汽車車身沖壓成形技術(shù)及發(fā)展

汽車車身沖壓成形技術(shù)是汽車制造技術(shù)的重要組成部分，以致有些國際同行認為汽車技術(shù)的競爭實質(zhì)上是沖壓成形技術(shù)及其相應(yīng)的焊裝技術(shù)的競爭。雖然上述觀點不一定準確，但說明沖壓成形技術(shù)在汽車制造中的重要地位。

眾所周知，汽車車身的金屬件幾乎90%為沖壓件，而且汽車車身的更新?lián)Q代遠比底盤和發(fā)動機的更新?lián)Q代快。這就決定了沖壓成形技術(shù)在汽車產(chǎn)品的開發(fā)中不僅影響制造周期，還直接影響成本和產(chǎn)品品質(zhì)，因而影響產(chǎn)品的綜合競爭力。

第一節(jié) 沖壓原材料研究的最新進展

新型沖壓用板材包括：

高強度鋼板；

耐腐蝕鋼板；

雙相鋼板；

涂層板及復(fù)合板材。

高強度鋼板

定義：指對普通鋼板加以強化處理而得到的鋼板。

強化原理：固溶強化、析出強化、細晶強化、組織強化(相變強化及復(fù)合組織強化)、時效強化及加工強化等。其中，前5種是通過添加合金成分和熱處理工藝來控制板材性質(zhì)的。

高強度鋼板的高強度涵義

a. 屈服強度、抗拉強度高，在270-3l0MPa范圍之內(nèi)。用于汽車零件的高強度鋼板，其抗拉強度可以達到600-800MPa，而相應(yīng)的普通冷軋軟鋼板的抗拉強度只有300MPa；

b.高強度鋼板的應(yīng)用，能減輕沖壓件的重量，節(jié)省能源和降低沖壓產(chǎn)品成本。

在日本，抗拉強度不小于490MPa的熱軋帶鋼和抗拉強度不小于340MPa的冷軋鋼帶被稱為高強度鋼。高強度鋼板可以減輕零件質(zhì)量，提高整車碰撞的安全性，提高零件的外觀質(zhì)量和抗凹性，因此近年來在車身生產(chǎn)中得到了越來越多的應(yīng)用。

1.高強度鋼在汽車面板上的應(yīng)用

車頂、車門、等部件要求具有變形剛度和抗凹陷性，主要使用抗拉強度為340～390MPa的烘烤硬化鋼板(BH鋼板)。BH鋼板的屈服強度在烘烤涂漆時升高，可在不損失成形性的前提下，提高抗凹陷性，減薄鋼板?，F(xiàn)在，有的車型已使用440MPa級BH型高強度鋼板。

新馬自達2的車身結(jié)構(gòu)中使用了440，590，780和980Mpa級別的高強度鋼板和超高強度

2. 高強度鋼板在車體框架上的應(yīng)用

隨著正面撞擊、側(cè)面撞擊的撞擊安全性標準的提高，結(jié)構(gòu)件、加強件等主要使用590MPa級高強度鋼板，也有廠家使用780MPa級、980MPa級高強度鋼板。

前防撞梁外板

有些廠家甚至采用將390MPa、440MPa級高強度鋼板沖壓成形后，對強化部分進行高頻加熱和淬火，以使部件局部抗拉強度達到1200MPa，并在沖壓加熱鋼板的同時進行冷卻，以使部件整體抗拉強度達到1470MPa的方法。

歐洲流行的高強鋼U形車廂結(jié)構(gòu)

此外，還有采用激光拼焊方法，將不同厚度、不同材質(zhì)鋼板拼合起來，使材料配置適用于所要求材質(zhì)和使用部位。

盡管拼焊材料在使用初期以提高材料利用率為目的，僅用于小型部件上，但最近已將拼焊材料擴大應(yīng)用于車身側(cè)板和車箱底板等大型部件。拼焊板主要采用400～590MPa級高強度鋼板，也有使用780MPa級和980MPa級高強度鋼板的情況。

3. 高強度鋼板在汽車底盤上的應(yīng)用

用材已從傳統(tǒng)的440MPa級熱軋板發(fā)展到780MPa，最大減重達30%。近年來，高強度鋼板在底盤上的使用比例正在急劇增加。今后，高強度鋼板的使用比例及更高強度鋼板的應(yīng)用有望進一步提高。

采用高強鋼制造的汽車底盤

舉例：同升專用汽車公司 為了從根本上擺脫對底盤廠商的過度依附，最終達到底盤廠商對自己的依附，依托有限公司，將鐵路貨車新材料、新工藝等專有技術(shù)平移到專用汽車產(chǎn)品上，努力走自主創(chuàng)新的道路。

南車眉山車輛有限公司同升專用汽車、08年，在繼具備自主知識產(chǎn)權(quán)的"輕量化半掛車"推向市場后，再度推出高強度鋼"輕量化散裝水泥罐車"。"5.12"災(zāi)后重建，四川水泥需求量陡增至3.7億噸，需新增車輛約4000臺（每臺1年運能2.5萬噸，3年運完），針對這一市場需求，專汽公司在經(jīng)過充分的市場論證后，提出了散裝水泥罐車研發(fā)思路，得到有限公司的大力支持。

目前，該車已完成設(shè)計進入試制階段，預(yù)計11月底下線試運行。

該車采用高強度鋼制作，設(shè)計容積39.8m3，載重50噸，與相同載重的普通車型比較，自重輕1噸左右，能夠與所有品牌重型卡車底盤匹配，計重收費優(yōu)勢凸現(xiàn)。預(yù)測市場前景看好，將提升公司市場競爭力。

4. 常用鋼種簡介

熱軋低合金高強度鋼（HSLA）薄鋼板、應(yīng)用部位：卡車的底盤部分，也用于大客車的車輪，輪轂等部件、屈服強度：350MPa到550MPa之間、組織結(jié)構(gòu)：具有鐵素體加少量珠光體組織。最近，開發(fā)出690MPa級卡車大梁用鋼，它利用了在由熱帶軋機直接軋出的貝氏體鋼中所有的強化機理。

DP鋼板、主要組織：鐵素體和馬氏體，其中馬氏體的含量在5%～20%。、強度：500～1200MPa。特征：DP鋼具有低屈強比、高的加工硬化指數(shù)、高烘烤硬化性能、沒有屈服延伸和室溫時效等特點.、一般用于需高強度、高抗碰撞吸收能且也有一定成形要求的汽車零件，如車輪、保險杠、懸掛系統(tǒng)及其加強件等。DP鋼板優(yōu)點、①屈服點低，抗拉強度高，屈強比低；、②無屈服點伸長或是屈服伸長，應(yīng)力應(yīng)變曲線平滑；、③伸長率高；、④初始加工硬化率高，加工強化性能好；⑤抗疲勞性能好。所以DP鋼特別適合沖壓翻邊性能良好的部件，一直被汽車界所關(guān)注，有可能成為汽車首選的冷軋高強度鋼板。

TRIP鋼、包括熱軋、冷軋、電鍍和熱鍍鋅產(chǎn)品。主要組織：鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體，其中殘余奧氏體的含量在5%～15%，強度：600～800MPa。主要成分：C、Si和Mn，其中Si的主要作用是抑制貝氏體轉(zhuǎn)變時滲碳體的析出，但對于鋼板表面質(zhì)量不利。

在日本，TRIP鋼板已被用在概念車底盤的約80種零件上，同傳統(tǒng)鋼板相比，用這種鋼板制造的零件重量減輕約12%。TRIP鋼具有高延伸率，同DP鋼相比，起始加工硬化指數(shù)小于DP鋼，加工硬化指數(shù)在很長的應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持較高，特別適合脹形成形。

復(fù)相CP鋼、主要組織：同TRIP鋼的組織類似，只是CP鋼中含有馬氏體而非殘余奧氏體。強化機理：通過馬氏體和貝氏體以及析出強化的復(fù)合作用。CP鋼的強度可達800～1000MPa，特別適合于車門防撞桿、保險杠和B立柱等安全零件。

馬氏體(M)鋼、通過高溫奧氏體組織快速淬火轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體組織，可通過熱軋、冷軋連續(xù)退火或成型后熱處理而生產(chǎn)的，是目前商業(yè)化高強度鋼板中強度級別最高的鋼種。主要用途：成型要求不高的車門防撞桿等零件代替管狀零件，減少制造成本。

MnB鋼或熱成形鋼、主要元素：Mn和B等元素，具有非常好的淬透性。熱成形過程：包括將毛坯件加熱奧氏體化，然后在紅熱狀態(tài)將鋼板沖壓成形，然后利用模具的冷卻能力將零件淬硬成馬氏體。整個成形過程大約需要15～25s。

耐腐蝕鋼板、主要目的：增強普通鋼板沖壓件的抗腐蝕能力。主要分類：一類是加入新元素的耐腐蝕鋼板，如耐大氣腐蝕鋼板等。我國研制的耐大氣腐蝕鋼板中，有10CuPCrNi（冷軋）和9CuPCrNi（熱軋），其耐蝕性是普通碳素鋼板的3～5倍；第二類是在表面涂或鍍一層防腐材料，也為涂層板的一種。

目前，全球最大的鋼鐵公司Acelor開發(fā)了熱沖壓成形鋼板USIBOR1500，其化學(xué)成分如表1所示。該鋼板為鍍鋅板，鍍層質(zhì)量為120～160g/m2。淬火后力學(xué)特性明顯，強度值可達到1600MPa。

日本某公司實際測定該鋼的特征值如表2所示。該鋼板可保持良好的韌性，沖擊韌度達到800 J/cm2，低溫脆性也較好。焊接性能較好。采用此種鋼板生產(chǎn)的汽車零件可以使同等強度、剛度的零件減重50%以上。

涂層板、在耐腐蝕鋼板中，鍍覆金屬層的鋼板屬于一種涂層板。因為傳統(tǒng)的鍍錫板、鍍鋅板等已不能適應(yīng)汽車工業(yè)、電器工業(yè)、農(nóng)用機械及建筑工業(yè)的需要，因此新品種的鍍層鋼板不斷被開發(fā)出來。在涂層板中，各種涂覆有機膜層的板材具有更好的防腐蝕、防表面損傷的性能，因此正被大量用作各類結(jié)構(gòu)件。

彩色涂層板具有優(yōu)異的裝飾性、成形性、抗腐蝕性

復(fù)合板材、涂覆塑料的鋼板是一種復(fù)合板；不同金屬板疊合在一起（如冷軋疊合等）也是一種復(fù)合板，或叫疊合復(fù)合板。這類復(fù)合板材破裂時的變形比單體材料破裂時的變形要大，其基本材料特性值(比如n值)變大。

5. 展望、目前只有少數(shù)國際先進鋼鐵企業(yè)能生產(chǎn)的960兆帕特高強度熱軋工程機械用鋼在寶鋼研制成功，填補了國內(nèi)空白。中國寶鋼集團亦開發(fā)了熱沖壓用硼鋼板。其硬度為450～500HV，強度達到1300～1500 MPa，無鍍層。德國蒂森克虜伯開發(fā)了錳硼合金鋼，其熱沖壓淬火后最高強度可達1600MPa。

特高強度鋼-瑞典鋼板公司生產(chǎn)、特高強度Domex特高強度冷成形鋼是在用計算機嚴格控制的現(xiàn)代化工廠中生產(chǎn)。在低碳和一定錳含量的條件下,加入微量合金元素如鈮、鈦等細化晶粒,以及超純凈鋼水提供的良好冶金條件,決定了鋼的最終性能。

與普通高強度熱軋冷成形鋼比,Domex高強度鋼具有更高的鈮,鈦及釩等微合金化元素。另外,通過精確控制的加熱、軋制、冷卻等步驟組成的熱機械軋制工藝過程是獲得高性能的關(guān)鍵因素。

Domex系列冷成形鋼具有在高強度條件下良好的可成形性,可焊性和高沖擊強度。特高強度鋼的主要應(yīng)用為卡車底盤、各種專用車、移動式起重機和建筑工程機械。特高強度鋼的應(yīng)用主要是為了減輕重量和提高有效負載能力,同時由于良好的冷成形性使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本降低。

超高強鋼焊接抗扭結(jié)構(gòu)，主臂的側(cè)向剛度更好

輕金屬材料--鋁、鋁及鋁合金的密度大致約為鋼的1/3。鋁合金具有重量輕、加工性能良好、抗腐蝕性好、吸振性強等優(yōu)點,應(yīng)用于汽車制造對汽車輕量化有十分顯著的效果。

目前,在汽車上使用的鋁質(zhì)零件除傳統(tǒng)的車輪蓋、空調(diào)系統(tǒng)、保險杠、座椅、換熱器、油管外,高強度鋁合金還廣泛應(yīng)用于汽車的連桿、搖臂、凸輪座等零件。由于鋁及其合金的原材料價格比鋼高得多,制約了其在汽車上更大范圍內(nèi)的應(yīng)用。

輕質(zhì)鋁板可用于車身和底盤的許多零部件,關(guān)鍵是改進工藝、降低制造成本。日本于1985年開始采用鋁合金板材生產(chǎn)汽車覆蓋件,應(yīng)用的零件主要是發(fā)動機罩(內(nèi)板和外板)、前擋泥板及頂蓬窗蓋板等,并且對車身整體進行輕量化設(shè)計,大量采用不等厚的拼焊高強度鋼板和深沖鋼板,結(jié)合激光焊接裝配技術(shù),使車身重量減輕25%以上。

發(fā)動機用鋁合金支架

鋁合金輪轂

輕金屬材料--鎂、鎂合金的主要優(yōu)點是比強度和比剛度高。鎂的密度僅為鋁的2/3,采用鎂制造汽車零件的輕量化效果更勝于鋁。不僅如此,由于鎂熔點低,回收再利用的耗能也更少。鎂合金零件的尺寸穩(wěn)定性好,對振動的阻尼性能優(yōu)于鋁和鋼。

在20世紀50年代至60年代,由于鎂合金的價格不高,德國大眾公司的甲殼蟲汽車大量使用鎂合金作為結(jié)構(gòu)零件。近年來,開發(fā)出了高純度耐腐蝕鎂合金AZ91D、AZ91E和高延展性鎂合金AM20、AM50等,性價比有了很大提高。車用鎂制件應(yīng)用:儀表板襯底和橫梁、座椅架、方向盤柱、發(fā)動機缸蓋、變速器殼體、進氣歧管等。

鎂合金方向盤

鎂合金汽車車輪，質(zhì)量輕，性能好

輕金屬材料--鈦、鈦的密度為4.5g/cm-3,質(zhì)輕、強度高、耐腐蝕性能非常好,但鈦價格很貴。鈦應(yīng)用于汽車,可起到減重、節(jié)能、減震、降噪、減污、延壽、提高汽車安全性和舒適度的綜合作用。

主要用途：汽車發(fā)動機中,如氣門、氣門座、氣門彈簧、搖臂、連桿、離合器板以及其它如轉(zhuǎn)向齒輪、車輪、緊固件必須耐腐蝕、耐損傷的車底覆蓋件、側(cè)視鏡架等也可以用鈦合金制作。應(yīng)用現(xiàn)狀：由于鈦的價格極貴,一般汽車上使用較少,主要用于賽車上。

其它材料、除鋁、鎂等金屬材料外,其它一些非金屬以及復(fù)合材料也在汽車中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,如金屬/非金屬輕質(zhì)材料、塑料、陶瓷、非金屬基復(fù)合材料等。

塑料、塑料既可大幅減輕零部件質(zhì)量,又可降低制造成本,是汽車中使用最多的非金屬材料。世界汽車平均每輛塑料用量在2000年就已達105 kg,約占汽車總質(zhì)量的8%-12%。最近幾年,我國一般汽車上塑料件占整車質(zhì)量的比例從原來的5%左右上升到了12%-18%以上。

德國拜耳公司和美國GE塑料公司合資的Exatec公司推出了具有杰出的耐候性和耐磨性的聚碳酸酯(PC)汽車窗系統(tǒng)Exatec500,并已實現(xiàn)工業(yè)化。

金屬基復(fù)合材料、美國研制出用SIC粒子增強的AI-10Si-Mg基復(fù)合材料制成的剎車輪,使重量減少了30%~60%,且導(dǎo)熱性好,最高使用溫度可達到450℃,其熱性能已達到原先用的鑄鐵水平。

非金屬復(fù)合材料、復(fù)合材料在汽車上的用量近年來逐年增加。復(fù)合材料主要用于摩擦片、車身、懸架、車架等汽車結(jié)構(gòu)件。如高強度有機纖維增強復(fù)合材料具有很高的機械強度,能代替鋼板材料,從而減輕車身的重量,在汽車車身上得到了廣泛的應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)、主要特色：質(zhì)量小、強度高、剛性高、耐蠕變與耐腐蝕性能良好,是很有潛力的汽車用輕量化材料。

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應(yīng)用實例：美國福特公司早已采用CFRP制造汽車傳動軸、發(fā)動機罩、上下懸架臂等零部件。

第二節(jié) 沖壓技術(shù)發(fā)展的新動向

液壓成形、熱沖壓成形

1. 液壓成形

液壓成形也被稱為"內(nèi)高壓成形"，它的基本原理是以管材作為坯料，在管材內(nèi)部施加超高壓液體同時，對管坯的兩端施加軸向推力，進行補料。在兩種外力的共同作用下，管坯材料發(fā)生塑性變形，并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合，得到形狀與精度均符合技術(shù)要求的中空零件。

用于支撐縱梁的拱形部分等采用液壓成形產(chǎn)品與傳統(tǒng)的沖壓工藝相比，液壓成形工藝在減輕重量、減少零件數(shù)量和模具數(shù)量、提高剛度與強度、降低生產(chǎn)成本等方面具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域尤其是汽車工業(yè)中得到了越來越多的應(yīng)用。

在汽車工業(yè)及航空、航天等領(lǐng)域，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量以節(jié)約運行中的能量是人們長期追求的目標，也是先進制造技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。液壓成形(hydroforming)就是為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的一種先進制造技術(shù)。

液壓成形技術(shù)的優(yōu)點

對于空心變截面結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)的制造工藝是先沖壓成形兩個半片，然后再焊接成整體，而液壓成形則可以一次整體成形沿構(gòu)件截面有變化的空心結(jié)構(gòu)件。與沖壓焊接工藝相比，液壓成形技術(shù)和工藝有以下主要優(yōu)點：減輕質(zhì)量，節(jié)約材料。對于汽車發(fā)動機托架、散熱器支架等典型零件，液壓成形件比沖壓件減輕20%～40%；對于空心階梯軸類零件，可以減輕40%～50%的重量。