新能源汽車鋁合金沖壓輕量化技術(shù)

張生林

（南京天河汽車零部件股份有限公司，江蘇南京 211200）

0 引言

隨著汽車能源的不斷開發(fā)與消耗，全球動(dòng)力燃油資源日益枯竭。在當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力技術(shù)提升難度日益加大、動(dòng)力電池效率不高的背景下，燃油車與新能源動(dòng)力汽車白車身沖壓零部件輕量化技術(shù)成為行業(yè)一項(xiàng)共性的研發(fā)技術(shù)。鋁合金是一種具有優(yōu)良性能的輕型材料，也是整個(gè)汽車行業(yè)輕量化技術(shù)研究運(yùn)用及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的必選材料。

目前，整個(gè)白車身重量占汽車總重量的38%左右，對(duì)于降低汽車能耗而言，整個(gè)白車身輕量化技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。可以設(shè)想，當(dāng)汽車車身重量減少其自身重量的1/2時(shí)，所有類型的燃油汽車或新能源汽車的驅(qū)動(dòng)裝置要比原來(lái)小（輕），能源消耗同樣比原來(lái)要少（或跑的更遠(yuǎn)），這時(shí)動(dòng)力能源體積又可以針對(duì)市場(chǎng)需求優(yōu)化減小。當(dāng)汽車車身輕量化達(dá)到一定的階段，汽車車身的各部件都會(huì)跟著減小、減輕。

1 汽車輕量化技術(shù)發(fā)展的背景及意義

伴隨著我國(guó)汽車智能現(xiàn)代化的進(jìn)程，整個(gè)汽車工業(yè)的研究、開發(fā)及生產(chǎn)的發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)2005—2017年中國(guó)汽車市場(chǎng)銷量及增長(zhǎng)走勢(shì)（圖1），2017年我國(guó)汽車產(chǎn)量達(dá)到2888萬(wàn)輛，同2016年相比增加了30%，成為世界第一大汽車生產(chǎn)國(guó)。

圖1 2005-2017年中國(guó)汽車市場(chǎng)銷量及增長(zhǎng)走勢(shì)

截至目前，我國(guó)汽車保有量達(dá)到2.32億輛。汽車輕量化，是在確保汽車安全行駛的條件下，保證汽車各部位的受力強(qiáng)度，通過(guò)優(yōu)化汽車整體重量提高汽車行駛的高效動(dòng)力能力，促使動(dòng)力能源與執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小，減少燃料消耗，降低排氣污染。當(dāng)今我國(guó)汽車燃油價(jià)格不斷上漲、新能源電池的價(jià)格水漲船高，車體輕量化已成為整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)前，汽車行業(yè)發(fā)展面臨三大問題：汽車燃油消耗，尾氣排放是否符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，汽車受外力的強(qiáng)度能否確保汽車行駛安全。對(duì)這些問題，全球都在重視并制定了相應(yīng)的能源和環(huán)保法規(guī)，并針對(duì)出現(xiàn)的問題不斷提出優(yōu)化改進(jìn)措施。輕量化技術(shù)研究通過(guò)減輕汽車整體重量降低燃油消耗、減少排放。有關(guān)數(shù)據(jù)研究表明，若汽車整體重量減少20%，汽車燃油效率可提高12%～16%；若車橋、變速器等聯(lián)合滾動(dòng)機(jī)構(gòu)阻力減少20%，汽車燃油效率可提高7%。此外，車輛每減重100 kg，CO2排放量可減少5 g/km。因此可見，汽車輕量化技術(shù)的特點(diǎn)就是降低燃油消耗，這對(duì)于節(jié)約能源、減少?gòu)U氣排放、實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展十分重要。汽車白車身重量占整車重量的38%，汽車空運(yùn)行狀態(tài)下，約72%的燃油消耗都用在白車身重量上，因此汽車輕量化減重，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全等因素至關(guān)重要。輕量化在車輛行駛及操控的穩(wěn)定性意義上的碰撞與安全性能上的提升相當(dāng)滿意。輕量化鋁合金材料對(duì)沖撞能量的吸收，又提高了汽車行駛碰撞的安全性。以降低能源消耗、降低排放污染等為出發(fā)點(diǎn)，汽車輕量化研究技術(shù)一直為創(chuàng)新沖壓工藝、制造技術(shù)而不斷探索。

2 鋁合金材料在新能源汽車車身上的應(yīng)用

鋁合金材料的牌號(hào)依據(jù)非鋁元素的種類與含量的不同，分為1000～9000共9大系列。

新能源汽車車身用鋁合金材料主要包括：銅元素含量最高、硬度較高的2000系列，主含鎂元素、又稱“鎂鋁合金”的5000系列，鎂硅含量高、抗腐蝕和抗氧化性能好的6000系列，新能源汽車車身的不同受力部位采用不同系列型號(hào)的板材、型材、管材及高性能壓鑄鋁等鋁合金材料。

新能源汽車車身共分為4大區(qū)：①骨架。車身受力最大的部位，采用2000系或7000系材料，可熱處理強(qiáng)化。②外板。車身次受力部位，采用5000系或6000系材料。③車門。采用5000系或6000系材料。④地板。采用5000系或6000系材料。

3 鋁合金沖壓工藝CAE應(yīng)用分析

隨著科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，沖壓產(chǎn)品的多樣化、復(fù)雜化趨勢(shì)不可避免。針對(duì)這一復(fù)雜的技術(shù)工程，技術(shù)人員都希望在沖壓產(chǎn)品生產(chǎn)前有精確的模擬、分析和直觀的論證。這些工作借助CAE應(yīng)用分析軟件得以實(shí)現(xiàn)，CAE(Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程分析 )是對(duì)白車身沖壓件的設(shè)計(jì)、分析、數(shù)據(jù)管理、模擬試驗(yàn)、沖壓運(yùn)行仿真及制造的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程。針對(duì)沖壓產(chǎn)品的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化評(píng)價(jià)，以便在多個(gè)方案中找到最佳設(shè)計(jì)。

汽車白車身沖壓件開裂、反彈、起皺、回彈補(bǔ)償、拉伸變薄等分析是沖壓模具工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的重要來(lái)源。反彈、變薄、起皺、拉裂是模具沖壓件生產(chǎn)過(guò)程常見的缺陷，尤其在零件沖壓拉伸深度深與機(jī)床壓邊力大小失控時(shí)出現(xiàn)。因此在產(chǎn)品沖壓之前的模具設(shè)計(jì)、CAE工藝分析尤為重要。

通過(guò)產(chǎn)品沖壓CAE應(yīng)用工藝分析，不但能準(zhǔn)確計(jì)算出材料拉伸成型時(shí)的板料流動(dòng)情況、材料分布變薄的數(shù)據(jù)，還能判斷產(chǎn)品沖壓件的開裂與變薄，生產(chǎn)中降低報(bào)廢率。

傳統(tǒng)零件的成型性分析只能依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、評(píng)估來(lái)判斷產(chǎn)品沖壓模具設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的可行性，造成后續(xù)開發(fā)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多問題。可通過(guò)ECR設(shè)計(jì)優(yōu)化更改產(chǎn)品的型面轉(zhuǎn)角來(lái)消除開裂、變薄。新能源汽車沖壓模具的設(shè)計(jì)，CAE沖壓可成型性分析對(duì)工藝方案的確定非常重要，直接關(guān)系到后續(xù)模具的開發(fā)，也是縮短模具開發(fā)周期的關(guān)鍵。

4 鋁合金產(chǎn)品沖壓模具研發(fā)注意事項(xiàng)

4.1 拉伸類模具裝配研發(fā)注意事項(xiàng)

（1）拉伸模工作型面拋光要光潔細(xì)膩，表面鍍硬鉻或TD（Thermal Diffusion Carbide Coating Process，熱擴(kuò)散碳化物涂層工藝）處理。

（2）模具拉伸型面處硬度要求：外板≥70 HRC，內(nèi)板≥55 HRC。

（3）拉伸筋工藝補(bǔ)充較多，拉伸筋采用圓筋，拉伸筋R角比鋼件大。

（4）鋁件的滑移線在圓角上即合格，要求≤18mm。

（5）壓料圈著色優(yōu)于鋼件。

（6）拋光鋼件的砂紙最高可以是1000#，鋁件一般需要達(dá)到2000#砂紙的光潔度。

4.2 翻邊、整形、成形類模具裝配注意事項(xiàng)

（1）翻邊壓料寬度（20～25）mm。

（2）翻邊間隙為板料厚度的95%。

（3）鋁件翻邊對(duì)鑲塊要求較高，鑲塊表面不能有砂眼、氣孔，表面光潔度高，不能有明顯劃痕，否則易產(chǎn)生料屑（尤其是R角處）。

4.3 修邊、沖孔、落料類模具刃口與間隙裝配注意事項(xiàng)

（1）在鋁件廢料刀處采用斷開筋結(jié)構(gòu)，以減少料屑。

（2）刃口合入嘗試5 mm左右，刃口基準(zhǔn)深度8 mm。

（3）采用沉臺(tái)階凸模，以減少料屑。

（4）修邊盡量減少?gòu)U料刀，同時(shí)考慮刀的鋒利程度。

（5）鋁件修邊、沖孔、落料間隙略大于鋼件，鋁件：（10%～12%）×料厚。

（6）壓料板著色寬度（10～15）mm。

5 鋁合金產(chǎn)品沖壓注意事項(xiàng)

鋁合金具有質(zhì)量輕、較軟、防火性佳、加工工藝性好、色彩可選性廣、裝飾效果極佳、易于回收、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但沖壓時(shí)易產(chǎn)生頂傷、壓傷、刮傷、變形，生產(chǎn)中需要注意的事項(xiàng)：

（1）沖壓時(shí)遵循人、機(jī)、料、法、環(huán)全面質(zhì)量控制與管理的理論依據(jù)。也是確保產(chǎn)品質(zhì)量的5個(gè)主要因素。

（2）原材料檢查。鋁合金板料牌號(hào)、規(guī)格、尺寸，雙面貼膜是否完好無(wú)損。

（3）開平作業(yè)。按工藝作業(yè)指導(dǎo)書，剪切所需要的材料尺寸及規(guī)格。

（4）確認(rèn)各工序沖壓模具與沖壓產(chǎn)品規(guī)格是否對(duì)應(yīng)，檢查導(dǎo)向、刃口、型腔、沖頭、斜器等部位是否有損壞情況，并記錄在模具履歷表上。

（5）各工序產(chǎn)品沖壓。根據(jù)沖壓工藝作業(yè)指導(dǎo)書，實(shí)施各工序的沖壓，并與每道工序樣件對(duì)比沖壓狀態(tài)。

（6）首件產(chǎn)品確認(rèn)。檢查首件沖壓產(chǎn)品，用3坐標(biāo)按工藝作業(yè)指導(dǎo)書檢查每項(xiàng)檢測(cè)點(diǎn)，做好首件全檢記錄，確認(rèn)產(chǎn)品符合率。

（7）沖壓過(guò)程巡檢。巡檢員按各工序生產(chǎn)的工序件檢查沖壓狀態(tài)，在工序件上做巡檢符號(hào)，在巡檢記錄按每批（30～50）件檢查記錄一次沖壓狀況。

（8）沖壓成品檢驗(yàn)。將成品件放在檢具上，定位夾緊后，以每100件/次檢查沖壓的產(chǎn)品符合率狀況，做好批量沖壓件檢查記錄，確認(rèn)產(chǎn)品滿足符合率情況。

（9）外觀檢查。將沖壓成品件依次去除貼膜，檢查產(chǎn)品外觀，確認(rèn)主要部位完好無(wú)損，總體質(zhì)量符合要求時(shí)，再放入專用盛具內(nèi)，掛上檢查合格標(biāo)簽。

（10）表面處理。外表面氧化著色處理，跟據(jù)表面著色工藝要求，處理達(dá)到相應(yīng)的顏色，放入專用盛具內(nèi)，存放到防塵車間，用PP膜封裝整個(gè)盛具外表，防止灰塵進(jìn)入影響表面品質(zhì)。

（11）物流入庫(kù)。確認(rèn)數(shù)量與產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)后入庫(kù)，做好ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）數(shù)據(jù)錄入工作，確認(rèn)入庫(kù)數(shù)據(jù)與發(fā)貨數(shù)據(jù)，等待發(fā)貨。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著輕量化技術(shù)的應(yīng)用，汽車在提高外觀造型美觀性的同時(shí)還能有出色的節(jié)能表現(xiàn)。汽車輕量化技術(shù)包括4個(gè)方面的研究：①整體車身從厚的普板向薄的高強(qiáng)度合金板轉(zhuǎn)變；②整體車身從鋼板（密度高）向高分子塑料件（密度低）轉(zhuǎn)變；③整體車身從鋼結(jié)構(gòu)向鋁合金等材料的轉(zhuǎn)變；④新型能源動(dòng)力的開發(fā)與研究。因此，車身變輕對(duì)于整車的燃油消耗、節(jié)能減排、車輛控制的穩(wěn)定性、提高行車碰撞安全性都有很大的優(yōu)越性。汽車輕量化是未來(lái)汽車在節(jié)能環(huán)保，降低污染等方面的重要發(fā)展方向。鋁合金作為典型的輕型材料越來(lái)越被行業(yè)認(rèn)可，全鋁化車身是未來(lái)汽車輕量化發(fā)展的一種趨勢(shì)。