汽車輕量化材料及制造工藝研究現狀

石啟正 王勤衛

摘 要：進入21世紀以來，我國的汽車市場呈現出高速發展趨勢，為人們的滿足國內汽車行業發展需求，對出行帶來方便，汽車廠商為了國民需求，經過長期創新、摸索，理論驗證工作，設計出更加先進合理的汽車材料以及制造工藝，使得汽車逐漸向著輕量化的方向發展，制造工藝也更加先進。對汽車輕量化材料的應用狀況以及裝配工藝展開全面細致地分析探討，充分認識鋁合金、高強度鋼、復合材料等新型材料的優勢特點，對汽車行業的發展前景進行預測分析就顯得尤為重要。

關鍵詞：汽車;輕量化;制造工藝

中圖分類號：U462.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0075-02

0 引言

節能減排是汽車工業發展的必然趨勢，20世紀，石油危機，促進汽車工業節能減排加快進程，提高人民生產環境，汽車排放。汽車工業的節能減排對國家的能源供應和環境保護具有重大意義，故新材料運用勢在必行，刻不容緩。

自從改革開放以來，我國人民的經濟收入不斷提高，為汽車行業的發展奠定了良好的基礎。尤其是21世紀以來，我國的汽車銷量連續多年呈現出高速增長，已經成為全球范圍內最大的汽車消費大國。但是在另一方面，無論是材料設計，還是加工工藝，國產汽車與國外（奔馳、寶馬、奧迪）品牌還存在很大的差距，這對國產企業的進一步發展產生了極大的負面影響。如何提高汽車材料的創新研發速度，推動汽車制造技術的進一步發展成為各大汽車廠商需要考慮的重要問題。

1 汽車輕量化材料的應用現狀

隨著我國的能源危機越來越嚴重，我國政府提出了“低碳、環保、可持續發展”的戰略方針，而汽車輕量化設計可以有效降低能源消耗，推動社會經濟的健康有效發展。據統計，目前，各主機廠產品（傳統車/電動車/混合動力等），自重90%的六類主要材料，包含：鋼、鋁、鑄鐵、復合材料、陶瓷及玻璃組成，具體內容如下所示：

1.1 鋁合金材料

眾所周知，金屬鋁的密度非常小，力學性能好，在生產生活中得到了廣泛的應用。特別是金屬鋁與鋅、錳、鎘等元素結合在一起之后，能夠發揮出良好的力學性能。與傳統的鋼鐵材料相比，具有耐腐蝕性好、可塑性強、熱導率高等諸多優點，因此鋁合金用在了汽車發動機、汽車車身、輪轂等多個方面。與鋼材料相比，鋁合金能夠很好地吸收碰撞能，所以說鋁合金能夠有效提高汽車的安全性。鋁合金的重量不足低碳鋼的1/3，使得車身的重量大大減小，有效提高了汽車的燃油性，從這個角度分析，鋁合金是汽車輕量化設計的重要方向，這也符合我國低碳環保的政策方針。截止到目前為止，一些高端車型的車身全部使用鋁合金材料，不僅使得車身的重量大大降低，而且使得車輛的安全性能大大提高，鋁合金已經成為高端車型的代名詞。

1.2 高強度鋼

汽車車身中使用最多的材料就是鋼材料，鋼材料能夠承受巨大的橫向壓力和縱向壓力，保證車輛的結構穩定性。在同等強度壓力下，高強度鋼在保證車輛安全的情況下，盡可能減少鋼材料的使用量，從而降低車輛自身的重量。很多汽車制造廠商都發現了高強度鋼的諸多優勢，因此在車身許多部位都使用到了高強度鋼，例如保險杠、車身橫梁、車門加強筋等。采用高強度鋼是降低車身重量的重要措施。在以后的車身輕量化設計中，高強度鋼依然發揮著不可忽視的職能作用。但是在另一方面，高強度鋼在使用過程中也會出現很多問題，例如高強度鋼的可塑性、成形性較差，回彈大、伸長率低、尺寸精度控制難度大等，而且我國目前的鋼鐵生產技術較差，大部分的高強度鋼都是從國外進口的，這在一定程度上制約了我國汽車行業的進一步發展。

1.3 復合材料

復合材料指的是碳纖維材料，存在密度小、耐腐蝕性高、韌性好的諸多優勢特點，在一些高端車型上得到了廣泛的應用。將符合材料應用到汽車的車身、底盤等大型結構件上，不僅可以提高車身的強度和剛度，而且可以大大減輕汽車的重量。蘇聯也是一種復合材料，隨著市場上的低端車型越來越多，塑料在汽車行業的用量也大大增加，在未來有著巨大的發展空間。諸如聚丙烯、ABS、聚乙烯等復合型塑料具有重量輕、可塑性好、成本低等多種優勢特點，在汽車內飾、儀表盤、車門板中發揮出了重要的職能作用。但是截止到目前為止，碳纖維等復合型的造價成本非常高，只能用在一些高端車型上，如何降低碳纖維材料的造價成本，在中低端車型大量使用，推動汽車輕量化設計的進一步發展，是汽車廠商應該考慮的重要問題。

2 汽車的制造工藝分析

2.1 沖壓技術制造工藝

汽車中有7成左右的零部件都是由金屬加工而成的，沖壓技術時汽車制造的重要手段，也是金屬零件最基本、最常用的加工方法。沖壓技術是借助模具和沖壓設備對金屬材料施加壓力，使金屬材料發生變形彎曲從而達到自己想要的形狀。沖壓技術之所以在汽車制造方面得到了廣泛的應用，主要是因為沖壓技術具有多種優勢特點：第一，沖壓制造工藝能夠有效提高金屬零部件的尺寸精度，在實際加工過程中，沖壓設備一般不會對金屬表面以及內部結構造成破壞，使得沖壓件的質量較為穩定。第二，沖壓制造工藝的加工范圍非常大，不管是車門的防撞U型槽，還是引擎蓋，都可以利用沖壓技術加工而成。第三，沖壓技術不會產生金屬碎屑，不會造成材料浪費現象，制作成本比較低，加工效率非常高。

汽車中的金屬零部件尺寸差異很大，形狀也不盡相同，因此在加工不同的汽車零部件時，采用的沖壓制作工藝也存在很大的區別。一般情況下，汽車零部件的沖壓加工工序分為三種：第一種是沖壓基本工序，包括沖裁、彎曲、拉伸、成形等幾個過程。第二種是分離工序，主要是指原材料在沖壓設備的的作用下，局部應力達到金屬材料的強度極限之后出現斷裂或落料的現象。第三種是成形工序，即金屬坯料在沖壓力作用下發生塑性變形現象，這種作用力不會超過金屬材料的強度極限，而是讓金屬材料達到預期的形狀模型。

2.2 焊接工藝制造技術

焊接工藝主要是將兩個金屬件連接在一起，在焊接生產線中發揮著不可忽視的職能作用。在汽車制造過程中，經常用到的焊接方式有四種：第一種是點焊，點焊指的是將兩個金屬設備放在一起，利用電阻熱融化母材金屬，最終形成焊點使兩個材料融合在一起的焊接方法。第二種是凸焊，凸焊是在點焊的基礎上發展而來的，凸焊可以同時在焊接位置形成多個熔核，使兩個設備連接在一起在電阻加熱的作用下形成一個或多個焊點。凸焊的焊接效率非常高，而且不會產生分流影響，因為凸焊的電流集中在凸點位置，電流密度大，即便是很小的電流也能完成焊接任務，因此焊接成本比較低。第三種是激光焊接，這種焊接工藝在汽車生產制造中的應用最為廣泛。據有關資料顯示，在當前的鋼結構車身中，有一半的焊接任務都是由激光焊接完成的。激光焊接工藝能夠滿足汽車零件的設計和功能需求，將強度不同、厚度不同、材料不同的零件結合在一起。

激光焊接技術能夠將不同材料更好地融合在一起，減少車身的重量，這與汽車的輕量化設計需求保持一致。與點焊和凸焊等焊接工藝相比，激光焊接能夠應用在強度、厚度不同的材料焊接當中，更重要的是能夠減輕車身重量，提高汽車的安全系數。激光焊接工藝不會造成太大的材料消耗，有效降低了生產成本，提高生產效率。除此之外，激光焊接采用的是對接工藝，不需要搭接縫和加強板，使得焊接點的力學性能大大提高。

2.3 汽車車身裝配工藝

裝配工藝是汽車生產制作的最后一個環節，是將成百上千個合格的零件，按照既定的標準和規定組合在一起的行為活動。汽車不僅要有良好的動力性能，還需要有一定的耐久性，能夠在各種復雜的環境下發揮出色的運載功能，這就對汽車裝配工藝提出了越來越高的要求。截止到目前為止，汽車的裝配工藝主要分為兩種：一種是固定式裝配，指將需要裝配的主體固定起來，將其它零件以此安裝到裝配主體上，然后形成成本的裝配工藝，諸如汽車座椅、汽車輪胎采用的都是固定式裝配。在實際裝配過程中，人們可以對裝配零件進行加工處理，操作過程大多都是依靠人工完成的。雖然汽車固定裝配工藝的功率非常低，但是對工人的技能要求提出了很高的要求，因此在汽車批量化生產中很少采用，只適用于質量要求較高的裝配工序當中。第二種是流水線裝配，指的是汽車零部件隨著傳送裝置在多工位裝配線上不斷移動，由各個工位完成裝配的工藝流程，流水線裝配將汽車零部件、裝配動作劃分成一個個工序，每個工位完成一到兩個裝配動作，一個操作人員只需要保證各個工位設備正常運作就可以了。流水線裝配的生產效率非常高，而且裝配質量較高，是目前汽車生產制作中的主流裝配模式。

3 汽車制造的發展趨勢分析

3.1 向著綠色環保的方向發展

隨著全球范圍內的汽車保有量越來越多，人們逐漸意識到汽車給生態環境造成的巨大污染，因此很多國家都針對汽車制定了一系列環境保護措施，報哪個人保護人類賴以生存的生態環境。如今我國政府針對汽車實施最嚴格的檢測標準，出臺了“國六”汽車行業標準，傳統的國五家用轎車禁止銷售，大力發展新能源汽車、電動汽車等，提高清潔能源的覆蓋范圍，提高化石能源的利用率，改進發動機裝置，將全新的三缸技術應用到家用汽車上。除此之外，我國政府引導各大汽車廠商創新發展電子控制燃油噴射系統、二次空氣噴射、廢棄循環利用技術等。更為重要的是，我國汽車制造廠商也在大力推動汽車輕量化的設計發展，使用高強度高、鋁合金等材質，降低汽車重量，提高汽車的燃油經濟性等。

3.2 向著智能化的方向發展

傳統的汽車裝配工作任務復雜，裝配成本居高不下，再加上我國的勞動成本越來越高，導致汽車行業的利潤空間越來越小。在這樣的時代背景下，諸如比亞迪、吉利等汽車廠商都開始創新研發自動化裝配技術，將人工職能、射頻識別技術、遠程操控技術等應用到汽車裝配當中，不僅大大提高了汽車裝配效率，而且省去了大量的人力成本。但是與德國、日本等國家的汽車自動化裝配水平相比，我國的汽車自動化生產線還比較落后，這就需要我國汽車廠商加大自動化生產線的研發力度，創新設計出更加先進的機器人焊接技術、自動化沖壓技術等，緊跟國際潮流，推動汽車裝配生產技術向著智能化的方向發展。

4 結語

汽車輕量化設計不僅是廣大社會的本質需求，也是汽車未來的發展趨勢。截止到目前為止，汽車的輕量化設計以及裝配工藝已經取得了一定的進步，諸如鋁合金、高強度鋼、復合材料等材料在汽車車身上的大范圍使用，不僅使得汽車自身重量大大降低，而且提高了汽車的安全性能。沖壓技術、激光焊接技術、流水線裝配等技術極大地提高了汽車的裝配效率。在以后的發展過程中，汽車行業將繼續向著綠色環保、輕量化、智能化的方向發展。

參考文獻

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