节能减排对车身零部件成型技术提出更高要求

随着能源危机加剧,汽车的节能减排技术成为我们目前国内外非常热的话题。轻量化应该是节能减排的有效手段,不管是传统汽车还是新能源汽车,它的重量、减重都是我们面临的话题。随着轿车每减轻10%燃油消耗就减少6%到8%,这个问题已经得到国内外各个汽车企业的高度重视。

精密制造为新时代汽车开发提供技术支撑

汽车节能减排对现在汽车制造技术来说提出了更高的要求,这迫切地需要我们在新材料成型上,包括一些新材料,或者是材料的连接,整个制造过程当中的质量控制技术如何进行突破,来适应我们整个未来车身轻量化制造。据国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉介绍,车身的覆盖件主要是冲压件,冲压件设计包括汽车板材和成型技术等。冲压件结构的发展趋势将更加整体化,局部功能有局部加强的方面,比如热冲压的局部硬化,以及一些不等材料,特殊结面的成型。成型工艺的一体化和集中化方面,热冲压成型和快速的超速成型方面将是一个发展趋势。另外一个发展趋势是成型装备上的柔性化,比如一些增量成型装备,滚轧成型等等。在材料方面,高强度钢越来越关键,第一代是基于铁素体制,第二代基于奥氏体,第三代是马氏体。国内宝钢做了大量的研究,第三代在国际上处于一个领先水平。在成型方面,关键技术有温热成型、液压成型、柔性的包边技术、冲压模具设计等。

随着汽车板强度越来越高,在强温下成型越来越困难。所以温热成型可能是未来的发展方向。在这里面遇到的挑战就是在成型过程当中怎么分析,以及在成型过程当中怎么来进行工艺优化,再就是再冷却系统的技术。

在轻量化的液压成型方面,国内外已经得到一定的应用。这里面所面对一个技术挑战是在成型过程当中它的不均质材料如何评估,还有温热成型和液压成型如何进行耦合继承。还有超高压的装备方面。

柔性的包边技术,尤其是门的包边上的应用所遇到的问题是在成型过程当中它的成型质量,比如起皱,回弹,在开裂处如何控制,由于材料是循环加载,那它的力学行为怎么分析,包括断裂如何进行预测,或者进行成型滚边工艺的路径规划。

在大批量生产当中冲压成型工艺稳健设计尤为重要。模具设计好以后,试模阶段不会出现太大的问题,当大批量生产的时候,如何让他批量条件下成型质量好,这是遇到的重要问题。因此在这里面需要开展一些研究工作。

这里所遇到的挑战是整个材料和工艺的统计分析特性,意义它在的成型过程当中各种实验模型如何确定,还有稳定分析和成型过程当中的优化技术。

某汽车厂的侧围成型工艺稳健设计。侧围是汽车非常重要、复杂的零件。要求整个没有开裂、没有起皱,同时要保证侧围表面刚度比较高。这是在成型的试生产阶段,它的模具问题可能会使得在试生产阶段比较高,对于这个问题我们可以首先进行成型工艺的参数分析,包括确定它主要的参数和次要的参数。在这个基础上可以对成型过程当中不同的部位:如A区、B区等区域进行参数敏度分析,确认出最敏感的参数。成型质量的起皱、开裂和敏感参数的关系,在这个基础上进行优化、确定它最优,或者最稳健的成型工艺参数。在优化基础上可以对成型模具,试模参数进行调整,比如调整压边力,调整材料的曲直范围,以及修改材料毛胚孔的初始孔型,通过这些设计来使得废品率原来比较高的情况下降到比较低的情况,小于1%。

在成型过程当中的副车件是非常复杂、重要的零件。由一根钢管经过弯曲,再经过液压成型来形成这样的形状。这里面需要解决的问题是如何建立无缝钢管,以及如何来指导我们实际成型过程当中参数的选择。

由于轻量化车身引入高强度钢,还有由于液压成型的管件,这些材料在成型当中得到广泛的应用。这就迫切需要我们开展新型的焊接工艺和柔性连接装备。来实现车身焊接过程的高效率、低能耗,以及焊点的高可靠性。

目前随着轻量化材料的应用,焊接和连接工艺的发展趋势来看主要是传统的机械连接等,这些将会越来越少。对铝合金的摩擦搅拌点焊来看以后会逐渐增加。特别是有可能是一些负荷的连接技术可能会成为以后无论是学术界,还是工业界研究的热点。比如说交界点焊,包括铆接和电阻焊怎么结合,这是一个发展趋势。

焊接和连接工艺的装备上,一个是我们如何提高质量,再一个是如何降低能耗、如何采用新的技术来提高产能。在连接工艺装备上它有很多发展趋势。在这里遇到的关键技术一个是高强度钢,它的点焊技术,在主流汽车厂得到比较广泛的应用。采用中屏点焊技术可以比目前节省能耗1/3。电极消耗也可以节省1/2。现在面临的问题是在实际生产当中我们采用中屏电阻点焊,它的规范标准是采用原来的规范,所以这方面还需要我们做很多的工作。

另外,在铝合金自成铆接技术方面,SPR铆接有很多优势,特别是适合于铝合金方面的连接。它的强度比单个点焊提高30%,连接变形也比点焊,或者弧焊连得少。铝和钢的连接可以采用冷技术过渡,这种技术比较大的优势是在焊接过程当中金属在过渡时候电流可以减少到几乎为零,同时焊丝的回抽运动帮助溶滴脱落,热输入可以降低30%。变形小、无飞溅。

采用光纤激光的钎焊技术也是我们未来的一些连接潜在技术。比如采用高强度钢进行车身制造过程当中,实际上高强度用钢的焊接窗口比传统的中焊钢窗口要小。如何解决这个问题,实际上可以采用伺服焊枪和传统的焊枪来解决高强度焊接的质量可靠性问题。这里面主要是丝夫焊枪的可靠性,以及压力的可控性,再就是焊接过程的可操作性。以实现我们对焊接当中检测和过程控制来实现焊点得到百分之百的可靠性。通过伺服焊枪高强度钢,和焊接的工艺优化,来使得焊接窗口比采用传统的焊接窗口可以提高50%以上。对焊合质量得到比较大的提高。

数字化的柔性装夹技术。随着车身型号变形不断加快,可以采用数字化的柔性装夹技术。

车身装配质量控制方面,随着车身轻量化,在一个车身制造过程当中有多种材料,特别是高强度钢,是铝合金运用上去以后,尺寸如何控制,给尺寸控制带来难题。车身制造偏差对整个车身的性能都会带来些影响。在车身装配过程当中的发展趋势就像刚才说的新材料,或者是新工艺的比较。由于新材料对装配技术,或者对检测技术都会带来新的要求。同时,在车身的装配质量控制当中可能要从目前在批量化生产,或者是试生产过程当中的质量偏差进度延伸到设计过程当中的质量控制。

随着汽车市场竞争不断加剧,每年的新车型,每个公司的新车型都都不断地推出。对车身尺寸偏差控制核心问题在于车身装配过程当中像车身的生产线,车身装配当中整个的偏差如何检测,在这些过程当中如何进行控制。

在车身装配过程和质量控制当中有一系列的关键技术,可以总结出十大关键技术,在设计阶段可能是尺寸项目如何规划、尺寸如何匹配、尺寸标准如何界定,以及整个在设计过程当中的装配偏差如何分析。在制造过程当中如何进行测点规划,意义样车过程当中怎么样匹配,再就是整个质量系统怎么样来进行处理,包括怎么进行联系改进。

在这里面可能遇到一些关键技术就是非常负责的车身制造质量如何评价。车身可能有几百个零件,每天要生产几百辆车,在生产过程当中可能你每天抽样只有1辆、2辆、3辆,如何进行质量评价这是一个问题。另外一个问题,如何进行尺寸检测。整个车身是一个比较复杂的系统,如何来确定我们正检测点,1百个、2百个检测点如何来分布,布置检测点,这可能也是我们遇到的问题。就是侧点和功能相结合的功能、尺寸系统如何建立。

在装配过程当中为了进行控制,如何进行车身在线检测和智能的预警,这方面主要是在整个车身生产线中有几百个工位,每个工位上如何来布置在线检测点,如何实现检测能力和整个成本的协调。

质量信息流控制管理平台。车身质量控制可以建立一些系统,前期工作当中实际上已经在一些场合上得到了应用。但随着轻量化,或者是新材料的引用可能还需要进一步完善、推广。

在车身制造过程当中,我们叫数字化工艺技术。或者叫数字化的功能评价。每一种新车型推向市场以前,可能都需要进行样车的试制,通过样车来评价整个零件、覆盖件的磨损,看一下匹配程度如何,一般是用几十台样车来评价,要耗费很大的功利。这里面可以采用数字化方法来替代这个过程。实际上在国外美国通用一些公司都在尝试用数字化的方法来替代实际的物理样车。主要是想缩短车身的开发周期,降低成本。

这里面主要的技术点来看,一个是零件成型如何进行仿真,包括零部件的连接如何仿真,还有装配的时候如何进行仿真,核心问题就是这种零件在装配过程当中的仿真技术。有了这个技术以后就可以对装配进行动态的调试,包括工艺和参数的优化来实现。

这里可以根据已有的商业化软件,或者自己开发的软件来建立一个分析平台,通过这个分析平台来对整个车身在试生产阶段的装配过程进行分析、优化。这是在某一个汽车厂通过对发动机前舱装配过程的分析带确定每个零件的工差怎么分配,包括每个家具的定位点,定位点如何分配,实现整个工艺体优化。试图想通过数字化的匹配,或者是数字化的分样技术来实现物理样车的试制。

 
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