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[车身设计及集成] 轻量化工艺在车身开发中的应用研究

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发表于 2020-1-7 09:05:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
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轻量化工艺在车身开发中的应用研究

王镝
(泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201)
【中国汽车材料网】摘要:轻量化工艺是车身轻量化应用的重要保证,是实现客户价值的关键环节。重点阐述了超高强钢板的冷成型、热冲压成型、级进模成型和铝合金成型等轻量化成形工艺,以及激光焊接技术、SPR、FDS和结构胶连接等轻量化的连接工艺特点及开发,制定了车身工艺的同步开发流程,为轻量化工艺的实施提供流程保障,最后针对轻量化的混合车身开发提出了新的展望。
关键词:轻量化成型 进模成型 轻量化连接 激光焊接 车身工艺同步开发
随着汽车产量和保有量不断攀升,有效推动了我国经济发展,但同时也对能源状况和环境状况产生巨大的影响和压力。当整车质量减轻10%,汽车的燃油消耗可降低6%-8%,排放量减少5%-6%[1]。“中国制造 2025”规划中明确要求,到 2020 年通过高强度钢、铝镁合金和复合材料等在汽车上的应用,实现整车平均减重5%至20%。车身在整车中重量占比约27%,但成本只占11%左右,同时车身每减轻一公斤所花费的成本远低于其他功能块,具有较大的轻量化潜力。

实现车身的轻量化、高性能、高品质离不开车身前期开发中结构设计和先进工艺规划。未来5到10年车身发展趋势必然是由多种材料、多种工艺构成的混合车身,充分利用不同材料和不同工艺的优势,获得最精益的产品设计。轻量化工艺与新材料的选用息息相关,其发展应用呈现多元化、混合化趋势。

本文针对车身轻量化成型工艺和连接工艺进行研究和推广应用,并通过同步工程在车身前期开发中的实施,为轻量化工艺的实施提供流程保障,从而有效提高产品开发质量,降低开发成本和产品物料成本,减少后期更改,提高了企业的产品竞争力。

2 车身轻量化的成型工艺

当前传统车身主要是由冲压钢板通过点焊构成的笼型车身。随着轻量化工作的深入,越来越多的超高强钢板、热冲压成型钢板和轻质铝材应用到车身上。

2.1 超高强钢板冷成型工艺

超高强度钢板一般指抗拉强度超过550 MPa的钢板,主要有DP钢、MS钢和QP钢,如图1所示。超高强度钢板冷成型工艺包含冷冲压和辊压两种工艺。

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图1 超高强度钢板种类[2]

DP钢一般用于需要高抗拉强度、高碰撞吸能且成型较复杂的车身零件,考虑到成本,一般采用冷冲压工艺,如前舱大梁、B柱内外板等。QP钢即淬火延性钢,强度高、塑性强、具备较高延伸率,特别适合外形相对复杂、强度要求相对高的冲压件。超高强度钢板成形性能比普通钢板差,更容易出现回弹、扭曲等尺寸精度问题。需要采用虚拟成形分析和实验相结合的方法,对成形性和回弹进行控制。

MS钢一般用辊压工艺生产,主要应用在门槛梁上。辊压成型具有结构简单、生产率高、型材断面质量稳定等特点。

2.2 超高强钢板热冲压成型工艺

热冲压成型(PHS)工艺就是利用硼钢在高温状态下的高塑形、高延展性、低屈服强度等特点进行冲压成形,之后进行快速冷却淬火,钢板组织由奥氏体转变成马氏体,因而得到超高强度的钢板零件。如图2所示。

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图2 PHS成型工艺

目前传统的PHS工艺,减重效果有限,已不能满足轻量化设计需求。激光拼焊板(TWB)、不等厚板(TRB)、补丁板(Patch)等高端热成形工艺越来越多应用车身设计中。

TRB是一种变料厚的热成型板材,这种材料的优势在于可以根据实际的设计需求灵活调整零件的厚度。通过在高载荷区域增加厚度,在其他区域减小厚度的设计,实现同时满足性能目标和重量目标,如图3所示。

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图3 不等厚度热冲压钢(TRB PHS)

TWB是一种通过激光连接技术实现不等料厚的热成型材料。这种材料的优势在于可以控制材料料厚的组合,实现不同强度需求的差异化,达到性能要求的同时实现减重目的。如图4所示。

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图4 不等料厚激光拼焊热成型钢(TWB PHS)

Patch PHS是对多片PHS材料钢板焊接好后再完成热成型的零件的统称。这种工艺实现了不同料厚的组合,为性能优化提供了更多选择,实现性能的提升,如图5所示。

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图5 补丁板热成型钢(Patch PHS)

2.3 级进模成型工艺

级进冲压是指压机的一次行程中,在模具的不同工位同时完成多种工序的冲压。由于级进模工艺相对于单工序只有一副模具而且生产效率高,所以当产品产量较大时,可以考虑使用级进模工艺方式生产降低成本。如图6所示。

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图6 级进模工艺与单工序工艺冲压对比

2.4 铝合金的成型工艺

铝合金具有良好的机械性能、耐腐蚀性能、加工性及回收性,目前铝在车身上的应用主要有冲压、挤压和铸造等工艺。

2.4.1 铝板冲压工艺

车身的铝合金板材主要为5 000系和6 000系。铝合金总延伸率只有25%左右,深拉伸性能比钢板低约30%,回弹是钢板的3倍左右。且铝板的缩颈量小于5%,断裂前变形量小,因此铝板一旦到达抗拉强度就很容易开裂,铝板的FLD曲线中的安全区间也比钢板小,更容易开裂,如图7所示。铝板冲压工艺优点是减重效果明显,可达30%左右,主要用于车身覆盖件以及受力较小的零件。

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图7 铝板FLD曲线

2.4.2 铝挤压工艺

铝挤压是利用压力将加热后的铝锭通过模具挤出具有特定截面铝型材的技术,按体系可分为6 000系与7 000系两类,7 000系挤压铝具有性能更优的屈服强度、抗拉强度与延伸率。铝挤压型材因其具有封闭的截面而获得更高的强度和刚度,主要应用在前后保险杠、前后大梁和门槛梁类,某车身铝挤压零件如图8所示。

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图8 车身铝挤压件应用

2.4.3 高压真空薄壁铸铝工艺

高压真空薄壁铸铝(HPDC)是利用高压将铝液注入具有一定真空度的模具型腔中快速凝固,如图9所示。将压铸模具抽为真空,显著减少在充型时裹入的气体,在凝固成型后再对零件进行固溶和时效热处理。而此时因为硅相(共晶硅)经热处理后颗粒更圆润,从而可以显著提高材料塑性,达到断后伸长率大于10%设计指标要求。

高压真空薄壁铸铝具有设计灵活、壁厚薄等优点外,提高了塑性、韧性,可以应用于多种受载场合。高压真空薄壁铸铝工艺主要应用在车身关键载荷路径与接头区域,例如前后轮罩和前铰链柱。

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图9 高压薄壁真空铸铝工艺

3 车身轻量化的连接工艺

轻量化车身连接工艺主要是超高强钢板连接、异种金属连接、非金属和金属之间连接等,本文主要介绍激光焊接、SPR、FDS和结构胶结这四种主要轻量化连接工艺。

3.1 激光焊接工艺

激光焊接是采用偏光镜反射激光产生的光束,使其集中在聚焦装置中产生的巨大能量,使工件瞬间熔化,从而实现焊接的过程。如图10所示,激光焊接按零件的结构形式可以分为激光拼焊和激光搭接焊两种形式。

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图10 激光拼焊与激光搭接焊示意图

激光焊接具有速度快、热影响区小、外观质量高和工艺带宽高等优点并且由于激光焊接工艺灵活,可在一套工装上实现点焊、塞焊、拼焊等多种工艺。表1列出了激光焊接与传统点焊和弧焊塞焊在工艺与性能方面的详细对比,可以看出激光焊接从成本、效率、可制造性等方面都具备一定优势。

表1 传统点焊、激光焊接与弧焊塞焊工艺与性能对比
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3.2 异种金属混合连接(SPR)工艺

SPR是一种高强度冷连接工艺,适用于多种材料间的连接,如 Al-Al,Al-Steel,Steel-Steel等的连接,也适用于镁、铜、塑料、三明治板的连接。

自冲铆接技术通过液压缸或伺服电机提供动力将铆钉直接压入待铆接板材,待铆接板材在铆钉的压力作用下和铆钉发生塑性变形,成型后充盈于铆模之中,从而形成稳定连接的一种全新的板材连接技术,压铆过程如图11所示。


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图11 压铆过程示意图

SPR工艺连接方法与其他连接方法相比有以下优点:

a.适用于多层、多种类型板材连接;b.适用于同种金属、异种金属甚至是异种非金属材料之间的连接;c.是难以焊接板材和带有涂、镀层板材的最佳连接工艺;d.相比传统焊接精度较高;e.属于环境友好型工艺;f.无需预先开孔,保护涂层镀层,提高防腐蚀能力。

3.3 单面可达连接(FDS)工艺

FDS技术称为热融自攻丝技术,是一种新型的连接工艺,效率高、成本低而且便于质量控制。

FDS工艺通过螺钉的高速旋转软化待连接板材并在巨大的轴向压力作用下挤压旋入待连接板材,形成几倍于板料厚度的衬套特征,最终在板材与螺钉之间形成螺纹连接。同时在FDS连接的过程中,工件孔内表面因FDS钉子与金属材料剧烈摩擦产生高温,然后在空气中冷却,起到正火处理效果,使孔的表面硬度及防锈、耐腐蚀性能得以提高,如图12所示。

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图12 FDS连接过程

FDS技术最大的特点是实现了异型材料间的单面连接,使得不同材料在双面不可达的情形下可以成功连接。一般情况下FDS的剪切力和拉伸力明显高于SPR连接,约是SPR的1.7倍。

3.4 结构胶连接工艺

胶结是通过胶粘剂与被连接件之间的化学反应或物理凝固等作用将材料连接在一起的连接技术。可用于各种类型材料的连接,也包括金属和非金属之间的连接。

与焊接、铆接等连接相比较,胶接技术在车身应用方面具有下面的优点:

a.用于不同金属或非金属之间的连接;b.提升局部结构刚度;c.较高的抗疲劳性能;d.胶接不同金属时还可以避免因接触电位差引起的腐蚀;e.优良密封性;f.较高的碰撞和NVH性能;g.可用于焊枪难以焊接的部位。

在实际应用过程中,结构胶往往与焊点结合使用。在剪切力作用下,对于只有焊点连接的样件,焊点附近产生开裂;焊点和结构胶结合使用后,剪切强度显著提升,其能力约是纯焊点连接的2倍,样件的失效位置转移到钣金本体,胶结部分足够强壮,不产生失效破坏。在拉伸载荷作用下,胶和焊点结合的样件,因结构胶抗撕裂的能力较差,载荷加载早期胶已失效,对最大拉伸强度提升不明显。因此在结构胶设计时,应尽量使结构胶承受剪切载荷,避免受拉伸载荷,如图13所示。

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图13 结构胶、焊点失效形式及机械性能对比

4 车身工艺同步开发流程
4.1 车身工艺评审流程

整车开发流程包含整车前期开发阶段和项目工程开发阶段,前期开发阶段是从架构设计到项目启动,项目工程开发阶段是从项目立项到量产的阶段,如图14所示,车身架构开发是整车架构开发的重要组成部分。

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图14 整车开发流程

根据车身工程的开发特点,车身的数模发布一般采用阶梯式发布[3]。

首先是前舱和地板零件发布,其次是上车身内板零件发布,最后是车身外板零件和顶盖总成发布。在正式发布之前,工程一般会针对制造工艺,发布两次虚拟验证数模,供制造工程研究零件的成型性、车身工艺规划、焊接设备和油漆设备的选择、操作工时和人员排布等。如图15所示。

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图15 车身工艺评审流程

工艺评审1——主要评估零件的成型性,总成的初始装配工艺、焊点布置、分总成及总成定位基准建立,车身胶和油漆胶的类型与长度。

工艺评审2——零件成型性优化,模具设计评估、模具成本和操作安全、确定焊接工艺夹具的数量和种类、车间布置、人机可操作性及设备投资。

根据车身架构开发和车身结构开发及发布特点,引入了车身同步工程开发流程,用于保障车身架构开发和结构开发的精益化。

4.2 车身工艺同步开发流程

同步工程(Simultaneous Engineering简称SE)是对整个产品开发过程实施同步一体化设计,促使开发者从概念设计直到最终产品定型、客户使用的整个产品生命周期内始终考虑所有因素(包括质量、成本、进度和用户要求)的一种系统工作模式[4]。

由于车身结构零件很多是外购件,在设计发布时已完成采购定点,因此从设计开发源头开始实施同步工程工作,做好前期同步开发是提高车身制造质量和控制车身成本的关键。如图16所示的基于全生命开发的创新型车身同步开发模式。

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图16 车身同步开发模式

同步工程在项目构想阶段介入,通过策略规划制定、成形虚拟分析、工艺规划、成本分析和零件结构优化等成形工艺方面的工作,以及连接方案选型、产品设计、连接方案优化、连接成本分析等连接工艺方面的工作,保证成形工艺和连接工艺的低成本方案在前期的产品设计规划中得到体现。开发后期的同步工程可通过后期对供应商进行成形工艺及模具技术支持、质量控制、整车试验验证及实际成本确认,形成一个完整的包含成本、工艺、质量及相关同步知识体系的车身同步闭环开发,实现高性能、高质量、轻量化、低成本的车身结构开发。

5 结束语

在日趋严苛的排放法规及轻量化的驱动下,混合材料组成的车身必将是车身架构发展的主流。轻量化材料的应用必然带来轻量化的成型工艺和轻量化地连接工艺。通过对部分新型的轻量化成型工艺和连接工艺作了阐述并提出了车身工艺开发流程,为高效应用轻量化工艺提供了流程保障。未来混合车身效率评价体系和提高混合车身虚拟仿真的置信度将是轻量化工艺深入应用的保障。




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