汽車輕量化材料及制造工藝研究現狀

強薇 王小林 葛平

摘要：在現實生活中，節能環保、安全舒適、智能通信已經是汽車技術發展的重要趨勢，更是汽車可持續發展關鍵所在。隨著人們對環境重視度的加強，對于汽車高性能、高環保、高安全的研究已經是當下重要問題。降低汽車自重是汽車降低燃耗、減少排放的有效可行方式之一。要實現汽車的輕量化設計，就要注重高強度鋼、輕質材料、復合材料、工程塑料等材料的運用，再運用現代化的制造工藝，從而實現汽車的輕量化目標。

關鍵詞：汽車輕量化材料；制造工藝；研究現狀

1.汽車輕量化研究和分析

1.1汽車輕量化研究

汽車輕量化技術作為一種全新技術，主要由汽車結構的合理設計和輕量化材料的使用兩個部分組成。汽車結構設計輕量化技術是保證汽車現代化結構的主要技術，不僅注重外形，更注重性能。在現階段，結構設計的輕量化一般采用前輪驅動、高剛性結構、超懸架結構等來達到相應的輕量化目的。在用材方面可以運用輕量化材料替代或者采用新材料以便達到汽車輕量化的目的和要求。

1.2汽車輕量化取決于汽車材料

減少汽車的車身重量不僅有助于減少汽車的總體重量，還有助于降低發動機的發電功率。要實現汽車輕量化，首先要在汽車制造材料找到相應的突破口，具體而言，所采用的材料主要有一下幾種：第一種，使用密度小、強度高的輕質材料，例如鋁鎂合金、塑料聚合物、陶瓷材料等。第二種，使用同密度、同彈性模量而且工藝性能比較好的界面厚度較薄的高強度鋼。第三種，使用基于新材料加工技術而形成的輕量化結構用材，如金屬基復合材料板、激光焊接板材等。

2.汽車輕量化材料

隨著汽車工業的不斷發展和進步，實現現代化的汽車輕量化，保證汽車設計的安全性能一直以來是汽車領域的重要問題。要促進現代汽車輕量化發展，必須要采用輕質化、高性能替代材料和新成型工藝，使汽車設計更加符合現代化的要求。在汽車領域中，除了常見的新型高強度鋼、輕合金材料等材料之外，本文主要介紹在汽車領域中最新使用比較頻繁的材料。第一種是纖維增強材料。纖維增強材料主要由玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等增強纖維材料，與基體材料經過纏繞，模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。樹脂基體多種多樣，主要包括PP、PA6、PA66、PBT等，具有比強度高、比模量大、設計性強、抗腐蝕性好、耐久性好等特點，主要用在汽車前段模板、護板、托盤、支架等位置，能保持產品成型穩定性和結構強度，以塑代鋼，從而為汽車減重，在汽車改進過程中具有劃時代的意義。第二種是低密度PP材料。PP是所有合成樹脂中密度最小的，僅為0.90～0.91g/cm，拉伸強度和剛性都比較好，但沖擊強度較差，特別是低溫時耐沖擊性差。此外，如果制品成型時存在取向或應力，沖擊強度也會顯著降低。雖然抗沖擊強度差，但經過填充或增強等改性后其機械性能在許多領域可與成本較高的工程塑料相競爭。若是在汽車輕量化設計的過程中，運用低密度PP材料，具有較低密度、較高彎曲模量和高沖擊強度等特點，運用在汽車保險桿、儀表板、門板等部件具有顯著的減重效果，其耐刮擦性能和著色性能更佳。第三種是工程塑料。工程塑料具有質輕、防銹、吸震、可設計自由大等特點，運用在汽車零部件、內飾部件具有顯著效果。隨著現代汽車研究的不斷加深，工程塑料在汽車上的用量越來越普遍，甚至超過了鑄鐵的用量。很多塑料零件應用于車身上，比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車子有塑料的后地板等等。第四種是低VOC綠色環保材料。在傳統的汽車材料中，運用在汽車內飾部件的揮發性有機化合物，簡稱為“VOC”，是影響車內空氣質量的主要原因之一。這種物質帶有強烈的揮發性，主要是由烷烴、烯烴、芳烴、乙醛或酮類等物質組成，沸點通常在50℃～260℃的范圍之內。一旦汽車內部的溫度過高，這些物質就會揮發形成霧翳并凝結在前擋風玻璃上，直接阻礙駕駛人員的視線。同時，這些物質還能產生異味，導致人出現頭暈目眩、干咳不適、過敏嚴重等不良反應，對駕駛人員的身體健康造成嚴重損壞。低VOC材料是通過使用高純度、高熱氧穩定的添加劑，采用合適的工藝減少聚合物和助劑的降解，使用真空、添加劑吸附等手段實現低VOC，對于改善汽車室內環境顯得尤為重要。

3.先進輕量化制造工藝

3.1激光拼焊板成型技術

對于汽車輕量化而言，激光拼焊板成型技術具有非常高的地位，汽車底板、側圍、尾門內板、輪罩等各類零部件的成型都無法離開此種技術的應用。此種技術于板材加工的過程中可以實現不同材質及厚度鋼板焊接在一起的目的，可大幅度降低搭邊等各類因素引發的資源浪費問題，提升了材料的使用率，所以被廣泛應用于制造業。激光拼焊板成型技術相比點焊等傳統技術優勢十分明顯。第一，將不同厚度與不同材質的材料焊接在一起的同時可以將其各自優勢充分發揮，進而對車身的理學性能進行改善，汽車強度大幅度提升的同時質量減輕；第二，加工過程中所需的模具數量大量減少，進而起到成本節約的目的；第三，降低了搭邊等各類因素引發的材料浪費問題，材料利用率得到提升的同時優化了零件結構。

3.2熱成型技術

熱成型技術近些年來逐漸發展為汽車輕量化進程推進過程中不可缺少的一種技術，在汽車衡量以及加強版等重要零件中應用非常普遍。熱成型技術的原理是將鋼材加熱至奧氏體狀態后再進行加工，此種方式可以對材料的成型性能進行有效改善，其加工的零件無論是延展性還是強度都有一定程度的良性變化，不僅質量更輕而且沖壓性能也更加理想。與傳統冷沖壓相比熱成型工藝具有眾多優勢：第一，回彈更小，可以大幅度提升加工零件的尺寸精度；第二，加工零件更薄，汽車重量大幅度降低；第三，塑性和延展性提升，可對更加復雜的零件進行加工；第四，降低了板料的變形抗力，可在沖壓時降低沖壓機的噸位，進而成本得以節省。

4.結語

綜上所述，時代的發展促進了汽車產業的不斷進步，汽車制造的輕量化技術也在不斷成熟。在這個過程中，需要加大資金投入，開發新型輕量化材料技術，解決輕量化過程中的技術難題，并結合綠色節能及信息化技術，促進汽車輕量化的發展。

參考文獻

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[2]郭玉琴，朱新峰，楊艷，熊倪.汽車輕量化材料及制造工藝研究現狀[J].鍛壓技術，2015，40（03）：1-6.

（作者單位：江西交通職業技術學院）