热成形技术使车身轻量化成为可能

作者：本特勒投资(中国)有限公司 曲少飞

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 作为多种新型成形工艺之一，热成形技术在汽车轻量化中所具有的潜在优势备受汽车厂商关注。尤其是随着中国热成形产业的快速发展，热成形技术给汽车减重带来了新的希望。本文以本特勒公司为例，介绍了实现车身轻量化的可行性解决方案。 根据Ward’s Auto的统计，2011年全球汽车保有量已经突破10亿辆大关，这个数字还在以每年超过8千万辆的速度增长。但是不可否认，汽车工业的高速发展已经对资源和环境造成了较大的压力，所以各国政府都相应制定了汽车温室气体排放的中长期规划，其标准也越来越严格[图1]。 无论对于传统能源汽车还是新能源汽车来讲，汽车轻量化都是提高车辆燃油效率的重要手段之一，其中就包括替代使用各种轻质材料如碳纤维，铝镁合金和（超）高强度钢材等。有研究表明，车重每减轻10%，油耗会减少6~8%，但是减重的同时，不能以牺牲车辆的安全性为代价。 热成形工艺的兴起 由于钢材具有良好的成形和焊接性能，可选强度范围较广，而且价格又相较其他轻质材料有不小的优势，所以现阶段乘用车用材主要还是以钢材为主（约占总重60~70%），汽车车身作为钢材使用最集中的部位，自然成为汽车轻量化的一个主战场。从国际钢铁协会主持的ULSAB、FSV等合作项目，到欧盟多国联合完成的SLC项目，直至最近安塞乐米塔尔的S-Motion项目，都明确指出了钢材在车身轻量化上的潜能、可行性以及发展趋势，即汽车车身会更多的使用先进高强度钢和超高强度钢，以替代厚重的中低强度零件或者结构复杂的总成件，同时在不影响汽车安全性能的前提下，减小零件的壁厚，减少加强件的数量，结合设计优化获取最佳的减重效果。 一般来说，钢材的强度等级越高，其成形的难度越大，零件冲压之后的回弹也就越明显，尤其是超高强度钢（抗拉强度大于700MPa）的成形，无论对冷冲模具还是生产工艺都提出了非常高的要求。相比之下，热成形工艺就很好的解决了传统冷冲工艺遇到的上述困难，为超高强度钢零部件在车身上的大量应用开启了另一道大门，越来越多的车企也开始将目光转向这一领域。 本特勒的热成形工艺流程简图如下[图2]，前期开卷和落料与冷冲压工艺基本相同，落好的料片需要经过加热炉加热到900度以上的高温，然后通过自动夹持机构快速移动到模具中，冲压的同时对模具进行冷却，后期零件根据不同需要有可能进行部分激光切割，如果材料本身没有预涂层保护的话，最后还要对零件进行抛丸处理，去除氧化皮。 从该工艺流程我们不难看出，热成形的本质实际是一个热处理过程，基材钢板本身只是高强度钢板，当加热到红热状态时，钢材微观组织会转为奥氏体，材料强度有所降低，延伸率大幅提高，易于加工成形，而模具冷却机制使得材料再次经历另一个相变过程，开模后最终成形的零件才拥有类同超高强度钢的机械性能（抗拉强度在1500MPa左右）。 热成形工艺可以适配在车身很多零部件上，主要集中的应用于A柱，B柱，车门防撞梁，门槛，中央通道，防火墙挡板，前后纵梁，前后防撞梁，车顶和地板加强梁等关键承力部件上[图3]。根据沃尔沃汽车的研究，在不影响车身强度和碰撞性能的前提下，车身使用热成形零部件的比例上限约为45%，现阶段大部分合资车型的比例在15%左右，自主品牌的车型往往不足6%，所以热成形技术的应用还有很大的发展空间。 全球经验，中国制造 在本文中，我们仅以本特勒为例，讲解热成形技术在实际车型中的应用。作为专注于热成形工艺和产品已逾20多年的公司，本特勒积累了丰富的全球批量生产经验，是世界最大的热成形零部件供应商之一，公司的生产线遍布世界各地，为客户提供着及时、高效、稳定的产品和服务。在2005年，本特勒就将当时最先进的热成形生产线引入中国，成为第一家将热成形产品国产化的外资企业。现如今，中国已经成为世界最大的汽车生产国，这也印证了本特勒对中国市场将持续快速增长的预期判断。 本特勒一直致力于热成形产品在国内车企的推广与应用，促成了多个自主品牌汽车生产厂家对热成形技术的了解、认识和使用，其中最成功的案例就是奇瑞的艾瑞泽7。该车是现阶段自主品牌单车热成形零部件用量最高的车型，其中包括左/右A柱，左/右B柱，左/右车门防撞梁和防火墙加强板，共7个零部件，打造了一个较为完整的安全笼式乘员空间，车身强度也因此提升了3~5倍。这种设计确保了车辆在前碰和侧碰中能够最大程度上保证座舱的完整性，明显的减少了侵入量，提高了车辆的碰撞安全性能，使艾瑞泽7顺利的达到了预设的C-NCAP 五星安全设计目标。另外，奇瑞汽车根据美标IIHS新规又对艾瑞泽7进行了25%小重叠度碰撞测试，同样取得了上佳的表现。值得一提的是，由于采用了热成形零部件，整车反而减重8.6kg，真正实现了轻量化与安全性的共赢，该车也因此荣获2013年中国（首届）轻量化车身会议一等奖的殊荣。 技术创新是驱动力 热成形技术从产生到如今大规模应用已经走过了几十个年头，本特勒在技术创新的这条路上也一直孜孜以求，从间接热成形到直接热成形，从简单零件到复杂零件再到总成模块，本特勒利用在热成形技术上的经验优势不断为汽车厂商提供着更为先进的工艺和产品。其中，与Mubea公司一起开发的TRB（Tailor Rolled Blanks差厚板热成形）技术就是在这个过程中应运而生的创新技术代表之一[图4]，该工艺通过将料片预先精确辊压至需要的不同厚度，在同一料片上人为的产生了不同的厚度区间，热成形之后的零部件也就拥有了既定的厚度分布，通过精心的设计优化，该技术可以在传统热成形基础上使零件再减重20%左右，同时拥有更好的整体刚度和抗变形能力。 结语 随着人们对汽车安全性、舒适性、功能性和经济性关注度的不断提高，汽车轻量化议题会得到业界越来越集中的关注，并引发更为广泛的讨论。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/27/2014)