启飞汽车

摘要
 
    汽车车身轻量化技术的研究发展是推动汽车节能、减排的关键。铝合金材料冲压技术是实现汽车车身轻量化的重要课题, 可实现约2/3的减重, 对于汽车轻量化、市场的可持续发展具有深远意义。
    随着汽车能源的不断开发与消耗, 全球动力燃油资源日益枯竭。在当今发动机动力技术提升难度日益加大、动力电池效率不高的背景下, 燃油车与新能源动力汽车白车身冲压零部件轻量化技术成为行业一项共性的研发技术。铝合金是一种具有优良性能的轻型材料, 也是整个汽车行业轻量化技术研究运用及产业化生产的必选材料。
    目前, 整个白车身重量占汽车总重量的38%左右, 对于降低汽车能耗而言, 整个白车身轻量化技术起着至关重要的作用。可以设想, 当汽车车身重量减少其自身重量的1/2时, 所有类型的燃油汽车或新能源汽车的驱动装置要比原来小 (轻) , 能源消耗同样比原来要少 (或跑的更远) , 这时动力能源体积又可以针对市场需求优化减小。当汽车车身轻量化达到一定的阶段, 汽车车身的各部件都会跟着减小、减轻。
 
一、汽车轻量化技术发展的背景及意义
 
    伴随着我国汽车智能现代化的进程, 整个汽车工业的研究、开发及生产的发展, 汽车产业已成为我国经济的重要支柱产业之一。据2005—2017年中国汽车市场销量及增长走势 (图1) , 2017年我国汽车产量达到2888万辆, 同2016年相比增加了30%, 成为世界第一大汽车生产国。
 

 
图1 2005-2017年中国汽车市场销量及增长走势

    截至目前, 我国汽车保有量达到2.32亿辆。汽车轻量化, 是在确保汽车安全行驶的条件下, 保证汽车各部位的受力强度, 通过优化汽车整体重量提高汽车行驶的高效动力能力, 促使动力能源与执行机构减小, 减少燃料消耗, 降低排气污染。当今我国汽车燃油价格不断上涨、新能源电池的价格水涨船高, 车体轻量化已成为整个汽车行业的发展趋势。
    当前, 汽车行业发展面临三大问题:汽车燃油消耗, 尾气排放是否符合国家环保标准要求, 汽车受外力的强度能否确保汽车行驶安全。对这些问题, 全球都在重视并制定了相应的能源和环保法规, 并针对出现的问题不断提出优化改进措施。轻量化技术研究通过减轻汽车整体重量降低燃油消耗、减少排放。有关数据研究表明, 若汽车整体重量减少20%, 汽车燃油效率可提高12%~16%;若车桥、变速器等联合滚动机构阻力减少20%, 汽车燃油效率可提高7%。此外, 车辆每减重100 kg, CO2排放量可减少5 g/km。因此可见, 汽车轻量化技术的特点就是降低燃油消耗, 这对于节约能源、减少废气排放、实现我国汽车工业可持续发展十分重要。汽车白车身重量占整车重量的38%, 汽车空运行状态下, 约72%的燃油消耗都用在白车身重量上, 因此汽车轻量化减重, 对提高经济、环保、安全等因素至关重要。轻量化在车辆行驶及操控的稳定性意义上的碰撞与安全性能上的提升相当满意。轻量化铝合金材料对冲撞能量的吸收, 又提高了汽车行驶碰撞的安全性。以降低能源消耗、降低排放污染等为出发点, 汽车轻量化研究技术一直为创新冲压工艺、制造技术而不断探索。
 
二、铝合金材料在新能源汽车车身上的应用
 
    铝合金材料的牌号依据非铝元素的种类与含量的不同, 分为1000~9000共9大系列。
    新能源汽车车身用铝合金材料主要包括:铜元素含量最高、硬度较高的2000系列, 主含镁元素、又称“镁铝合金”的5000系列, 镁硅含量高、抗腐蚀和抗氧化性能好的6000系列, 新能源汽车车身的不同受力部位采用不同系列型号的板材、型材、管材及高性能压铸铝等铝合金材料。
    新能源汽车车身共分为4大区:
    (1)骨架。车身受力最大的部位, 采用2000系或7000系材料, 可热处理强化。
    (2)外板。车身次受力部位, 采用5000系或6000系材料。
    (3)车门。采用5000系或6000系材料。
    (4)地板。采用5000系或6000系材料。
 
三、铝合金冲压工艺CAE应用分析
 
    随着科技的不断创新与发展, 冲压产品的多样化、复杂化趋势不可避免。针对这一复杂的技术工程, 技术人员都希望在冲压产品生产前有精确的模拟、分析和直观的论证。这些工作借助CAE应用分析软件得以实现, CAE (Computer Aided Engineering, 计算机辅助工程分析) 是对白车身冲压件的设计、分析、数据管理、模拟试验、冲压运行仿真及制造的工艺设计过程。针对冲压产品的性能进行设计和优化评价, 以便在多个方案中找到最佳设计。
    汽车白车身冲压件开裂、反弹、起皱、回弹补偿、拉伸变薄等分析是冲压模具工艺设计数据的重要来源。反弹、变薄、起皱、拉裂是模具冲压件生产过程常见的缺陷, 尤其在零件冲压拉伸深度深与机床压边力大小失控时出现。因此在产品冲压之前的模具设计、CAE工艺分析尤为重要。
    通过产品冲压CAE应用工艺分析, 不但能准确计算出材料拉伸成型时的板料流动情况、材料分布变薄的数据, 还能判断产品冲压件的开裂与变薄, 生产中降低报废率。
    传统零件的成型性分析只能依靠设计人员的经验、评估来判断产品冲压模具设计及生产的可行性, 造成后续开发过程中会出现很多问题。可通过ECR设计优化更改产品的型面转角来消除开裂、变薄。新能源汽车冲压模具的设计, CAE冲压可成型性分析对工艺方案的确定非常重要, 直接关系到后续模具的开发, 也是缩短模具开发周期的关键。
 
四、铝合金产品冲压模具研发注意事项
 
1.拉伸类模具装配研发注意事项
 
    (1)拉伸模工作型面抛光要光洁细腻, 表面镀硬铬或TD (Thermal Diffusion Carbide Coating Process, 热扩散碳化物涂层工艺) 处理。
    (2)模具拉伸型面处硬度要求:外板≥70 HRC, 内板≥55 HRC。
    (3)拉伸筋工艺补充较多, 拉伸筋采用圆筋, 拉伸筋R角比钢件大。
    (4)铝件的滑移线在圆角上即合格, 要求≤18mm。
    (5)压料圈着色优于钢件。
    (6)抛光钢件的砂纸最高可以是1000#, 铝件一般需要达到2000#砂纸的光洁度。
 
2.翻边、整形、成形类模具装配注意事项
 
    (1)翻边压料宽度 (20~25) mm。
    (2)翻边间隙为板料厚度的95%。
    (3)铝件翻边对镶块要求较高, 镶块表面不能有砂眼、气孔, 表面光洁度高, 不能有明显划痕, 否则易产生料屑 (尤其是R角处) 。
 
3.修边、冲孔、落料类模具刃口与间隙装配注意事项
 
    (1)在铝件废料刀处采用断开筋结构, 以减少料屑。
    (2)刃口合入尝试5 mm左右, 刃口基准深度8 mm。
    (3)采用沉台阶凸模, 以减少料屑。
    (4)修边尽量减少废料刀, 同时考虑刀的锋利程度。
    (5)铝件修边、冲孔、落料间隙略大于钢件, 铝件: (10%~12%) ×料厚。
    (6)压料板着色宽度 (10~15) mm。
 
五、铝合金产品冲压注意事项
 
    铝合金具有质量轻、较软、防火性佳、加工工艺性好、色彩可选性广、装饰效果极佳、易于回收、利于环保等优点, 但冲压时易产生顶伤、压伤、刮伤、变形, 生产中需要注意的事项:
    (1)冲压时遵循人、机、料、法、环全面质量控制与管理的理论依据。也是确保产品质量的5个主要因素。
    (2)原材料检查。铝合金板料牌号、规格、尺寸, 双面贴膜是否完好无损。
    (3)开平作业。按工艺作业指导书, 剪切所需要的材料尺寸及规格。
    (4)确认各工序冲压模具与冲压产品规格是否对应, 检查导向、刃口、型腔、冲头、斜器等部位是否有损坏情况, 并记录在模具履历表上。
    (5)各工序产品冲压。根据冲压工艺作业指导书, 实施各工序的冲压, 并与每道工序样件对比冲压状态。
    (6)首件产品确认。检查首件冲压产品, 用3坐标按工艺作业指导书检查每项检测点, 做好首件全检记录, 确认产品符合率。
    (7)冲压过程巡检。巡检员按各工序生产的工序件检查冲压状态, 在工序件上做巡检符号, 在巡检记录按每批 (30~50) 件检查记录一次冲压状况。
    (8)冲压成品检验。将成品件放在检具上, 定位夹紧后, 以每100件/次检查冲压的产品符合率状况, 做好批量冲压件检查记录, 确认产品满足符合率情况。
    (9)外观检查。将冲压成品件依次去除贴膜, 检查产品外观, 确认主要部位完好无损, 总体质量符合要求时, 再放入专用盛具内, 挂上检查合格标签。
    (10)表面处理。外表面氧化着色处理, 跟据表面着色工艺要求, 处理达到相应的颜色, 放入专用盛具内, 存放到防尘车间, 用PP膜封装整个盛具外表, 防止灰尘进入影响表面品质。
    (11)物流入库。确认数量与产品相对应后入库, 做好ERP (Enterprise Resource Planning, 企业资源计划) 数据录入工作, 确认入库数据与发货数据, 等待发货。
 
六、结语
 
    随着轻量化技术的应用, 汽车在提高外观造型美观性的同时还能有出色的节能表现。汽车轻量化技术包括4个方面的研究:
    (1)整体车身从厚的普板向薄的高强度合金板转变;
    (2)整体车身从钢板 (密度高) 向高分子塑料件 (密度低) 转变;
    (3)整体车身从钢结构向铝合金等材料的转变;
    (4)新型能源动力的开发与研究。因此, 车身变轻对于整车的燃油消耗、节能减排、车辆控制的稳定性、提高行车碰撞安全性都有很大的优越性。汽车轻量化是未来汽车在节能环保, 降低污染等方面的重要发展方向。铝合金作为典型的轻型材料越来越被行业认可, 全铝化车身是未来汽车轻量化发展的一种趋势。
 
作者：张生林  来源：设备管理与维修