轻量化材料及成形技术在汽车上的应用

　　以下是他的部分演讲内容：

　　各位嘉宾，下午好！我是来自中国汽车工程研究院的周佳，今天报告的主要内容是轻量化材料，将从四个方面进行介绍。轻量化技术是汽车节能减排的重要途径。

　　对汽车工业而言，节能减排刻不容缓，我们把日本、欧盟、美国节能减排的要求及指标先列出来。今天上午，有专家提到了一点，截止至2020年，百公里碳排放量要达到18克。节能减排方面，我们可通过调整国内汽车产品结构，采用节能技术提升车辆的燃油经济性，进而采用切实可行途径提升交通运输效率。在调整结构方面，我们可以采用小型车、混合动力车、电动车来提升车辆的节能性，今天上午我们单位周总也提到过，还可以采用轻量化技术实现节能减排。在国家政策方面，汽车燃料经济性标准的制定可根据乘用车商业化的实际推广情况来制定。据研究表明，若汽车实现减重10%，可节省燃油6%-8%，排放量则下降3%-5%。上述数据表明，轻量化同样能实现节能减排。

　　在实现轻量化时，保障车辆的安全性是首要前提，在选则替代金属的材料时，务必要考虑耐用度及强度等重要性能指标，而并非单纯选择重量较轻的材料，其中涉及到轻量化选材及材料性能方面的相关内容，本人在此就不赘述了。其中，实现途径主要以下三种：1.选择适宜的材料2.调整中国车辆的结构设计3.改善工艺。我先举了几个例子，这是我们在2016年中国汽车轻量化技术研讨会上的部分资料，这张表是2015年欧洲车身会议的车身用材情况，包括：钢材、铝合金、镁合金、非金属材料等。从表格中可发现，其采用了高强度钢，且使用比例越来越高。其次是铝合金材料，某些车型也选用了铝合金板材、铝合金挤压型材。在某些车型上，铝材的应用比例是非常高的，如：捷豹、路虎、奔驰、名爵（MG），这是国外车企在轻量化选材方面的情况。这张表则介绍国内的情况，我们也把车型的用材情况列了出来。从表中可以发现，国内某些乘用车钢材的使用比例还是比较高的，但某些A00级或者较小的电动车型则开始采用上述铝合金材料，且用材的比例较高。有些全铝小型车对铝材的使用较多，也有些车型采用了非金属复合材料。谈及国内外的轻量化先进制造工艺，我们从以下几方面进行了总结。

　　在制造工艺方面，主要涉及高压成形激光拼焊边护板、高强度热成形钢。国内车企对上述材料的用量比国外要少一些，但近年来，国内热型钢的用量越来越大，连接技术也涉及到电焊、弧焊、激光焊等技术，并对国内外的应用情况进行了对比。

　　在轻量化材料应用方面，我们主要是从三个方面着手，可能国内的技术不是太专业，主要采用高强钢、铝合金、塑料复合材料。高强钢技术的演变可以分为以下几个时间段：80年代、90年代、2000年-2020年。80年代时DC钢采用的比较多，90年代时烘烤硬化钢（BH钢）的应用较多，2000年后双相钢（DP钢）的应用比较大，2000年后则向超重钢发展。钢材方面的内容，我就不过多介绍了，大家应该都比较了解。谈及高强钢，一般在制造潜艇、修建高速公路时会用到，其经常采用超高强钢。高强钢在向双相钢、淬火延性钢（QP钢）方向发展，其厚度可以达到1.6毫米，重量约在0.3-0.38 kg，DP1.2的厚度可达到1.2毫米，通过提升钢材的强度并缩减壁厚来实现，同时优化其结构来实现减重。国内各车企及部分日系、美系、欧系对高强钢的用量在逐年增长，其采用先进高炉炼制超高强钢，相对于欧美系，日系更注重于该材料，其倾向于通过结构优化设计来满足我们对性能方面的要求。美系对高强钢的用量处于相对平稳的状态，但其总用钢量较大，未来对高强钢的用量增长较明显。

　　铝合金的选用则需符合安全法规的要求，将从省油、降排、动力与舒适性等方面提高竞争力，铝合金的用量也在增长。我们选取了全球车企旗下多款车型的用材情况，某些车型对铝合金材料的应用比例非常高，路虎有款车型采用全铝车身，其中绝大部分采用了铝合金板材。其次是压铸技术、板材挤压件在车辆上的大致应用情况，这是在汽车各主要部件上的应用情况，如铸造件在发动机、底盘、传动方面的应用，传动系统对铸造件的应用较多。而车身系统由于不存在热交换，也采用铸造件。其他的部件对铸造件的的应用也比较多。铝合金型材在保时捷悬架上也有应用，这里列的保险杠只是其中的一种应用情况。

　　铝合金车用板材主要被用于覆盖件，主要涉及5系和6系车型，在四门两盖、覆盖件上的应用较多。在发动机、底盘件、汽车龙骨等零件也采用了铸造铝合金件。

　　塑料复合材料主要涉及金属材料和非金属材料两大类，非金属包括：树脂、橡胶、石墨、陶瓷、碳纤维增强复合材料等。此外，还涉及到主热塑性复合材料、SMC、BMC等主要材料，上述材料主要被用于功能键、结构件。针对碳纤维复合材料，我们列举了国内外常用的基碳纤维原丝生产工艺，美、日等国的多家企业选用了该材料。欧洲发行的宝马A3及许多阿尔法罗密欧车型也大量采用了该材料。

　　针对该材料，中国在推进一个重点研发计划，在座也了解碳纤维测试，有的可能正在做类似的项目，该材料在零部件中也有应用。鉴于成形工艺的应用，某些整车厂的车型也采用了该材料，主要被用于模块化组件。现在先简单介绍下成型工艺方面的内容，主要分三部分：1.热成形，2.铝合金形态成形，包括：高强度钢材，强度越高，成形难度越大。尤其当钢强度达到1500兆帕时，我们采用冷轧的技术难以满足，这时我们采用的是一种热成形工艺。在此列出的是大致的成形工艺及操作流程。我们可以借助新工艺获得高强乃至超高强度零件或者极为复杂的原件，进而缩减零件的使用数量，尺度精度较高。我们的板材、高强度板在成形过程中面临较大的技术难题，目前罗列了其在部分零件上的应用情况。我们对2015款斯柯达明锐白色车身的选材进行了相关统计归类，其还采用了铝硅件，具体信息请参见材料清单。

　　可以先谈下热成形市场的现状。2016年中国乘用车销量超过2400万辆，总量约为2600万辆，平均车身重量大致为300 kg，若热成形的应用比例在18%，则可实现减重近50 kg。单从乘用车的数量考虑，热成形的需求大概是150万吨左右，国内的重型产业大概是一百条左右，我们热成形在国内发展比较迅速，已建成许多生产线，宝钢、马钢等国内品牌均可供应热成形钢，轻量化的安全性能得到提升，国产汽车品牌的产量、市场份额迅速扩大。

　　热成形应用的难点主要包括：延迟断裂、抗力等，其性能均有待提高。对此，我们也做了相关研究，主要涉及工件热成型后的三点弯曲（试验），实际上曾做过一些试验，在精制完成后曾出现开裂的情况。我们也在资料中列举在成形技术发展方向的相关内容。

　　其次，我们做了铝合金保险杠的开发，我们想要采用铝合金保险杠替代我们原有的钢制保险杠，从优化材料的工艺设计，主要分两块：保险杠横梁及截面，进行截面的优化设计。

　　截面优化设计要设置优化条件，现在展示的是截面优化的结果，涉及壁厚、材料性能等，其质量大概是0.25 kg。我们也会做过工艺优化设计，涉及挤压工艺、热处理、弯曲焊接，这是我们做的挤压成型的仿真分析，优化了挤压工艺。这是我们挤压工艺的优化结果，涉及流速、出口温度等。对于铝合金件，我们采用了焊接工艺，用于铝合金间的焊接，并对焊接工艺进行研究及优化，其中涉及各类焊丝及焊接后的情况等，这是对不同焊丝的宏观对比，包括对焊接接头的影响、焊接后的拉伸数据对比、液粘度曲线等，还对腐蚀钢进行过相关研究。

　　最后就是实施和验证。当时制作两套模具旨在衡量和比对模具制成件的形态，将产品拉弯成查看并比对弯曲成型的效果。接下来进行焊接操作，公司当时进行焊接工装设计，还申请了相关的专利。最终，成品的性能如资料所示，当时我们采用了不同的材料，用6160、6063和6101等三种铝材进行产品性能对比。

　　完成零部件级别的实验后，我们当时也做了整车碰撞实验，把保险杠安装到对应的车型上，进行正碰（100%）及%偏置碰（40%）实验并对结果进行对比。上述两项实验是按国家标准（国标）进行的，测试结构基本上达到我们国标要求。各位看到的是碰撞结果。我们铝合金发中心召开曾与长安合作过一个发动机罩，当时采用了6016铝合金板材。

　　当时是实现盈利的，主要涉及熔炼、铸造、热轧、冷轧，清洗、除油、剪切、包装等整个板材的生产工艺流程。完成后，实现了部分性能的优化，同时依据不同的情况、时间下曲线、方向等数据，对力学性能进行了分析。完成铝合金板材工艺优化后，我们对材料的硬化进行了研究，选取了不同铝合金板材，进行烘烤硬化对比。成形性能比较重要，因为在板材设置出来后，我们可以预测冲压过程中开裂情况，用仿真分析进行工艺优化和设计，消除我们上市后因产品开裂导致的不良影响。我们铝合金用到车身外部，如外覆盖件，我们就考虑材料的抗压性能，我们很看好其性能表现。

　　在铝合金板材的冲压过程中，该材料与钢材不同，我们比较关注回弹技术。将铝合金应用到汽车外覆盖件，主要考虑到其便利性及包边工艺，我们会对其包边工艺进行过研究，考量过90度包边及180度包边等情况。

　　本页内容主要是关于铝合金仿真分析及结构优化。我们采用仿制的方式进行相关分析，主要是完成系统分析，然后实现高速公路路测时的性能优化设计。采用钢制模具，查看并比对其成形性能，还进行了成形回弹分析，获得了铝合金外板回弹量和内板回弹量，还测量了模态刚度等。此外还分析了扭转刚度，其性能指标符合我们的设计要求。

　　我们对罩盖件进行了仿真分析，未来将优化发动机罩盖，大体思路是这样。基于不同的钢度，对特殊结构进行了优化工作。这是我们的优化设计流程，以下是对优化设计结果的对比，总共设计了三种方案。

　　在制定方案时，要考虑其模态、钢度还有抗性，这里是各种结构做出来的对比，我们还可以考虑采用冲压工艺连接技术。此外，我们对内外板制定了相关评价标准、外板和内板的相关的一些品种标准。然后，我们还涉足了涂装工艺，总共用到七副模具，并对外板进行了冲压实验，在完成冲压工序后，然后进行涂装操作。优化后，所得的实验数据与早前类似，大致能实现减重46%，就像从18kg减到近12公斤的情况，在钢材方面，高强度钢和超高强度钢在汽车上已经大量应用。

　　铝合金也是重要的汽车轻量化材料，可提升油耗表现。根据现行法规，其安全性能符合国内要求，我们可推动铝合金挤压型材、铝合金板材在汽车上的应用，未来铝合金材料件将会得到大量的推广和应用。很多自主品牌现在也可以开始考虑选用铝合金型材、板材了，我们国内主主要铝合金生产企业包括：南山铝业等。塑料复合材料今后也会取得迅猛的发展，被广泛应用于高端知识和技能源。以上是我的介绍情况，谢谢大家。