車身零部件新工藝代替傳統沖壓工藝解析

文／馮永旺，劉書杰，張剡，張明森·中汽研汽車工業工程(天津)有限公司

近年來，中國汽車工業發展突飛猛進，汽車工業已成為國民經濟發展的重要支撐產業。國家政策不斷推進節能減排和車輛輕量化的發展要求，新材料、新工藝、新技術脫穎而出，碳纖維、增強塑料、鋁合金和鎂合金等輕量化材料的應用，熱沖壓成形、激光拼焊和注塑及一體化壓鑄工藝在車身的應用已成為當前汽車節能減排的重要發展方向。

汽車車身由眾多零部件組成，主要包括前車身(前保險杠、前翼子板、發動機罩、前圍板、前縱梁)，中間車身(車門、頂蓋、車身立柱、車身底板)和后車身(行李廂蓋或后尾門、后側板及后保險杠等)，見圖1，這些零部件通過多種原材料進行不同加工工藝流程生產出來。隨著汽車工業制造技術不斷提升改進，傳統沖壓工藝遠遠不能滿足新的生產要求，本文針對各類汽車零部件生產新工藝技術進行解析。

圖1 車身組成示意圖

車身零部件成形新工藝

熱沖壓成形

⑴工藝原理。

對于熱沖壓成形生產工藝，需要將原材料坯料加熱到900℃以上的奧氏體轉變溫度，在鋼板具有一定的延展性時，將其快速送至壓力機進行沖壓，沖壓時模具合模要保持一段時間的穩定壓力，模具內的冷卻設備能夠對鋼板進行淬火，使沖壓零部件內部形成均勻的馬氏體結構，可以更好地控制沖壓件的形狀，并獲得良好的尺寸精度和機械性能。

熱成形工藝生產的沖壓零件，在零件產品表面有一層氧化皮，須通過拋丸或酸洗等工藝去除，之后對零件進行修整和鉆孔。因熱沖壓零件的強度較高，不能通過傳統方法進行修整和鉆孔，必須通過激光切割技術完成。

⑵工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程

⑶技術優勢。

①改善車輛的碰撞性能，提高了汽車的安全性；

②提高工件強度，優化產品結構；

③熱沖壓件成形穩定性相對較好；

④減少車身零部件數量，降低了車身結構設計難度；

⑤降低了沖壓件對壓力機的噸位要求；

⑥有效提高了零部件表面硬度和耐磨性。

⑷典型應用場景。

車身采用熱成形零部件主要有A 柱、B 柱、門檻、防撞梁、地板通道、橫向支撐梁、縱向承載梁、前后保險杠、側圍加強板(門環結構)和后地板縱梁等，如圖3 所示。

圖3 采用熱成形的零部件

激光拼焊成形

⑴工藝原理。

激光拼焊技術是指激光功率密度達到一定值時，將工件表面溫度迅速升高，短時間內達到沸點，將兩個工件拼焊部位熔化、冷卻，然后凝結成一個整體的過程。這項技術可以將不同等級、不同強度和不同厚度的鋼板采用激光拼焊技術連接，從而實現最大程度的減輕重量，并提高安全性。熱沖壓和激光拼焊相結合可以解決大多數汽車零部件對輕量化的要求。這種拼焊板一般由兩個或三個工件焊接而成，側圍門環屬于典型的多種厚度鋼板通過激光拼焊結合而成的結構，見圖4。

圖4 多種厚度鋼板門環

⑵工藝流程。

預處理(除污垢)→對位→焊接→后處理(焊縫打磨)。

⑶技術優勢。

①優化了車身部件質量，實現更大程度的車身輕量化；

②加熱集中，工件焊接變形性小；

③簡化制作工藝，減少投入設備工序，減低了生產成本；

④降低了整備質量，從而減少汽車油耗；

⑤原材料使用率大大提高，減少廢料，達到環保目的；

⑥不同材料和厚度組合，使結構剛度提升，增加了抗腐蝕性。

⑷典型應用場景。

激光拼焊工藝解決了由傳統單一厚度材料所不能滿足的超寬板及零件不同部位具有不同工藝性能要求的工藝問題。該項技術在汽車行業主要應用于車身側圍外板、側圍內板、B 柱、頂蓋、車門內板、地板等。

注塑成形

⑴工藝原理。

注塑成形屬于物理變化，是將顆粒狀或粉末狀的原材料加入到注射機的料斗內，原材料經過高溫加熱熔化呈流動狀態，在注射機的螺桿推動作用下，經過噴嘴和模具的澆注系統進入模具型腔，在模具型腔內降溫冷卻硬化定型，形成所需工件形態。

⑵工藝流程。

原材料→自動上料→烘干→加熱→填充→保壓→冷卻→脫模→機器人引取→皮帶機輸送→修邊→檢查→下件。

⑶技術優勢。

①成形速度快，周期短，尺寸精度高；

②生產效率高，產品質量穩定，易于實現自動化生產；

③產品質量輕，以塑代鋼實現更大程度的車身輕量化；

④簡化制作工藝，減少投入設備工序，減低了生產成本；

⑤降低了整備質量，從而減少汽車油耗；

⑥原材料可二次利用，減少廢料，達到環保目的。

⑷典型應用場景。

近些年，隨著汽車車身輕量化、生產制造低碳、綠色節能的提出，注塑零部件在汽車車身設計得到廣泛的應用。在汽車內飾件中主要應用于儀表盤、副儀表板、車門防護板、座椅、頂棚等；在汽車外部件中主要應用于前后保險杠、汽車外板件(車門外板、機蓋外板等)、擋泥板、側防撞條、左右翼子板、前蓋裝飾、格柵、導流板、車燈及雨刮器等。

多纖維復合材料成形

⑴工藝原理。

HP-RTM(高壓樹脂傳遞模塑成形工藝)是指利用高壓壓力(80bar)將樹脂對沖混合并注入到已經經過剪裁預成形的增強纖維材料和預置嵌件的真空密閉模具內，經樹脂流動充模、浸漬、固化和脫模，獲得復合材料制品的成形工藝。

PCM(聚合物復合材料)：預浸料模壓成形工藝將預浸料按照一定的產品造型，鋪覆在金屬模具上，合模后，在一定溫度和壓力下，產品固化成形。

SMC(玻璃纖維)模壓成形工藝將一定量的經過一定預處理的模壓料放入預熱的壓模內，施加較高的壓力使模壓料充滿模腔。在預定的溫度條件下，模壓料在模腔內逐漸固化，然后將SMC 產品從壓模內取出，再進行必要的輔助加工即得到最終產品。

LFT(長纖維增強熱塑性材料)注塑成形工藝采用螺桿一線式實現在線混配注塑成形，主要由合模機構、塑化注射機構、進纖系統、液壓系統和電器控制系統組成，配以切纖機、機械手、模溫機等構成，借助外力牽引纖維粗紗經過浸漬、固化和切料等工序來制備LFT 材料，成形后的材料截面固定且實現材料連續生產。

⑵工藝流程。

①HP-RTM 成形工藝流程見圖5。

圖5 HP-RTM 成形工藝流程

②PCM 預浸料模壓成形工藝流程見圖6。

圖6 PCM 預浸料模壓成形工藝流程

③SMC 模壓成形工藝流程見圖7。

④LFT 擠出成形工藝流程見圖8。

圖8 LFT 擠出成形工藝流程

⑶技術優勢見表1。

表1 多纖維復合材料成形

⑷典型應用場景。

多纖維復合材料使用以上制程工藝，常見于車身系統的四門兩蓋、散熱器罩、保險杠、底板、門窗框架，底盤系統的橫縱梁、支架、輪轂、板簧、汽車發動機系統的連桿、搖臂油箱底殼、傳動系統的傳動軸、減速器、制動系統的剎車片等部件。HP-RTM 和PCM制品因為具有非常好的纖維取向，剛強度等力學性能較好，更適合制造鋼制車身上的大型框架結構和鈑金結構件，如車身框架、外覆蓋件等；而SMC 和LFT 制件因使用非連續纖維，在力學性能上表現稍弱，但更適合生產復雜結構的小型異形件，且部件厚度可以較大。

一體化壓鑄成形

⑴工藝原理。

壓力鑄造(簡稱壓鑄)是指在高速高壓的作用下，將液態或半液態金屬填入壓鑄模型腔，并使金屬液在一定的壓力下快速凝固成鑄件的一種精密鑄造方法。高速高壓是壓鑄技術與其他鑄造方法的根本區別，也是最重要的特點。

近年來，隨著新能源汽車國內市場占有率的進一步提高，壓鑄工藝的使用范圍也從傳統的動力總成殼體(電機、多合一動力總成)、電池殼體發展到車身結構件，大型壓鑄機鎖模力也從5000 噸快速發展到12000 噸，車身結構件越做越大，集成的零件也越來越多，從最初的減振塔發展到發動機倉、后地板等大壓鑄件，一體化壓鑄工藝大行其道。

⑵工藝流程。

熔煉→壓鑄→去澆道→清理→矯形→檢測→機加工→標準件壓鉚→涂裝→檢測→成品。

⑶技術優勢。

①壓鑄時金屬液體承受壓力高，流速快，產品質量好，尺寸穩定，互換性好。

②生產效率高，適合大批量生產，經濟效益好。

③對于車身結構件來說，如果采用鋁合金壓鑄工藝，可以用一個壓鑄件代替原來多個沖壓件點焊而成的焊接總成件，從而省掉沖壓焊接工序，省時省力。如國內某整車廠后地板采用一體化壓鑄工藝后，車身下部重量降低30%，制造成本下降40%，車身下部零件數量比上一代車身下部減少79 個，焊點數量由700 ～800 個減少至50 個，制造時間由傳統工藝的2 ～3 小時減少至3 ～5 分鐘，成功實現了生產效率的提高，生產成本的下降。

⑷典型應用場景。

起初在一些高端車型上采用壓鑄工藝的車身結構件主要有前減振塔、后減振塔、儀表臺、后輪罩、中通道、A 柱、B 柱、車門內板等，見圖9，近幾年來，車身結構件有大型化的趨勢，多家車企目前已積極部署發動機倉、后地板等大總成件的壓鑄工藝見圖10。

臨川四夢臨川文學的經典名作，指明代劇作家湯顯祖的《牡丹亭》《紫釵記》《邯鄲記》《南柯記》四劇的合稱。因“四劇”皆有夢境，才有“臨川四夢”之說，亦可說“四劇”本身就是其畢生心血凝聚成的人生之夢。

圖9 車身結構件壓鑄第一階段

結束語

新材料、新工藝、新技術在汽車工業中的應用，對傳統汽車生產制造是一次顛覆性的突破。多纖維材料相比于傳統碳鋼材料具有高強度、高剛度且還具有優良的隔音和防振性能，同時質量更輕，提升了汽車的安全性、經濟性和舒適度。此外，應用復合型材料和一體化壓鑄等新工藝，加工更容易、能源材料消耗更低。隨著新材料和新技術的不斷進步，降低了汽車生產碳排放量，有利于實現汽車工業生產綠色、節能、環保及可持續發展的理念。