文/張東升，李彥雲，李超·北京汽車股份有限公司汽車研究院
《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》釋出了車身輕量化技術路線圖，從材料、工藝方面規劃了未來15 年的車身輕量化發展方向。工信部、發改委、科技部聯合釋出《汽車産業中長期發展規劃》，明确了要發展先進車用材料，引導汽車行業開展高強鋼、鋁合金、鎂合金、高性能工程塑件、複合材料的應用。根據政策導向及發展路線，新材料、新工藝的應用刻不容緩。
圖1 是《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中輕量化材料的路線圖，根據線路圖可知近期(到2025 年)以完善高強度鋼應用體系為重點，同時增加輕質合金的應用；中期(2025 ～2030 年)以形成輕質合金應用體系為方向；遠期(2030 ～2035 年)形成多材料混合應用體系為目标。是以，亟需對1.7GPa 冷成形鋼、2.0GPa 熱成形鋼，以及鋁、鎂合金輕質合金材料進行深入研究和推廣應用。
圖1 輕量化材料路線圖
圖2 統計了2020 年歐洲年會上12 款車型高強鋼、鋁合金的應用比例，12 款車型中，高強鋼的比例在34.7% ～70.2% 之間，7 款車型應用了鋁合金，應用比例在0.5% ～11.3% 之間，可見高強鋼及鋁合金的應用趨勢與輕量化材料路線圖規劃方向是一緻的。
圖2 2020 年歐洲年會12 款車型高強鋼、鋁合金應用比例統計
本文選取8 種成形工藝進行工藝調研，其中高強鋼成形包括2.0GPa 熱成形、熱氣脹成形、3D 輥壓成形、液壓成形，鋁合金成形包括擠壓成形、高真空壓鑄成形、冷沖壓成形、熱沖壓成形，分析了8 種輕量化成形工藝的特點和優劣勢。根據近年來成形工藝在國内外的推廣應用情況，得出輕量化成形工藝的發展趨勢。
2.0GPa 熱成形鋼
熱成形工藝是将坯料加熱至900℃以上，保溫一段時間待組織全部奧氏體化，然後将闆材從加熱爐快速轉移到熱成形壓機中，在壓機上快速進行壓制，并保壓10s 左右，待零件全部馬氏體化後，由機械手将熱壓工序件從模具中取出。1.5GPa 熱成形鋼已廣泛應用，2.0GPa 熱成形鋼是新一代熱成形鋼。
與1.5GPa 熱成形鋼相比，2.0GPa 熱成形鋼提高了C 含量，增加V 元素。C 元素是固溶強化元素和奧氏體穩定元素，在馬氏體中起到間隙固溶強化的作用，對馬氏體強化效果遠大于其餘置換固溶強化合金元素。增加V 元素機理是VC 的析出強化和細晶強化，提高了強度和塑性。
優勢與劣勢分析
2.0GPa 熱成形鋼的優勢是強度高、回彈小，熱成形工藝與1.5GPa 熱成形鋼基本一緻，不需特殊産線及工裝。2.0GPa 熱成形鋼現階段成本較高，同時由于碳含量增加，氫脆風險高于1.5GPa 熱成形鋼，需嚴格監控加熱爐内露點。
應用趨勢分析
2.0GPa 熱成形鋼主要應用的零部件有A 柱加強闆、B 柱加強闆、座椅橫梁等。北汽已在新能源量産車型Lite 車門防撞梁上批量應用。目前國内外車型均開始有量産應用，但仍處于應用推廣階段，應用趨勢明顯。未來用量增加，成本将逐漸降低，有望替代現有的1.5GPa 熱成形鋼。
熱氣脹成形
熱氣脹成形工藝是通過感應加熱将管材或闆材加熱到一定溫度，使材料的變形能力提高，同時變形抗力顯著降低，然後利用高壓氣體的壓力使坯料發生變形，随後增加氣壓進行整形的過程，如圖3 所示。
圖3 熱氣脹成形工藝過程
熱氣脹成形工藝的優勢有零件強度高(最高可到2.0GPa)、材料使用率高、回彈小、精度可控、可變封閉截面、剛度高，能夠減少零件數量及工裝數量等。應用于A 柱可有效減小障礙角，提升小偏置碰和抗頂壓能力。
熱氣脹成形工藝的劣勢有模具成本較高，截面變化率不能太大(脹形率＜15%)，難以直接加工出安裝特征等。由于鋼廠無成品管材，還需将闆材加工為焊管。并且首先要進行預彎成形，再進行熱氣脹成形。因封閉截面為單面冷卻，冷卻慢，生産效率低。
2018 年歐洲車身年會上，牧馬人展示了熱氣脹管梁，由A 柱一直延伸到D 柱，構成了側圍上部骨架結構，如圖4 所示。福克斯展示了熱氣脹A 柱上邊梁，同時結合變厚度闆實作了變料厚的熱氣脹管梁A 柱，如圖5 所示。
圖4 牧馬人車型熱氣脹成形零件
圖5 福克斯車型熱氣脹成形零件
德國林德維曼公司(Linde Viemann)率先開展熱氣脹技術研究，開發ACCRA 工藝，即管件的加熱氣脹成形與淬火工藝，開發防撞梁應用于福特野馬、福克斯車型。日本住友重工公司開發了截面具有焊接邊的熱氣脹工藝SATF 技術，并注冊了專利，但并未發現量産應用。目前國外有車型已量産應用，但國内供應商較少，仍處于試制推廣階段，該技術具有遠期應用趨勢。
3D 輥壓成形
3D 輥壓成形最高可實作1700MPa 馬氏體鋼零件生産，孔加工需要用雷射切割，其主要生産工序包括線上沖孔輥壓高頻焊接整形切斷3D 彎曲雷射切割。
3D 輥壓成形工藝的優勢是零件強度高，截面封閉、剛度高、能有效減少零件數量及工裝數量。應用于A 柱位置，可有效減小A 柱障礙角，提升抗頂壓和小偏置碰性能。由于是冷成形，成本相對較低，材料使用率高。3D輥壓成形工藝的劣勢是由于必須為等截面，設計具有局限性；零件容易回彈，精度控制困難。
2019 年歐洲車身年會上，福特探險者A柱上邊梁應用了1700MPa的3D輥壓成形技術，與液壓成形的A 柱相比，顯著減小了A 柱障礙角。國外該技術主要應用于福特車系，自主品牌目前無量産應用，因其精度控制難度大，未來應用趨勢不顯著。
液壓成形
工藝介紹
液壓成形技術是将預處理(端頭倒角、去毛刺、彎管或彎管+預成形)過的定尺管材置于模具型腔内，往管件内注入高壓液體的同時在管件兩端進行加力補料，使管件在模具型腔限制下進行充模脹形，直至其外壁與模具型腔貼合，成形出所需的各種中空零件，工藝過程如圖6 所示。
圖6 管材液壓成形工藝過程
液壓成形的優勢有零件強度高( 最高可到1000MPa)；可變封閉截面、剛度高、內建度高、可減少零件數量及工裝數量；可加工多種材料，如鋼、鋁、钛合金等；材料使用率高。液壓成形的劣勢是模具成本較高。另外，無成品管材的情況下需先将闆材加工為焊管，并且需預彎成形，再進行液壓成形。
目前車身液壓成形零件在國内外車型上均有量産應用，未來應用趨勢明顯。2018 年歐洲車身年會上，福克斯展示了液壓成形的前輪罩上邊梁。
鋁合金擠壓成形
擠壓是從擠壓用鋁鑄棒開始，鋁鑄棒在擠壓前必須加熱使其軟化，随後将加熱好的鋁鑄棒放入擠壓機的盛錠筒内，由大功率的油壓推動擠壓杆，擠壓杆的前端有擠壓墊，這樣被加熱變軟的鋁合金在擠壓墊強大壓力的作用下從模具精密成形孔擠出，得到最終的産品。根據擠壓方向不同，擠壓工藝可分為：正向擠壓、反向擠壓、側向擠壓。
鋁合金擠壓成形的優勢是零件為封閉式複雜截面，有效提高剛度強度；模具開發成本低，周期短，生産效率高，材料使用率高；應用于前、後防撞梁和前縱梁，吸能效果明顯，增加車身的被動安全；輕量化效果明顯。鋁合金擠壓成形的劣勢有生産加工慢、工序多，結構受限，應用有一定局限性；成形困難，彎管一緻性差；模具壽命較短。
北汽已在多款車型上應用鋁合金擠壓成形零件。例如，燃油車Beijing X7 的前後防撞梁，新能源車極狐αT 和αS 的門檻、地闆橫梁、前後防撞梁、前後縱梁等位置。目前國内外車型上均已批量應用鋁合金擠壓成形零件，未來應用趨勢明顯。
高真空壓鑄成形
壓鑄工藝是将壓鑄機、壓鑄模和壓鑄合金三大要素有機組合而加以綜合運用的過程。它是一種少無切削的特種鑄造方法，将熔融金屬在高壓高速下充填鑄型，并在高壓下結晶凝固形成鑄件的過程。
鋁合金壓鑄成形的優勢是減少零件數量高度內建零部件，降低工裝成本；生産效率高，工序簡單，節約原材料；輕量化效果明顯。
鋁合金壓鑄成形的劣勢有鑄造精密性差，零件精度不高；鑄造零件相比沖壓件脆，強度差；高溫下冷卻成形，易出現應力集中，零件存在安全隐患；維修性差，因零件內建度高，造成損壞件換件必須整體切換。
目前車身壓鑄成形廣泛應用于前、後炮塔。在後縱梁和D 柱接頭位置也有應用。例如特斯拉model Y在車身後部應用了兩個大型鑄鋁件，內建後縱梁前段、輪罩内闆、後地闆中橫梁、後地闆後橫梁以及其他各安裝點。北汽已在新能源車型上将鋁合金壓鑄成形應用于極狐αT 和αS 的前後減振器座、後縱梁連接配接等位置。國内外均已批量應用鋁合金壓鑄成形，未來的應用趨勢明顯。
鋁合金冷沖壓成形
鋁合金冷沖壓零件的制造過程主要包括闆材生産、自然時效處理、沖壓、人工時效等過程，如圖7所示。
圖7 鋁合金冷沖壓工藝過程
鋁合金冷沖壓成形的優勢是輕量化效果明顯；可以實作包邊、焊接等多種工藝；廣泛應用于外覆寫件，抗腐蝕性好；表面品質高，光澤度好。
鋁合金冷沖壓成形的劣勢有屈服強度、抗拉強度低，抗凹性差；沖壓成形性差，對零件結構設計有較大限制，容易造成縮頸、開裂；沖壓回彈嚴重，零件設計、沖壓生産及零件比對不易控制；硬度低，表面易損傷，對生産及物流有較高要求。
目前車身鋁合金冷沖壓成形主要應用于車身外覆寫件和結構内闆上。例如北汽新能源車型極狐αT 和αS，在前後地闆、前圍闆、機蓋内闆、背門内闆等零件上均有大量應用。國内外量産車型也已廣泛應用，未來應用趨勢明顯。
鋁合金熱沖壓成形
近兩年來發展的新技術與高強鋼闆熱成形技術相似，将熱處理與熱成形相結合，是針對鋁合金材料的熱溶成形——冷模淬火(Solution-Heat-Treatment-Forming-Quenching, HFQ)工藝，以期獲得形狀複雜、強度高的鋁合金零件。
先将鋁合金坯料在加熱爐中加熱固溶(475 ～540℃/30min)，随後将坯料轉移至冷模内完成沖壓成形，在模具内保壓幾秒以完成零件快速淬火到室溫，然後人工時效(160 ～420℃/6 ～8h),顯著提高零件強度15%～20%。
鋁合金熱沖壓成形的優勢是強度高、輕量化效果明顯；回彈小、精度高；成形性好；抗腐蝕性好。鋁合金熱沖壓成形的劣勢有生産節拍長，成本較高。
目前車身鋁合金熱沖壓成形廣泛應用于A 柱加強闆、B 柱加強闆、地闆加強件等。在國外應用于阿斯頓馬丁、凱迪拉克、蓮花汽車等高端車型，國内還處于起步推廣階段，蔚來ES6 已開始應用，具備遠期應用趨勢。
結束語
本文針對國内外新工藝内容及應用進行調研彙總，分析出發展趨勢情況。2.0GPa 熱成形、液壓成形、擠壓鋁、壓鑄鋁、沖壓鋁技術成熟，未來應用趨勢較為明顯。熱氣脹成形、鋁合金熱沖壓成形處于起步推廣階段，具備遠期應用趨勢。3D 輥壓成形由于技術特點及供應商資源少，應用趨勢不明顯。
張東升 進階工程師，主要從事車身上體科的研發及管理工作，2021年，完成科研課題“車身精緻性研究與應用”、“零部件新成型工藝發展趨勢及可行性分析”，完成調研報告40 餘份、結題報告3 份、論文2 篇、發明專利1 項。曾獲院先進員工、“十大優秀青年工程師”等稱号。
——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第2期