在當今發(fā)動機技術提升難度日益加大、動力電池效率不盡如人意的背景下，不論對傳統(tǒng)燃油汽車，還是新能源汽車，輕量化技術都是一項共性的基礎技術。鋁合金作為一種具備多種優(yōu)良性能的輕質材料，成為目前汽車輕量化技術發(fā)展中的首選材料。

車身質量占汽車總質量的40%左右，對于整車的輕量化而言，車身的輕量化起著舉足輕重的作用。

我們今天就來聊一聊汽車車身用鋁合金零件關鍵制造技術，包括鋁合金汽車板材和管件液壓成形工藝、板材溫沖壓成形技術、型材擠壓成形和結構件鑄造（鑄鋁）成形技術等。

鋁合金在車身上的應用

鋁合金的牌號依據(jù)所含非鋁元素的種類與含量的不同，分為1000到9000共九大系列。

汽車車身用鋁合金材料主要包括：銅元素含量最高、硬度也較高的2000系，主含鎂元素、又稱“鎂鋁合金”的5000系，鎂硅含量高、抗腐蝕和抗氧化性能好的6000系，汽車車身的不同受力部位會采用不同系列型號的板材、型材、管材及高性能鑄鋁等鋁合金材料。

骨架部分：車身受力最大的部分，采用2000系或7000系材料，可熱處理強化。

外板部分：車身次要的受力部位，采用5000系或6000系材料。

車門部分：采用5000系或6000系材料。

地板部分：采用5000系或6000系材料。

鑄件：采用高性能鑄鋁合金，可熱處理強化。

鋁合金在汽車上廣泛運用

鋁鑄件被制造能夠承載大載荷的部件，明顯減輕了重量但同時還具有高的強度。這些板件具有復雜的幾何形狀，通常是用真空壓鑄的方式，使它具有較高強度。鋁鑄件還具有高的延展性，良好的焊接性能，較高的塑性，保證了在發(fā)生碰撞時的高安全性。這些鑄件的鋁合金類型是5000或6000系列鋁合金。目前鋁鑄件主要運用到電動車電池包結構箱體上比較多。

Tesla Model S電池箱體

汽車車身用鋁合金零件關鍵制造技術

汽車車身用鋁合金零件主要有鑄造(鑄鋁)連接件、覆蓋件(板材沖壓)、擠壓型材骨架結構件、液壓成形板材覆蓋件和管材結構件等。

普通沖壓工藝加工鋁合金表面質量差，成品率低（只有70% 左右），不能滿足車身零件高精度、高可靠性、高效率和低缺陷制造的要求。汽車車身零件的液壓成形技術在歐美、日韓等發(fā)達國家的汽車產(chǎn)業(yè)中獲得了大量應用，設備最高壓力達到了400 MPa，加工出鋁合金汽車發(fā)動機罩內外板、車門內外板及翼子板等覆蓋件已裝車應用。

大型鋁鑄件、液壓成形部件是鋁合金成型的兩項核心技術。鋁合金汽車板材和管材液壓成形工藝如下圖。

液壓成型工藝

與沖壓工藝相比，液壓成形工藝的優(yōu)勢如下：

（1）減小毛坯尺寸，節(jié)約材料；

（2）提高成形極限，減少成形道次；

（3）零件的表面質量和尺寸精度大幅提高；

（4）降低配套模具數(shù)量和成本；

（5）減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量；

（6）可以成形形狀復雜、變形程度大、整體性要求高的零件。

這項技術在國外已成為汽車輕量化的主流技術，并朝著集成化、快速化、大型化、精確化等方面發(fā)展。雖然國內在大噸位液壓成型樣機研制方面已經(jīng)取得成功，如1600 t 和1050 t 材料液壓成形設備，但是在國內推廣應用鋁板液壓成形技術還存在著以下主要難點：

（1）基于鋁板液壓成形設計知識的欠缺。提供給設計人員的液壓成形知識不系統(tǒng)、不全面，造成我國設計人員無法或根本不能夠考慮到液壓成形技術在輕量化結構件上的應用。

（2）面向液壓成形技術的鋁板材料成形性和零件質量控制體系的研究不足。多數(shù)面向普通沖壓成形的鋁板材料成形性和零件質量控制研究的結果并不適用于液壓成形技術。

（3）諸多的工裝模具及超高壓液壓源系統(tǒng)面向產(chǎn)業(yè)化的關鍵技術有待突破。

（4）以鋁板液壓成形為核心的全系統(tǒng)聯(lián)動的裝備研究不完善。

由于上述原因，面向產(chǎn)業(yè)化的并聯(lián)動作系統(tǒng)并未得到實際的應用，工裝和模具開發(fā)成型難度大、調試周期長，因而成本較高，在國內車型仍鮮見應用。

鋁合金汽車板材零件液壓成形應用（Tesla Model S 側圍及地板）

鋁合金汽車管材零件內高壓成形應用（Tesla Model S P85D 及捷豹XFL）

鋁合金板溫成形工藝受到材料成形性能、工藝參數(shù)與模具的設計、潤滑與摩擦狀態(tài)等諸多因素的影響，目前仍是一項待進一步研究開發(fā)的板料沖壓成形新技術。如果得到突破，則可以提供高效率成形技術——平均每小時生產(chǎn)零件（ASPH）大于540件。

汽車地板溫沖壓工藝流程

近年來，鋁合金板溫成形技術開始應用于汽車車身。目前，板材溫成形沖壓技術用于車身鋁板沖壓仍存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）成形性還需繼續(xù)改善。鋁合金板材的局部拉延性不好，容易產(chǎn)生裂紋，特別是形狀比較復雜的零件。

（2）零件表面質量不夠理想。為避免拉裂，常常導致沖壓拉伸不充分，作為外覆蓋件容易出現(xiàn)局部面畸變等缺陷，影響表面質量。

（3）尺寸精度不容易掌握，回彈難以控制。由于上述原因，鋁板沖壓模具開發(fā)難度大、調試周期長，因而成本較高，難以滿足高檔轎車車身件的質量要求。

汽車外覆蓋件

型材擠壓成形

在車身設計中，應用空間框架設計可使車身的靜態(tài)扭轉剛度提高60% 。型材擠壓成形技術是一項車身框架型材伺服控制擠壓彎曲一體成形技術，也是實現(xiàn)空間框架設計的主要技術手段。

德、日、美等國已投入大量人力物力，攻關大型扁寬鋁合金型材擠壓工藝、精密淬火與人工時效、精整校直等關鍵技術。一些新的擠壓技術也相繼被開發(fā)出來，如高速擠壓、靜水擠壓、無殘料擠壓、變截面擠壓等。

中高檔汽車如奧迪、寶馬旗下眾多車型、日產(chǎn)系列、通用君威和君悅以及豐田皇冠等，都采用鋁合金作為防撞梁和吸能盒的材料。

型材擠壓成型過程實際是從產(chǎn)品設計開始的。產(chǎn)品的使用要求決定了產(chǎn)品的許多最終參數(shù)，如產(chǎn)品的機械加工性能、表面處理性能以及使用環(huán)境要求等決定了被擠壓鋁合金的種類。產(chǎn)品的設計形狀也會決定鋁型材性能以及擠壓模具的形狀。

當設計的問題解決，實際的擠壓過程就從擠壓用鋁鑄棒開始，經(jīng)過擠壓前的加熱軟化，然后放入擠壓機的盛錠筒內，再由大功率的油壓缸推動前端裝有擠壓墊擠壓桿，在強大壓力的作用下，軟化后的鑄鋁棒從模具精密成型孔中擠出成型。

鋁合金前防撞梁

Jeep前防撞梁

擠壓-彎曲一體化加工技術如下圖。型材出?？诤蟮膹澢冃问峭ㄟ^一系列引導裝置來實現(xiàn)的。該方法不僅可以精確地控制型材的彎曲精度，而且可以簡便地實現(xiàn)三維彎曲（即不同部位有不同的彎曲方向和曲率半徑）。根據(jù)型材彎曲時的受力條件，彎曲引導模離擠壓模出口的距離也可以進行調整。

型材擠壓-彎曲一體化加工

就擠壓工藝而言，由于普通擠壓壓力機運動特性固定不變，工藝參數(shù)的優(yōu)化難以實現(xiàn)。將伺服控制系統(tǒng)與擠壓壓力機結合，就能實現(xiàn)任意滑塊運動特性曲線，滑塊位置精度可達0.01mm，伺服壓力機行程可根據(jù)成形工藝需要進行方便地調整，對于提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。

對于汽車的前縱梁、座軌、保險杠、減震結構等斷面變化結構，其成形工藝通常采用沖壓焊接方法、擠壓、脹壓成形等，這些工藝過程復雜、生產(chǎn)效率低、成本高，而且焊接部位會降低車身剛度及吸能特性。采用伺服控制擠壓-彎曲一體成形方法制造上述結構中的鋁型材構件，可顯著減少半成品的后續(xù)機械加工量，獲得全纖維高性能的擠壓件，從而提高車身骨架的強度性能和可靠性。

結構件鑄造(鑄鋁)成形技術

鋁合金車身框架結構（ASF）

鋁合金車身框架結構的車身框架由鑄造和液壓成形的鋁合金部件組合而成，包括35% 的高精度鋁合金鑄造件、22% 的擠壓成形鋁合金件和35% 的鋁合金板材。其中，車身框架的連接件多為鋁合金鑄件，此類鑄件起到連接車身各鋁材的作用，是主要的承力部件，要有較高的強度。為了滿足使用需要，車身鋁合金鑄件多為復雜薄壁結構。由于此類鑄件的結構特點，以及汽車產(chǎn)業(yè)大批量生產(chǎn)的需要，采用傳統(tǒng)的鑄造工藝已無法滿足要求，國外目前制造鋁合金車身鑄件大多采用真空壓力鑄造和特種擠壓鑄造等新的壓擠鑄造工藝技術。

真空壓力鑄造以及特種擠壓鑄造是新型鑄造技術。真空壓力鑄造與普通壓鑄相比，增加了抽真空操作，可將型腔中的氣體抽出，金屬液在真空狀態(tài)下充填型腔，減少了卷入的氣體，鑄件可進行熱處理，力學性能高于普通壓鑄件。特種擠壓鑄造不僅可以實現(xiàn)液態(tài)金屬擠壓成型，還還可實現(xiàn)處于半固態(tài)的金屬漿料擠壓成型，此漿料具有較好的流動性以及球狀顯微組織，可成型較為復雜的鑄件，而且鑄件具有優(yōu)良的力學性能以及較高的近終成型程度。

鋁車身可靠連接技術

機械連接技術：鋁合金導熱率高，采用傳統(tǒng)電阻點焊技術連接能耗極高，而且質量難以保證。目前，國外汽車制造廠商大量采用自沖鉚接、自切削螺釘?shù)葯C械連接方法實現(xiàn)鋁合金連接。

焊接技術：對鋁車身零部件連接技術而言，目前除大量采用鎖鉚、自切削螺釘、自攻螺釘、沖聯(lián)工藝及膠（粘）接等非熔化連接方法外，還大量采用MIG焊、激光焊（包括激光熔焊、激光釬焊）及激光-MIG電弧復合焊等熔化焊接方法。其中，MIG焊、激光焊及激光-MIG電弧復合焊、攪拌摩擦焊成為鋁車身零部件焊接的標準工藝。

柔性化包邊技術：車身覆蓋件外形質量要求高、精度控制嚴，傳統(tǒng)模壓包邊投入大、柔性差，機器人滾壓工藝（roller hemming）成為包邊柔性化的必然趨勢。國外成熟的汽車設備供應商已有很多具備了柔性化鋁合金包邊技術，例如德國ThyssenKrupp、美國Hirotec、德國Edag、英國DVA 等公司。目前，國內鋁合金覆蓋件配套的包邊設備供應商主要是歐美企業(yè)。

汽車輕量化是未來汽車在節(jié)能環(huán)保，降低污染等方面的重要發(fā)展方向。鋁合金作為典型的輕型材料越來越被行業(yè)所認可，因此在汽車上的應用也會越來越廣泛，可以說全鋁化車身將是未來汽車輕量化發(fā)展的一種趨勢。

參考資料

1．李永兵，陳長年，郎利輝，謝暉．汽車鋁車身關鍵制造技術研究．汽車工藝與材料，2013(3)：50-58．

2．許自立，翟海朋，王浩．鋁合金在汽車上的應用．中國科技博覽，2014(3)：320-320．

3．戶取征二郎，高魁源．日本鋁合金車輛的最新技術與發(fā)展趨勢．國外鐵道車輛，2002，39(2):7-11．

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