輕量化材料及其工藝在汽車制造中的應(yīng)用

譚建霖

摘 要：隨著人們生活水平的不斷提高，汽車的需求量有了顯著提升。汽車的大量使用對生態(tài)環(huán)境和能源資源造成嚴(yán)重危害，需要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用新型材料以減輕汽車重量、減少燃油消耗和尾氣的排放，同時也可以提高汽車的動力性能。因而輕量化技術(shù)的研究在當(dāng)今具有重要意義。一般來說，減輕汽車重量的方法有兩種：優(yōu)化車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用輕量化材料。而選用輕量化材料是最有效的方法。輕量化材料指的是具有較高比強(qiáng)度的新型材料，比強(qiáng)度為材料強(qiáng)度與密度的比值。

關(guān)鍵詞：輕量化材料;汽車制造;應(yīng)用

1 輕量化材料的選用

1.1 高強(qiáng)鋼

鋼鐵材料是傳統(tǒng)的工程材料，隨著材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼鐵材料的性能不斷提高，成本逐漸下降，在工程制造領(lǐng)域具有不可替代的角色。高強(qiáng)度鋼與傳統(tǒng)的鋼材密度一致，但強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋼材。使用高強(qiáng)度鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，制造汽車傳動零件或車身覆蓋件，可大大降低汽車重量。高強(qiáng)度鋼在輕量化材料的使用占比中比例較高。其主要性能如表1所示。

1.2 鋁合金

鋁合金是一種輕金屬合金，其密度是傳統(tǒng)鋼的三分之一，卻擁有和鋼同等級的強(qiáng)度，具有很高的比強(qiáng)度。鋁合金是工程領(lǐng)域使用量最大的輕金屬，汽車輕量化的首選材料之一。汽車可使用的鋁合金主要有變形鋁合金及鑄造鋁合金。利用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造氣缸體、離合器殼、后橋殼、轉(zhuǎn)向器殼等，或制造汽車車身，能夠極大限度減輕汽車重量，節(jié)約燃油的使用，減少車輛尾氣的排放，提高環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。其主要性能如表2所示。

1.3 工程塑料

工程塑料是在工程機(jī)械領(lǐng)域大量使用的輕質(zhì)材料。相比較傳統(tǒng)的金屬材料而言，工程塑料強(qiáng)度低、剛度低、易變形、易老化，不適合用于承受較大載荷的部件。但其耐腐蝕、抗氧化能力優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料，且具有較低的密度，比強(qiáng)度高，且加工成本低，因而在儀表盤、輪圈蓋等非承載部件的制造過程中可代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵材料的使用。減輕汽車重量的同時又降低了汽車的制造成本。其主要性能如表3所示。

2 輕量化材料的工藝

2.1 沖壓成型

使用高強(qiáng)鋼板材、鋁合金板材加工汽車零部件或車身時，宜采用沖壓成型工藝。沖壓成型是一種嚴(yán)苛的壓力加工，是在原材料的屈服極限和斷裂極限直接對板材施加一定的壓力，使板材變形成所設(shè)計的形狀，一般不需要對原材料和設(shè)備進(jìn)行加熱。沖壓成型工藝所使用的成型設(shè)備功率較高，成本高，但通過優(yōu)化工藝參數(shù)，具有較高的成型效率，可得到較好的成型質(zhì)量和理想的成型精度。

2.2 熱壓成型

使用工程塑料制造汽車零部件或者車身覆蓋件時，工藝成本遠(yuǎn)低于高強(qiáng)鋼或鋁合金。工程塑料由于具有特殊的熱特性和力學(xué)特性，受熱會變形，易軟化，宜采用熱加工工藝制造。熱壓成型應(yīng)用于工程塑料的制造具有得天獨厚的優(yōu)勢。熱壓成型要求使用定型模具，加工時對模具進(jìn)行加熱，在一定溫度下利用加壓或真空負(fù)壓對塑料原材料加壓變形。熱壓成型精度低于沖壓成型，一般需要進(jìn)行后處理。

2.3 焊接成型

鋁合金及高強(qiáng)鋼的薄板件的拼接成型可用于制造車身零件，采用焊接工藝。用點焊方法，在加壓的情況下對拼接薄板進(jìn)行連接，形成一種不可拆卸的永久性的結(jié)合，結(jié)合形式可為點接觸或直縫接觸，其結(jié)合強(qiáng)度較高。汽車結(jié)構(gòu)件的接合工藝為電弧連接，利用電弧產(chǎn)生熱量，使高強(qiáng)鋼或鋁合金的結(jié)構(gòu)件局部熔化，重新凝固后形成接頭連接。利用電弧焊接使汽車結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)組合，制造復(fù)雜形狀零部件具有極強(qiáng)的優(yōu)勢。由于金屬重新凝固是一個很復(fù)雜的熱力學(xué)過程，其間會出現(xiàn)復(fù)雜的冶金反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)，以及應(yīng)力應(yīng)變，因此，對工藝參數(shù)有嚴(yán)格的要求。

3 結(jié)束語

汽車產(chǎn)量的不斷增加，必然會帶來一定的環(huán)境問題和資源問題，需要新技術(shù)來解決這一系列的問題。高強(qiáng)鋼、鋁合金、工程塑料等新型材料的使用，以及沖壓成型、熱壓成型等工藝的開發(fā)，有效減輕了汽車的重量，緩解了車重所造成的問題。

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