汽車車身沖壓成形技術及發展

汽車車身沖壓成形技術是汽車制造技術的重要組成部分，以致有些國際同行認為汽車技術的競爭實質上是沖壓成形技術及其相應的焊裝技術的競爭。雖然上述觀點不一定準確，但說明沖壓成形技術在汽車制造中的重要地位。

眾所周知，汽車車身的金屬件幾乎90%為沖壓件，而且汽車車身的更新換代遠比底盤和發動機的更新換代快。這就決定了沖壓成形技術在汽車產品的開發中不僅影響制造周期，還直接影響成本和產品品質，因而影響產品的綜合競爭力。

第一節 沖壓原材料研究的最新進展

新型沖壓用板材包括：

高強度鋼板；

耐腐蝕鋼板；

雙相鋼板；

涂層板及復合板材。

高強度鋼板

定義：指對普通鋼板加以強化處理而得到的鋼板。

強化原理：固溶強化、析出強化、細晶強化、組織強化(相變強化及復合組織強化)、時效強化及加工強化等。其中，前5種是通過添加合金成分和熱處理工藝來控制板材性質的。

高強度鋼板的高強度涵義

a. 屈服強度、抗拉強度高，在270-3l0MPa范圍之內。用于汽車零件的高強度鋼板，其抗拉強度可以達到600-800MPa，而相應的普通冷軋軟鋼板的抗拉強度只有300MPa；

b.高強度鋼板的應用，能減輕沖壓件的重量，節省能源和降低沖壓產品成本。

在日本，抗拉強度不小于490MPa的熱軋帶鋼和抗拉強度不小于340MPa的冷軋鋼帶被稱為高強度鋼。高強度鋼板可以減輕零件質量，提高整車碰撞的安全性，提高零件的外觀質量和抗凹性，因此近年來在車身生產中得到了越來越多的應用。

1.高強度鋼在汽車面板上的應用

車頂、車門、等部件要求具有變形剛度和抗凹陷性，主要使用抗拉強度為340～390MPa的烘烤硬化鋼板(BH鋼板)。BH鋼板的屈服強度在烘烤涂漆時升高，可在不損失成形性的前提下，提高抗凹陷性，減薄鋼板?，F在，有的車型已使用440MPa級BH型高強度鋼板。

新馬自達2的車身結構中使用了440，590，780和980Mpa級別的高強度鋼板和超高強度

2. 高強度鋼板在車體框架上的應用

隨著正面撞擊、側面撞擊的撞擊安全性標準的提高，結構件、加強件等主要使用590MPa級高強度鋼板，也有廠家使用780MPa級、980MPa級高強度鋼板。

前防撞梁外板

有些廠家甚至采用將390MPa、440MPa級高強度鋼板沖壓成形后，對強化部分進行高頻加熱和淬火，以使部件局部抗拉強度達到1200MPa，并在沖壓加熱鋼板的同時進行冷卻，以使部件整體抗拉強度達到1470MPa的方法。

歐洲流行的高強鋼U形車廂結構

此外，還有采用激光拼焊方法，將不同厚度、不同材質鋼板拼合起來，使材料配置適用于所要求材質和使用部位。

盡管拼焊材料在使用初期以提高材料利用率為目的，僅用于小型部件上，但最近已將拼焊材料擴大應用于車身側板和車箱底板等大型部件。拼焊板主要采用400～590MPa級高強度鋼板，也有使用780MPa級和980MPa級高強度鋼板的情況。

3. 高強度鋼板在汽車底盤上的應用

用材已從傳統的440MPa級熱軋板發展到780MPa，最大減重達30%。近年來，高強度鋼板在底盤上的使用比例正在急劇增加。今后，高強度鋼板的使用比例及更高強度鋼板的應用有望進一步提高。

采用高強鋼制造的汽車底盤

舉例：同升專用汽車公司 為了從根本上擺脫對底盤廠商的過度依附，最終達到底盤廠商對自己的依附，依托有限公司，將鐵路貨車新材料、新工藝等專有技術平移到專用汽車產品上，努力走自主創新的道路。

南車眉山車輛有限公司同升專用汽車、08年，在繼具備自主知識產權的"輕量化半掛車"推向市場后，再度推出高強度鋼"輕量化散裝水泥罐車"。"5.12"災后重建，四川水泥需求量陡增至3.7億噸，需新增車輛約4000臺（每臺1年運能2.5萬噸，3年運完），針對這一市場需求，專汽公司在經過充分的市場論證后，提出了散裝水泥罐車研發思路，得到有限公司的大力支持。

目前，該車已完成設計進入試制階段，預計11月底下線試運行。

該車采用高強度鋼制作，設計容積39.8m3，載重50噸，與相同載重的普通車型比較，自重輕1噸左右，能夠與所有品牌重型卡車底盤匹配，計重收費優勢凸現。預測市場前景看好，將提升公司市場競爭力。

4. 常用鋼種簡介

熱軋低合金高強度鋼（HSLA）薄鋼板、應用部位：卡車的底盤部分，也用于大客車的車輪，輪轂等部件、屈服強度：350MPa到550MPa之間、組織結構：具有鐵素體加少量珠光體組織。最近，開發出690MPa級卡車大梁用鋼，它利用了在由熱帶軋機直接軋出的貝氏體鋼中所有的強化機理。

DP鋼板、主要組織：鐵素體和馬氏體，其中馬氏體的含量在5%～20%。、強度：500～1200MPa。特征：DP鋼具有低屈強比、高的加工硬化指數、高烘烤硬化性能、沒有屈服延伸和室溫時效等特點.、一般用于需高強度、高抗碰撞吸收能且也有一定成形要求的汽車零件，如車輪、保險杠、懸掛系統及其加強件等。DP鋼板優點、①屈服點低，抗拉強度高，屈強比低；、②無屈服點伸長或是屈服伸長，應力應變曲線平滑；、③伸長率高；、④初始加工硬化率高，加工強化性能好；⑤抗疲勞性能好。所以DP鋼特別適合沖壓翻邊性能良好的部件，一直被汽車界所關注，有可能成為汽車首選的冷軋高強度鋼板。

TRIP鋼、包括熱軋、冷軋、電鍍和熱鍍鋅產品。主要組織：鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體，其中殘余奧氏體的含量在5%～15%，強度：600～800MPa。主要成分：C、Si和Mn，其中Si的主要作用是抑制貝氏體轉變時滲碳體的析出，但對于鋼板表面質量不利。

在日本，TRIP鋼板已被用在概念車底盤的約80種零件上，同傳統鋼板相比，用這種鋼板制造的零件重量減輕約12%。TRIP鋼具有高延伸率，同DP鋼相比，起始加工硬化指數小于DP鋼，加工硬化指數在很長的應變范圍內仍保持較高，特別適合脹形成形。

復相CP鋼、主要組織：同TRIP鋼的組織類似，只是CP鋼中含有馬氏體而非殘余奧氏體。強化機理：通過馬氏體和貝氏體以及析出強化的復合作用。CP鋼的強度可達800～1000MPa，特別適合于車門防撞桿、保險杠和B立柱等安全零件。

馬氏體(M)鋼、通過高溫奧氏體組織快速淬火轉變為板條馬氏體組織，可通過熱軋、冷軋連續退火或成型后熱處理而生產的，是目前商業化高強度鋼板中強度級別最高的鋼種。主要用途：成型要求不高的車門防撞桿等零件代替管狀零件，減少制造成本。

MnB鋼或熱成形鋼、主要元素：Mn和B等元素，具有非常好的淬透性。熱成形過程：包括將毛坯件加熱奧氏體化，然后在紅熱狀態將鋼板沖壓成形，然后利用模具的冷卻能力將零件淬硬成馬氏體。整個成形過程大約需要15～25s。

耐腐蝕鋼板、主要目的：增強普通鋼板沖壓件的抗腐蝕能力。主要分類：一類是加入新元素的耐腐蝕鋼板，如耐大氣腐蝕鋼板等。我國研制的耐大氣腐蝕鋼板中，有10CuPCrNi（冷軋）和9CuPCrNi（熱軋），其耐蝕性是普通碳素鋼板的3～5倍；第二類是在表面涂或鍍一層防腐材料，也為涂層板的一種。

目前，全球最大的鋼鐵公司Acelor開發了熱沖壓成形鋼板USIBOR1500，其化學成分如表1所示。該鋼板為鍍鋅板，鍍層質量為120～160g/m2。淬火后力學特性明顯，強度值可達到1600MPa。

日本某公司實際測定該鋼的特征值如表2所示。該鋼板可保持良好的韌性，沖擊韌度達到800 J/cm2，低溫脆性也較好。焊接性能較好。采用此種鋼板生產的汽車零件可以使同等強度、剛度的零件減重50%以上。

涂層板、在耐腐蝕鋼板中，鍍覆金屬層的鋼板屬于一種涂層板。因為傳統的鍍錫板、鍍鋅板等已不能適應汽車工業、電器工業、農用機械及建筑工業的需要，因此新品種的鍍層鋼板不斷被開發出來。在涂層板中，各種涂覆有機膜層的板材具有更好的防腐蝕、防表面損傷的性能，因此正被大量用作各類結構件。

彩色涂層板具有優異的裝飾性、成形性、抗腐蝕性

復合板材、涂覆塑料的鋼板是一種復合板；不同金屬板疊合在一起（如冷軋疊合等）也是一種復合板，或叫疊合復合板。這類復合板材破裂時的變形比單體材料破裂時的變形要大，其基本材料特性值(比如n值)變大。

5. 展望、目前只有少數國際先進鋼鐵企業能生產的960兆帕特高強度熱軋工程機械用鋼在寶鋼研制成功，填補了國內空白。中國寶鋼集團亦開發了熱沖壓用硼鋼板。其硬度為450～500HV，強度達到1300～1500 MPa，無鍍層。德國蒂森克虜伯開發了錳硼合金鋼，其熱沖壓淬火后最高強度可達1600MPa。

特高強度鋼-瑞典鋼板公司生產、特高強度Domex特高強度冷成形鋼是在用計算機嚴格控制的現代化工廠中生產。在低碳和一定錳含量的條件下,加入微量合金元素如鈮、鈦等細化晶粒,以及超純凈鋼水提供的良好冶金條件,決定了鋼的最終性能。

與普通高強度熱軋冷成形鋼比,Domex高強度鋼具有更高的鈮,鈦及釩等微合金化元素。另外,通過精確控制的加熱、軋制、冷卻等步驟組成的熱機械軋制工藝過程是獲得高性能的關鍵因素。

Domex系列冷成形鋼具有在高強度條件下良好的可成形性,可焊性和高沖擊強度。特高強度鋼的主要應用為卡車底盤、各種專用車、移動式起重機和建筑工程機械。特高強度鋼的應用主要是為了減輕重量和提高有效負載能力,同時由于良好的冷成形性使產品的生產成本降低。

超高強鋼焊接抗扭結構，主臂的側向剛度更好

輕金屬材料--鋁、鋁及鋁合金的密度大致約為鋼的1/3。鋁合金具有重量輕、加工性能良好、抗腐蝕性好、吸振性強等優點,應用于汽車制造對汽車輕量化有十分顯著的效果。

目前,在汽車上使用的鋁質零件除傳統的車輪蓋、空調系統、保險杠、座椅、換熱器、油管外,高強度鋁合金還廣泛應用于汽車的連桿、搖臂、凸輪座等零件。由于鋁及其合金的原材料價格比鋼高得多,制約了其在汽車上更大范圍內的應用。

輕質鋁板可用于車身和底盤的許多零部件,關鍵是改進工藝、降低制造成本。日本于1985年開始采用鋁合金板材生產汽車覆蓋件,應用的零件主要是發動機罩(內板和外板)、前擋泥板及頂蓬窗蓋板等,并且對車身整體進行輕量化設計,大量采用不等厚的拼焊高強度鋼板和深沖鋼板,結合激光焊接裝配技術,使車身重量減輕25%以上。

發動機用鋁合金支架

鋁合金輪轂

輕金屬材料--鎂、鎂合金的主要優點是比強度和比剛度高。鎂的密度僅為鋁的2/3,采用鎂制造汽車零件的輕量化效果更勝于鋁。不僅如此,由于鎂熔點低,回收再利用的耗能也更少。鎂合金零件的尺寸穩定性好,對振動的阻尼性能優于鋁和鋼。

在20世紀50年代至60年代,由于鎂合金的價格不高,德國大眾公司的甲殼蟲汽車大量使用鎂合金作為結構零件。近年來,開發出了高純度耐腐蝕鎂合金AZ91D、AZ91E和高延展性鎂合金AM20、AM50等,性價比有了很大提高。車用鎂制件應用:儀表板襯底和橫梁、座椅架、方向盤柱、發動機缸蓋、變速器殼體、進氣歧管等。

鎂合金方向盤

鎂合金汽車車輪，質量輕，性能好

輕金屬材料--鈦、鈦的密度為4.5g/cm-3,質輕、強度高、耐腐蝕性能非常好,但鈦價格很貴。鈦應用于汽車,可起到減重、節能、減震、降噪、減污、延壽、提高汽車安全性和舒適度的綜合作用。

主要用途：汽車發動機中,如氣門、氣門座、氣門彈簧、搖臂、連桿、離合器板以及其它如轉向齒輪、車輪、緊固件必須耐腐蝕、耐損傷的車底覆蓋件、側視鏡架等也可以用鈦合金制作。應用現狀：由于鈦的價格極貴,一般汽車上使用較少,主要用于賽車上。

其它材料、除鋁、鎂等金屬材料外,其它一些非金屬以及復合材料也在汽車中得到了越來越廣泛的應用,如金屬/非金屬輕質材料、塑料、陶瓷、非金屬基復合材料等。

塑料、塑料既可大幅減輕零部件質量,又可降低制造成本,是汽車中使用最多的非金屬材料。世界汽車平均每輛塑料用量在2000年就已達105 kg,約占汽車總質量的8%-12%。最近幾年,我國一般汽車上塑料件占整車質量的比例從原來的5%左右上升到了12%-18%以上。

德國拜耳公司和美國GE塑料公司合資的Exatec公司推出了具有杰出的耐候性和耐磨性的聚碳酸酯(PC)汽車窗系統Exatec500,并已實現工業化。

金屬基復合材料、美國研制出用SIC粒子增強的AI-10Si-Mg基復合材料制成的剎車輪,使重量減少了30%~60%,且導熱性好,最高使用溫度可達到450℃,其熱性能已達到原先用的鑄鐵水平。

非金屬復合材料、復合材料在汽車上的用量近年來逐年增加。復合材料主要用于摩擦片、車身、懸架、車架等汽車結構件。如高強度有機纖維增強復合材料具有很高的機械強度,能代替鋼板材料,從而減輕車身的重量,在汽車車身上得到了廣泛的應用。

碳纖維復合材料(CFRP)、主要特色：質量小、強度高、剛性高、耐蠕變與耐腐蝕性能良好,是很有潛力的汽車用輕量化材料。

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應用實例：美國福特公司早已采用CFRP制造汽車傳動軸、發動機罩、上下懸架臂等零部件。

第二節 沖壓技術發展的新動向

液壓成形、熱沖壓成形

1. 液壓成形

液壓成形也被稱為"內高壓成形"，它的基本原理是以管材作為坯料，在管材內部施加超高壓液體同時，對管坯的兩端施加軸向推力，進行補料。在兩種外力的共同作用下，管坯材料發生塑性變形，并最終與模具型腔內壁貼合，得到形狀與精度均符合技術要求的中空零件。

用于支撐縱梁的拱形部分等采用液壓成形產品與傳統的沖壓工藝相比，液壓成形工藝在減輕重量、減少零件數量和模具數量、提高剛度與強度、降低生產成本等方面具有明顯的技術和經濟優勢，在工業領域尤其是汽車工業中得到了越來越多的應用。

在汽車工業及航空、航天等領域，減輕結構質量以節約運行中的能量是人們長期追求的目標，也是先進制造技術發展的趨勢之一。液壓成形(hydroforming)就是為實現結構輕量化的一種先進制造技術。

液壓成形技術的優點

對于空心變截面結構件，傳統的制造工藝是先沖壓成形兩個半片，然后再焊接成整體，而液壓成形則可以一次整體成形沿構件截面有變化的空心結構件。與沖壓焊接工藝相比，液壓成形技術和工藝有以下主要優點：減輕質量，節約材料。對于汽車發動機托架、散熱器支架等典型零件，液壓成形件比沖壓件減輕20%～40%；對于空心階梯軸類零件，可以減輕40%～50%的重量。