在當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升難度日益加大、動(dòng)力電池效率不盡如人意的背景下，不論對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車，還是新能源汽車，輕量化技術(shù)都是一項(xiàng)共性的基礎(chǔ)技術(shù)。鋁合金作為一種具備多種優(yōu)良性能的輕質(zhì)材料，成為目前汽車輕量化技術(shù)發(fā)展中的首選材料。

　　鋁合金在車身上的應(yīng)用

　　鋁合金的牌號(hào)依據(jù)所含非鋁元素的種類與含量的不同，分為1000到9000共九大系列。

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

　　骨架部分：車身受力最大的部分，采用2000系或7000系材料，可熱處理強(qiáng)化。

　　外板部分：車身次要的受力部位，采用5000系或6000系材料。

　　車門部分：采用5000系或6000系材料。

　　地板部分：采用5000系或6000系材料。

　　鑄件：采用高性能鑄鋁合金，可熱處理強(qiáng)化。

　　鋁合金在汽車上廣泛運(yùn)用

　　鋁鑄件被制造能夠承載大載荷的部件，明顯減輕了重量但同時(shí)還具有高的強(qiáng)度。這些板件具有復(fù)雜的幾何形狀，通常是用真空壓鑄的方式，使它具有較高強(qiáng)度。鋁鑄件還具有高的延展性，良好的焊接性能，較高的塑性，保證了在發(fā)生碰撞時(shí)的高安全性。這些鑄件的鋁合金類型是5000或6000系列鋁合金。目前鋁鑄件主要運(yùn)用到電動(dòng)車電池包結(jié)構(gòu)箱體上比較多。

　　Tesla Model S(參數(shù)|圖片)電池箱體

　　汽車車身用鋁合金零件關(guān)鍵制造技術(shù)

　　汽車車身用鋁合金零件主要有鑄造(鑄鋁)連接件、覆蓋件(板材沖壓)、擠壓型材骨架結(jié)構(gòu)件、液壓成形板材覆蓋件和管材結(jié)構(gòu)件等。

　　普通沖壓工藝加工鋁合金表面質(zhì)量差，成品率低（只有70% 左右），不能滿足車身零件高精度、高可靠性、高效率和低缺陷制造的要求。汽車車身零件的液壓成形技術(shù)在歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車產(chǎn)業(yè)中獲得了大量應(yīng)用，設(shè)備最高壓力達(dá)到了400 MPa，加工出鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板、車門內(nèi)外板及翼子板等覆蓋件已裝車應(yīng)用。

　　大型鋁鑄件、液壓成形部件是鋁合金成型的兩項(xiàng)核心技術(shù)。鋁合金汽車板材和管材液壓成形工藝如下圖。

　　液壓成型工藝

　　與沖壓工藝相比，液壓成形工藝的優(yōu)勢(shì)如下：

　?。?）減小毛坯尺寸，節(jié)約材料；

　?。?）提高成形極限，減少成形道次；

　　（3）零件的表面質(zhì)量和尺寸精度大幅提高；

　?。?）降低配套模具數(shù)量和成本；

　?。?）減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量；

　?。?）可以成形形狀復(fù)雜、變形程度大、整體性要求高的零件。

　　這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已成為汽車輕量化的主流技術(shù)，并朝著集成化、快速化、大型化、精確化等方面發(fā)展。雖然國(guó)內(nèi)在大噸位液壓成型樣機(jī)研制方面已經(jīng)取得成功，如1600 t 和1050 t 材料液壓成形設(shè)備，但是在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用鋁板液壓成形技術(shù)還存在著以下主要難點(diǎn)：

　　（1）基于鋁板液壓成形設(shè)計(jì)知識(shí)的欠缺。提供給設(shè)計(jì)人員的液壓成形知識(shí)不系統(tǒng)、不全面，造成我國(guó)設(shè)計(jì)人員無(wú)法或根本不能夠考慮到液壓成形技術(shù)在輕量化結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。

　　（2）面向液壓成形技術(shù)的鋁板材料成形性和零件質(zhì)量控制體系的研究不足。多數(shù)面向普通沖壓成形的鋁板材料成形性和零件質(zhì)量控制研究的結(jié)果并不適用于液壓成形技術(shù)。

　?。?）諸多的工裝模具及超高壓液壓源系統(tǒng)面向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

　?。?）以鋁板液壓成形為核心的全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的裝備研究不完善。

　　由于上述原因，面向產(chǎn)業(yè)化的并聯(lián)動(dòng)作系統(tǒng)并未得到實(shí)際的應(yīng)用，工裝和模具開(kāi)發(fā)成型難度大、調(diào)試周期長(zhǎng)，因而成本較高，在國(guó)內(nèi)車型仍鮮見(jiàn)應(yīng)用。

　　鋁合金汽車板材零件液壓成形應(yīng)用（Tesla Model S 側(cè)圍及地板）

　　鋁合金汽車管材零件內(nèi)高壓成形應(yīng)用（Tesla Model S P85D 及 捷豹XFL(參數(shù)|圖片)）

　　鋁合金板溫成形工藝受到材料成形性能、工藝參數(shù)與模具的設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑與摩擦狀態(tài)等諸多因素的影響，目前仍是一項(xiàng)待進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)的板料沖壓成形新技術(shù)。如果得到突破，則可以提供高效率成形技術(shù)——平均每小時(shí)生產(chǎn)零件（ASPH ）大于540件。

　　汽車地板溫沖壓工藝流程

　　近年來(lái)，鋁合金板溫成形技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于汽車車身。目前，板材溫成形沖壓技術(shù)用于車身鋁板沖壓仍存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下方面。

　　（1）成形性還需繼續(xù)改善。鋁合金板材的局部拉延性不好，容易產(chǎn)生裂紋，特別是形狀比較復(fù)雜的零件。

　?。?）零件表面質(zhì)量不夠理想。為避免拉裂，常常導(dǎo)致沖壓拉伸不充分，作為外覆蓋件容易出現(xiàn)局部面畸變等缺陷，影響表面質(zhì)量。

　?。?）尺寸精度不容易掌握，回彈難以控制。由于上述原因，鋁板沖壓模具開(kāi)發(fā)難度大、調(diào)試周期長(zhǎng)，因而成本較高，難以滿足高檔轎車車身件的質(zhì)量要求。

　　汽車外覆蓋件

　　型材擠壓成形

　　在車身設(shè)計(jì)中，應(yīng)用空間框架設(shè)計(jì)可使車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高60% 。型材擠壓成形技術(shù)是一項(xiàng)車身框架型材伺服控制擠壓彎曲一體成形技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)空間框架設(shè)計(jì)的主要技術(shù)手段。

　　德、日、美等國(guó)已投入大量人力物力，攻關(guān)大型扁寬鋁合金型材擠壓工藝、精密淬火與人工時(shí)效、精整校直等關(guān)鍵技術(shù)。一些新的擠壓技術(shù)也相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如高速擠壓、靜水?dāng)D壓、無(wú)殘料擠壓、變截面擠壓等。

　　中高檔汽車如奧迪、寶馬旗下眾多車型、日產(chǎn)系列、通用君威和君悅以及豐田皇冠(參數(shù)|圖片)等，都采用鋁合金作為防撞梁和吸能盒的材料。

　　型材擠壓成型過(guò)程實(shí)際是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)始的。產(chǎn)品的使用要求決定了產(chǎn)品的許多最終參數(shù)，如產(chǎn)品的機(jī)械加工性能、表面處理性能以及使用環(huán)境要求等決定了被擠壓鋁合金的種類。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)形狀也會(huì)決定鋁型材性能以及擠壓模具的形狀。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題解決，實(shí)際的擠壓過(guò)程就從擠壓用鋁鑄棒開(kāi)始，經(jīng)過(guò)擠壓前的加熱軟化，然后放入擠壓機(jī)的盛錠筒內(nèi)，再由大功率的油壓缸推動(dòng)前端裝有擠壓墊擠壓桿，在強(qiáng)大壓力的作用下，軟化后的鑄鋁棒從模具精密成型孔中擠出成型。

　　擠壓成型模具

　　鋁合金前防撞梁

　　Jeep前防撞梁

　　擠壓-彎曲一體化加工技術(shù)如下圖。型材出模口后的彎曲變形是通過(guò)一系列引導(dǎo)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該方法不僅可以精確地控制型材的彎曲精度，而且可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)三維彎曲（即不同部位有不同的彎曲方向和曲率半徑）。根據(jù)型材彎曲時(shí)的受力條件，彎曲引導(dǎo)模離擠壓模出口的距離也可以進(jìn)行調(diào)整。

　　型材擠壓-彎曲一體化加工

　　就擠壓工藝而言，由于普通擠壓壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)特性固定不變，工藝參數(shù)的優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)。將伺服控制系統(tǒng)與擠壓壓力機(jī)結(jié)合，就能實(shí)現(xiàn)任意滑塊運(yùn)動(dòng)特性曲線，滑塊位置精度可達(dá)0.01mm，伺服壓力機(jī)行程可根據(jù)成形工藝需要進(jìn)行方便地調(diào)整，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。

　　對(duì)于汽車的前縱梁、座軌、保險(xiǎn)杠、減震結(jié)構(gòu)等斷面變化結(jié)構(gòu)，其成形工藝通常采用沖壓焊接方法、擠壓、脹壓成形等，這些工藝過(guò)程復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本高，而且焊接部位會(huì)降低車身剛度及吸能特性。采用伺服控制擠壓-彎曲一體成形方法制造上述結(jié)構(gòu)中的鋁型材構(gòu)件，可顯著減少半成品的后續(xù)機(jī)械加工量，獲得全纖維高性能的擠壓件，從而提高車身骨架的強(qiáng)度性能和可靠性。

　　結(jié)構(gòu)件鑄造(鑄鋁)成形技術(shù)

　　鋁合金車身框架結(jié)構(gòu)（ASF）

　　鋁合金車身框架結(jié)構(gòu)的車身框架由鑄造和液壓成形的鋁合金部件組合而成，包括35% 的高精度鋁合金鑄造件、22% 的擠壓成形鋁合金件和35% 的鋁合金板材。其中，車身框架的連接件多為鋁合金鑄件，此類鑄件起到連接車身各鋁材的作用，是主要的承力部件，要有較高的強(qiáng)度。為了滿足使用需要，車身鋁合金鑄件多為復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)。由于此類鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及汽車產(chǎn)業(yè)大批量生產(chǎn)的需要，采用傳統(tǒng)的鑄造工藝已無(wú)法滿足要求，國(guó)外目前制造鋁合金車身鑄件大多采用真空壓力鑄造和特種擠壓鑄造等新的壓擠鑄造工藝技術(shù)。

　　真空壓力鑄造以及特種擠壓鑄造是新型鑄造技術(shù)。真空壓力鑄造與普通壓鑄相比，增加了抽真空操作，可將型腔中的氣體抽出，金屬液在真空狀態(tài)下充填型腔，減少了卷入的氣體，鑄件可進(jìn)行熱處理，力學(xué)性能高于普通壓鑄件。特種擠壓鑄造不僅可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬擠壓成型，還還可實(shí)現(xiàn)處于半固態(tài)的金屬漿料擠壓成型，此漿料具有較好的流動(dòng)性以及球狀顯微組織，可成型較為復(fù)雜的鑄件，而且鑄件具有優(yōu)良的力學(xué)性能以及較高的近終成型程度。

　　鋁車身可靠連接技術(shù)

　　機(jī)械連接技術(shù)：鋁合金導(dǎo)熱率高，采用傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊技術(shù)連接能耗極高，而且質(zhì)量難以保證。目前，國(guó)外汽車制造廠商大量采用自沖鉚接、自切削螺釘?shù)葯C(jī)械連接方法實(shí)現(xiàn)鋁合金連接。

　　焊接技術(shù)：對(duì)鋁車身零部件連接技術(shù)而言，目前除大量采用鎖鉚、自切削螺釘、自攻螺釘、沖聯(lián)工藝及膠（粘）接等非熔化連接方法外，還大量采用MIG焊、激光焊（包括激光熔焊、激光釬焊）及激光-MIG電弧復(fù)合焊等熔化焊接方法。其中，MIG焊、激光焊及激光-MIG電弧復(fù)合焊、攪拌摩擦焊成為鋁車身零部件焊接的標(biāo)準(zhǔn)工藝。

　　柔性化包邊技術(shù)：車身覆蓋件外形質(zhì)量要求高、精度控制嚴(yán)，傳統(tǒng)模壓包邊投入大、柔性差，機(jī)器人滾壓工藝（roller hemming）成為包邊柔性化的必然趨勢(shì)。國(guó)外成熟的汽車設(shè)備供應(yīng)商已有很多具備了柔性化鋁合金包邊技術(shù)，例如德國(guó)ThyssenKrupp、美國(guó)Hirotec、德國(guó)Edag、英國(guó)DVA 等公司。目前，國(guó)內(nèi)鋁合金覆蓋件配套的包邊設(shè)備供應(yīng)商主要是歐美企業(yè)。

　　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)所認(rèn)可，因此在汽車上的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛，可以說(shuō)全鋁化車身將是未來(lái)汽車輕量化發(fā)展的一種趨勢(shì)。

　　參考資料

　　1．李永兵，陳長(zhǎng)年，郎利輝，謝暉．汽車鋁車身關(guān)鍵制造技術(shù)研究．汽車工藝與材料，2013(3)：50-58．

　　2．許自立，翟海朋，王浩．鋁合金在汽車上的應(yīng)用．中國(guó)科技博覽，2014(3)：320-320．

　　3．戶取征二郎，高魁源．日本鋁合金車輛的最新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)．國(guó)外鐵道車輛，2002，39(2):7-11．