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汽車用鋼的熱門方向和趨勢

摘要: 汽車輕量化已經成為世界汽車工業可持續發展的必然道路。作為多種新型成形工藝之一,熱成形技術助力汽車輕量化的發展,已越來越多地獲得汽車生產廠商的關注,可預見未來10年熱成形技術在我國汽車行業將有更多的應用。


在汽車業界,對於熱成形技術的優劣,以及其是否符合汽車產業長期可持續發展的要求,還有很多見仁見智的不同看法。為此,上海市汽車工程學會聯合中國汽車工程研究院、材料成形與模具技術國家重點實驗室、軋製技術及連軋自動化國家重點實驗室共同舉辦了“現代汽車製造係列論壇——2013中國汽車行業發展與熱成形技術論壇”。論壇旨在集合國內從事高強度鋼熱成形研究與應用的企業,共同就汽車行業目前及未來需要解決的技術難題一一探討,攻堅克難,從而對熱成形技術在汽車行業的應用和發展有一個正確的認識。


國內汽車熱成型技術現狀

中國汽車工程研究院副總工程師馬鳴圖先生表示, 汽車工業發展、汽車產量增多、汽車保有量的加大帶來了三大問題:油耗、環保和安全,針對這三大問題,各國都製定了相應的法規。除了改善發動機效率、傳動係統效率與汽車風阻等提高燃油經濟性的措施之外,輕量化是必不可少的手段。輕量化和汽車安全功能的提升導致高強度鋼的應用,特別是熱衝壓成形在超高強度用鋼的生產和應用,輕量化的同時,保證了汽車的安全性。


高強度鋼應用中的問題有:成形性尚需進一步改進;回彈;成形模具的壽命需要提升;連接方法或點焊後的評價方法;設計準則;數據需要積累,數據庫需要建立。既要改善高強度鋼的成形性,又要獲得製件的超高強度,熱衝壓成形技術就應運而生。


2008-2010年之間,國外大約有110條熱衝壓生產線,主要分布在美國、德國、日本、法國、西班牙、瑞典等國家。中國僅有5條生產線,分別是長春BENTLER、昆山GESTAMP,上海BENTLER、上海嘉定COSMA及上海寶鋼。熱衝壓生產線大多由瑞典AP&T公司及德國Shuler公司提供,兩家公司幾乎壟斷了全球所有的熱衝壓成形生產線市場。隨著熱衝壓成形技術的不斷發展,國內熱衝壓生產線的數量也不斷上升,目前已建成的熱衝壓成形生產線有近40條,主要分布在東北、華北和華東地區。除此之外西南、東南、華中等地區也有熱成形生產線建設計劃,預計到2014年,中國將會有超過40條熱衝壓成形生產線,遍布全國各地。


熱衝壓成形技術、裝備、材料、工藝圍繞著熱衝壓成形零件功能的提升,質量的可靠性、一致性、成本的下降、性價比的提升等方麵在迅速發展,尤其是在中國,熱成形產業發展很快,針對相關問題應進行深入研究,逐步形成中國熱衝壓成形的專有技術,滿足中國熱成形產業的發展,趕上和超過國際先進水平。


上海汽車集團股份有限公司技術中心車身部總監邱國華介紹了熱衝壓技術在汽車車身上的應用。他表示,歐係和美係車熱衝壓件應用相對較多,日係車熱衝壓件應用相對較少。全球主流新車型都使用熱衝壓技術,個別車型熱衝壓件應用比例較高。目前普遍應用的是等厚、等強度板熱衝壓技術。軋製差厚板、激光拚焊板、補丁板熱衝壓技術正逐步推廣應用。


熱衝壓技術應用的主要問題有:(1)CAE分析能力:目前難以準確描述軋製差厚板和變強度板的性能,導致CAE分析精度不高。(2)零部件成本高:現階段熱衝壓Al-Si鍍層鋼板、軋製差厚板和激光拚焊板全部從國外進口,增加了原材料成本,同時衝壓件成本都比冷衝壓高很多。(3)原材料來源少:現階段Al-Si鍍層等厚鋼板和激光拚焊板受專利保護,隻有一家國外供應商提供,軋製差厚板也隻有一家德國供應商提供。(4)軟模件質量差:用不帶鍍層的鋼板加工快速軟模零件時,由於加熱階段不帶保護氣氛,導致零件表麵質量很差;模具不帶冷卻管道,導致零件性能的穩定性無法保證。


熱成型技術解決方案

上海賽科利汽車模具技術應用有限公司技術中心副科長劉磊超先生對熱成型中先進模具的製造技術應用做了演講。他表示,在高溫狀態下,雖然板料具有較好的流動性,但是抗拉強度大大降低,不宜采用拉延工藝,基本以成形工藝為主。在製定衝壓工藝時,板料總體的流動方向為由內及外,壓邊圈隻起到輔助材料成形的作用。對於外形複雜的零件,需要在局部設計壓料板,控製材料流動,確保成形結果。材料在高溫狀態下,流動應力與應變、應變速率和溫度三個因素相關,導致熱成形CAE模擬的一致性低於冷衝壓,需要結合調試經驗進行修正。板料與模具間的接觸熱阻與兩者間的壓力和間隙緊密相關,CAE模擬需充分考慮該影響因素。 研究表明,材料的冷卻速度不同,體積的膨脹量和收縮量不同。在熱成形過程中,同一零件上的不同部分,由於與模具的接觸順序和狀態有差異,導致不同部分材料的膨脹量不同,從而導致最終零件扭曲變形。因此需要依據實際經驗,對模具型麵進行補償,以得到尺寸合格的零件。


熱成形模具鋼一般采用熱作模具鋼,需要具備足夠的紅硬性、高溫耐磨性和導熱性能。熱導率越高,傳熱速度越快,能達到較高的生產節拍,但是往往硬度和耐磨性比較差,需要綜合生產綱領、生產節拍、材料價格等因素,選用適當的模具材質。熱成形模具含有冷卻水道,鑲塊需要整體熱處理,因此需要合理安排深孔鑽、熱處理、2D/3D加工、粗/精加工、組合加工等製造、裝配工藝,實現工藝流程的最優化。


雖然熱成形零件得到了大量應用,但是行業競爭也越來越激烈,產品價格一路下降,這對零件和模具的開發提出更高的要求,推動技術不斷進步。 TRB(柔性軋製板)/TWB(拚焊板)/Patch(補丁板)的熱成形零件,需要針對工藝特點,設計衝壓工藝和模具結構,以滿足質量要求。


本土汽車熱衝壓成形應用

奇瑞汽車工程中心材料工程部部長孫衛健先生介紹了熱成形技術在奇瑞汽車上的應用。他表示,熱成形鋼通過高溫加熱,實現材料組織轉變與零件成型同步,解決了超高強度鋼成型問題。熱成形技術的優勢在於:得到超高強度的車身零件;減輕車身重量;提高車身安全性、舒適性;改善衝壓成形性,製回彈,提高零件尺寸精度;高溫時材料屈服強度降低,對衝壓所需壓機噸位的要求也相應降低;提高焊接性、表麵硬度、抗凹性和耐腐蝕性。而熱成形技術的不足在於:設備投資大(冷卻係統、步進爐、激光切割);模具設計和加工複雜,製造、保養成本高;零件單件成本相對較高;零件連接技術提出了新的挑戰。


隨著汽車環保和安全法規的日益嚴格,熱成形已被各大汽車廠廣泛采用。奧迪A3達到21.7%,占骨架重量比的26.4%,是迄今有資料顯示的熱成形用量最高的車型。奇瑞一直重視熱成形技術的應用,來實現安全與輕量化的平衡。已開發的熱成形零件有B柱加強板、Door Beam、前保險杆橫梁和A柱加強管等。典型案例有艾瑞澤7,應用於A柱、B柱、門防撞板、前擋板加強橫梁等7個零部件,熱成型應用總體實現減重8.6kg,顯著提高整車的安全性。從結構上實現B柱頂部與底部性能的差異化,達到TRB、TWB和熱成型局部淬火技術相同的性能。熱成形應用於前擋板加強橫梁,使前碰時防火牆的侵入量得到有效的控製。


目前奇瑞的熱成形應用與奧迪有相同的理念,但是精細的性能設計能力還是存在差距。熱成形部件應用實現“理想載荷傳遞路徑”的構建。車身呈“籠”式,前艙布置了四條縱向能量流吸收和傳遞通路,兩條連通前後保險杆的縱向大梁。此外,A柱、B柱、前門防撞板采用超高強度的熱成形鋼板,其實際抗拉強度超過1500MPa。這種設計使得在前碰時確保了座艙的完整性,提高安全性。超高強度熱成形鋼板在A柱、B柱、前門防撞板上的運用以及設計的合理性,減少了側碰時車身的侵入量,提高了碰撞安全性。由此可見,自主品牌產品技術實力提升,對新技術的需求更為迫切。

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