辆的罚金。•提高燃油经济性有多种途径：汽车轻量化，增加变速箱中的速度等级，柴油技术，汽油直喷技术，可变气门（VVT），涡轮增压等等。鉴于研发所需时间和成本的限制，当前主机厂主要考虑轻量化的手段。•在轻量化的材料选择上,未来将是多种材料并存的局面:超高强度钢,镁铝合金,增强树脂材料.每一种材料都由其优缺点.在不降低部件力学性能的前提下,努力降低重量是轻量化的方向.总重量(Kg)15501407125311541011行程(Km)186203.6226.6244.3275.5纯电动车整车质量与续航能力关系研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量,就可有效降低油耗以及排放。目前，大量研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降6-8%，排放降低4%。轻量化是汽车节能和环保，提高续航能力最有效措施之一。轻量化是实现节能减排的有效手段多种材料混合应用是汽车轻量化的发展方向。在欧洲车身会议文献中，自2006年至2011年，72个车身中，有38个钢/铝/复合材料混合车身,占53%。先进高强度钢（AHSS）的发展在白车身中，低碳钢与高强低合金钢（HSLA）的重量比呈下降趋势；约束淬火高强钢（PHS）的重量比呈上升趋势；烘烤硬化钢的用量将维持不变。通过低碳钢、HSLA的减少以及PHS的增加，使车身重量减轻。低碳钢（260-270MPa）烘烤硬化钢（300-390MPa）HSLA（440-650MPa）DP600（590-980MPa）PHS（900-1500MPa）200541%12%-目前12%20%25%30%12%未来12%20%15%25%28%第三代AHSS发研发目标：性能可达到：1000-1500MPa时具备20%-30%的延伸率应用从碰撞安全件延伸至结构件甚至外覆盖件，如下图所示。美国汽车业高强钢的目标：1）第三代AHSS的量产，并且降低价格;2）强度达到1000-1500MPa，并可冷成形;3）材料可焊性好、成本低。各种性能的钢材在车身的应用与发展车身高强度钢的使用趋势沃尔沃公司在VOLVOXC90车身制造中同时采用冷、热冲压工艺2006～2020年国内先进/超高强钢冲压模市场规模预测热冲压工艺示意图卷材下料加热传送冲压并迅速冷却热冲压工艺示意图热冲压工艺的优点•回弹极小，成形精度好•高延展率，高强度•减重•极好的碰撞安全性机械科学院先进中心完成的高强度钢热冲压中试线德国BENTLER公司中国工厂生产高强钢零件德国BENTLER公司中国工厂生产高强钢零件（续）铝合金汽车的发展铝合金成形工艺进步高性能铝合金铸件液压成型件铝合金连接件铝合金冲压件铝合金锻件应用铝合金零部件重量在整车重量的比例增加整车零件总数减少车身性能增强车身自重减小国际铝合金汽车发展◎2002年，全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还使车重减少50%。新一代奥迪Q7将采用全铝车身。◎英国捷豹XK更是将铝合金技术与轻量化优势发挥到极致，不仅车身零件总数从5,189个降至2,761个，车身刚性提高了48％。新一代路虎车身重量比上一代减重420千克，车身的钢材料替换为铝合金，并采用单壳体式车身，比上一代钢制车壳体减重高达39%。前副车架采用铝合金材料铸造，减轻14千克。后副车架采用单件空心铸件，减轻了15千克。◎凯迪拉克ATS的前机盖采用铝合金冷冲压工艺，减震塔采用真空薄壁压铸技术，发动机支架采用铝合金挤压件焊接结构，保险杠采用铝合金挤压件，车门采用铝合金成形，车身其它部位、结构件、底板、覆盖件采用钢材。前后轴重达到50%：50%，可与BMW3系竞争。◎据媒体2014年2月20日报道：继福特之后，通用汽车也开始积极筹备推出铝外壳汽车，预计在2018年底大规模生产。目前两家企业已经开始开足马力生产铝制汽车面板。AudiA8全铝车身Text铝合金冲压覆盖件铝合金挤压型材铝合金压铸件MIG焊、铆接减重40%静态扭转刚度提高40%铝合金汽车板材/管材充液拉深技术充液拉深技术是改善铝合金车身覆盖件变形均匀性、增加结构刚度的有效途径。由于铝合金材料的硬化指数值低，属加工硬化效果较弱的材料，只有通过较大的变形才能实现较理想的硬化。为克服普通拉深所产生的变形量小、变形不均匀的问题，利用液压先进行预胀变形，再进行液压作用下的充液拉深成形技术，整个成形过程中面板部分经历两次变形，应变硬化效果显著。因此，能够提高铝合金覆盖件的可成形性、改善变形均匀性的充液拉深成形技术是铝合金等低塑性、难成形轻质材料板材零件成形的有效途经。预胀充液拉深国际铝合金车身成形技术GM开发的铝合金汽车覆盖件成形设备超塑成形（SPF）在美国通用（GM)的应用：汽车覆盖件快速塑性成形工艺（QPF），成形时间降到了15秒以内。某车型后背门内板镁合金和外板铝合金气胀超塑性温成形，在快速液压机上成形每件只需1-2分钟。车身铝板温/冷成形，应用于高档车。以3000T设备为核心的铝合金汽车覆盖件充液拉深生产线（日本Amino）我们的差距◎欧、美、日等国铝合金板材在汽车上的应用呈现快速发展势头（见表）。而我国尚处于研发阶段，目前还没有任何一家国产汽车整车厂有应用铝合金大型板材零件的实例.◎现在液压成型的生产线全世界有250条，中国不到5条，正规生产的也就是两条，原因是合资品牌现在都进口。◎热成型生产线国际上有150条线，中国尚没有一条自主品牌的生产线，虽然宝钢有所引进，但是现在尚没有量产。◎这些在国际上已经形成了数千亿欧元的产值。国家汽车厂家汽车型号车身零部件合金牌号德国保时捷928覆盖件，翼子板AC120梅赛德斯-奔驰120SEC覆盖件，行李舱盖AC120，5000系列法拉利Testarossa覆盖件，后翼子板5000，6000系列英国罗孚HandeROVER前翼子板-意大利LamborghiniKountak所有外部装饰件5000，6000系列ZagagurrdStelvio所有外部装饰件5000，6000系列美国通用凯迪拉克覆盖件，顶盖AC120，5000系列克莱斯勒切诺基机盖板6000系列瑞典沃尔沃760GlE覆盖件，活动顶5000，6000系列日本马自达SavannoRX-7覆盖件外板GZ45覆盖件内板G4BRixlster覆盖件内外板GC45Casmo覆盖件内板KS5030日产Infiniti覆盖件内外板5000系列Leopard车身外板6000系列本田Msx车身内板5050车身框架5182加强件，折叠活顶5052法国标致307车门外板6000系列508车门外板、发动机盖板6000系列铝车身可靠连接技术1--机械连接技术铝合金导热率高，采用传统电阻点焊技术连接能耗极高，而且质量难以保证。目前国外汽车制造厂商大量采用自冲铆接、自切削螺钉等机械连接方法实现铝合金连接，该技术目前由英国Henrob、美国Emhart、德国Bollhoff等国外公司所垄断。上海交通大学提出一种从自冲铆接接头形成到接头性能评价的全数字化方法以实现铆接工艺的优化。铝车身可靠连接技术2-焊接技术•目前除大量采用锁铆、自切削螺钉、自攻螺钉、冲联工艺及胶（粘）接等非熔化连接方法外，还大量采用MIG焊、激光焊（包括激光熔焊、激光钎焊）,激光-MIG电弧复合焊,搅拌摩擦焊。•其中激光-MIG电弧复合焊接是新型先进焊接技术。大众汽车Phaeton前门（48处激光-MIG焊道）激光与电弧复合并非是激光与电弧的简单叠加，复合后具有“1+12”的焊接效果，激光-电弧复合热源焊接技术是一种优质高效的新型焊接技术,是当前最有应用前景的焊接新技术之一。激光-MIG电弧复合焊技术概况MIG焊激光焊复合焊焊缝成形比较激光-电弧复合焊接原理图搅拌摩擦焊•商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件•搅拌摩擦焊接DeltaII型火箭航天燃料贮箱（火箭整体搅拌摩擦焊缝达2100米）•挪威MARINE公司船用宽幅铝合金搅拌摩擦焊铝车身可靠连接技术3-柔性化包边技术