汽车车身冲压成形技术及发展

汽车车身冲压成形技术是汽车制造技术的重要组成部分，以致有些国际同行认为汽车技术的竞争实质上是冲压成形技术及其相应的焊装技术的竞争。虽然上述观点不一定准确，但说明冲压成形技术在汽车制造中的重要地位。

众所周知，汽车车身的金属件几乎90%为冲压件，而且汽车车身的更新换代远比底盘和发动机的更新换代快。这就决定了冲压成形技术在汽车产品的开发中不仅影响制造周期，还直接影响成本和产品品质，因而影响产品的综合竞争力。

第一节 冲压原材料研究的最新进展

新型冲压用板材包括：

• 高强度钢板；
• 耐腐蚀钢板；
• 双相钢板；
• 涂层板及复合板材。

高强度钢板

定义：指对普通钢板加以强化处理而得到的钢板。

强化原理：固溶强化、析出强化、细晶强化、组织强化(相变强化及复合组织强化)、时效强化及加工强化等。其中，前5种是通过添加合金成分和热处理工艺来控制板材性质的。

高强度钢板的高强度涵义

a. 屈服强度、抗拉强度高，在270-3l0MPa范围之内。用于汽车零件的高强度钢板，其抗拉强度可以达到600-800MPa，而相应的普通冷轧软钢板的抗拉强度只有300MPa；

b.高强度钢板的应用，能减轻冲压件的重量，节省能源和降低冲压产品成本。

在日本，抗拉强度不小于490MPa的热轧带钢和抗拉强度不小于340MPa的冷轧钢带被称为高强度钢。高强度钢板可以减轻零件质量，提高整车碰撞的安全性，提高零件的外观质量和抗凹性，因此近年来在车身生产中得到了越来越多的应用。

1.高强度钢在汽车面板上的应用

车顶、车门、等部件要求具有变形刚度和抗凹陷性，主要使用抗拉强度为340～390MPa的烘烤硬化钢板(BH钢板)。BH钢板的屈服强度在烘烤涂漆时升高，可在不损失成形性的前提下，提高抗凹陷性，减薄钢板。现在，有的车型已使用440MPa级BH型高强度钢板。

新马自达2的车身结构中使用了440，590，780和980Mpa级别的高强度钢板和超高强度

2. 高强度钢板在车体框架上的应用

随着正面撞击、侧面撞击的撞击安全性标准的提高，结构件、加强件等主要使用590MPa级高强度钢板，也有厂家使用780MPa级、980MPa级高强度钢板。

前防撞梁外板

有些厂家甚至采用将390MPa、440MPa级高强度钢板冲压成形后，对强化部分进行高频加热和淬火，以使部件局部抗拉强度达到1200MPa，并在冲压加热钢板的同时进行冷却，以使部件整体抗拉强度达到1470MPa的方法。

欧洲流行的高强钢U形车厢结构

此外，还有采用激光拼焊方法，将不同厚度、不同材质钢板拼合起来，使材料配置适用于所要求材质和使用部位。

尽管拼焊材料在使用初期以提高材料利用率为目的，仅用于小型部件上，但最近已将拼焊材料扩大应用于车身侧板和车箱底板等大型部件。拼焊板主要采用400～590MPa级高强度钢板，也有使用780MPa级和980MPa级高强度钢板的情况。

3. 高强度钢板在汽车底盘上的应用

用材已从传统的440MPa级热轧板发展到780MPa，最大减重达30%。近年来，高强度钢板在底盘上的使用比例正在急剧增加。今后，高强度钢板的使用比例及更高强度钢板的应用有望进一步提高。

采用高强钢制造的汽车底盘

举例：同升专用汽车公司 为了从根本上摆脱对底盘厂商的过度依附，最终达到底盘厂商对自己的依附，依托有限公司，将铁路货车新材料、新工艺等专有技术平移到专用汽车产品上，努力走自主创新的道路。

南车眉山车辆有限公司同升专用汽车、08年，在继具备自主知识产权的"轻量化半挂车"推向市场后，再度推出高强度钢"轻量化散装水泥罐车"。"5.12"灾后重建，四川水泥需求量陡增至3.7亿吨，需新增车辆约4000台（每台1年运能2.5万吨，3年运完），针对这一市场需求，专汽公司在经过充分的市场论证后，提出了散装水泥罐车研发思路，得到有限公司的大力支持。

目前，该车已完成设计进入试制阶段，预计11月底下线试运行。

该车采用高强度钢制作，设计容积39.8m3，载重50吨，与相同载重的普通车型比较，自重轻1吨左右，能够与所有品牌重型卡车底盘匹配，计重收费优势凸现。预测市场前景看好，将提升公司市场竞争力。

4. 常用钢种简介

热轧低合金高强度钢（HSLA）薄钢板、应用部位：卡车的底盘部分，也用于大客车的车轮，轮毂等部件、屈服强度：350MPa到550MPa之间、组织结构：具有铁素体加少量珠光体组织。最近，开发出690MPa级卡车大梁用钢，它利用了在由热带轧机直接轧出的贝氏体钢中所有的强化机理。

DP钢板

主要组织：铁素体和马氏体，其中马氏体的含量在5%～20%。

强度：500～1200MPa。特征：DP钢具有低屈强比、高的加工硬化指数、高烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。一般用于需高强度、高抗碰撞吸收能且也有一定成形要求的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等。

DP钢板优点：①屈服点低，抗拉强度高，屈强比低；②无屈服点伸长或是屈服伸长，应力应变曲线平滑；③伸长率高；④初始加工硬化率高，加工强化性能好；⑤抗疲劳性能好。所以DP钢特别适合冲压翻边性能良好的部件，一直被汽车界所关注，有可能成为汽车首选的冷轧高强度钢板。

TRIP钢

包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品。

主要组织：铁素体、贝氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的含量在5%～15%，强度：600～800MPa。主要成分：C、Si和Mn，其中Si的主要作用是抑制贝氏体转变时渗碳体的析出，但对于钢板表面质量不利。

在日本，TRIP钢板已被用在概念车底盘的约80种零件上，同传统钢板相比，用这种钢板制造的零件重量减轻约12%。TRIP钢具有高延伸率，同DP钢相比，起始加工硬化指数小于DP钢，加工硬化指数在很长的应变范围内仍保持较高，特别适合胀形成形。

复相CP钢、主要组织：同TRIP钢的组织类似，只是CP钢中含有马氏体而非残余奥氏体。强化机理：通过马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用。CP钢的强度可达800～1000MPa，特别适合于车门防撞杆、保险杠和B立柱等安全零件。

马氏体(M)钢、通过高温奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织，可通过热轧、冷轧连续退火或成型后热处理而生产的，是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。主要用途：成型要求不高的车门防撞杆等零件代替管状零件，减少制造成本。

MnB钢或热成形钢、主要元素：Mn和B等元素，具有非常好的淬透性。热成形过程：包括将毛坯件加热奥氏体化，然后在红热状态将钢板冲压成形，然后利用模具的冷却能力将零件淬硬成马氏体。整个成形过程大约需要15～25s。

耐腐蚀钢板、主要目的：增强普通钢板冲压件的抗腐蚀能力。主要分类：一类是加入新元素的耐腐蚀钢板，如耐大气腐蚀钢板等。我国研制的耐大气腐蚀钢板中，有10CuPCrNi（冷轧）和9CuPCrNi（热轧），其耐蚀性是普通碳素钢板的3～5倍；第二类是在表面涂或镀一层防腐材料，也为涂层板的一种。

目前，全球最大的钢铁公司Acelor开发了热冲压成形钢板USIBOR1500，其化学成分如表1所示。该钢板为镀锌板，镀层质量为120～160g/m2。淬火后力学特性明显，强度值可达到1600MPa。

日本某公司实际测定该钢的特征值如表2所示。该钢板可保持良好的韧性，冲击韧度达到800 J/cm2，低温脆性也较好。焊接性能较好。采用此种钢板生产的汽车零件可以使同等强度、刚度的零件减重50%以上。

涂层板、在耐腐蚀钢板中，镀覆金属层的钢板属于一种涂层板。因为传统的镀锡板、镀锌板等已不能适应汽车工业、电器工业、农用机械及建筑工业的需要，因此新品种的镀层钢板不断被开发出来。在涂层板中，各种涂覆有机膜层的板材具有更好的防腐蚀、防表面损伤的性能，因此正被大量用作各类结构件。

彩色涂层板具有优异的装饰性、成形性、抗腐蚀性

复合板材、涂覆塑料的钢板是一种复合板；不同金属板叠合在一起（如冷轧叠合等）也是一种复合板，或叫叠合复合板。这类复合板材破裂时的变形比单体材料破裂时的变形要大，其基本材料特性值(比如n值)变大。

5. 展望

目前只有少数国际先进钢铁企业能生产的960兆帕特高强度热轧工程机械用钢在宝钢研制成功，填补了国内空白。中国宝钢集团亦开发了热冲压用硼钢板。其硬度为450～500HV，强度达到1300～1500 MPa，无镀层。德国蒂森克虏伯开发了锰硼合金钢，其热冲压淬火后最高强度可达1600MPa。

特高强度钢-瑞典钢板公司生产、特高强度Domex特高强度冷成形钢是在用计算机严格控制的现代化工厂中生产。在低碳和一定锰含量的条件下,加入微量合金元素如铌、钛等细化晶粒,以及超纯净钢水提供的良好冶金条件,决定了钢的最终性能。

与普通高强度热轧冷成形钢比,Domex高强度钢具有更高的铌,钛及钒等微合金化元素。另外,通过精确控制的加热、轧制、冷却等步骤组成的热机械轧制工艺过程是获得高性能的关键因素。

Domex系列冷成形钢具有在高强度条件下良好的可成形性,可焊性和高冲击强度。特高强度钢的主要应用为卡车底盘、各种专用车、移动式起重机和建筑工程机械。特高强度钢的应用主要是为了减轻重量和提高有效负载能力,同时由于良好的冷成形性使产品的生产成本降低。

超高强钢焊接抗扭结构，主臂的侧向刚度更好

轻金属材料--铝、铝及铝合金的密度大致约为钢的1/3。铝合金具有重量轻、加工性能良好、抗腐蚀性好、吸振性强等优点,应用于汽车制造对汽车轻量化有十分显著的效果。

目前,在汽车上使用的铝质零件除传统的车轮盖、空调系统、保险杠、座椅、换热器、油管外,高强度铝合金还广泛应用于汽车的连杆、摇臂、凸轮座等零件。由于铝及其合金的原材料价格比钢高得多,制约了其在汽车上更大范围内的应用。

轻质铝板可用于车身和底盘的许多零部件,关键是改进工艺、降低制造成本。日本于1985年开始采用铝合金板材生产汽车覆盖件,应用的零件主要是发动机罩(内板和外板)、前挡泥板及顶蓬窗盖板等,并且对车身整体进行轻量化设计,大量采用不等厚的拼焊高强度钢板和深冲钢板,结合激光焊接装配技术,使车身重量减轻25%以上。

发动机用铝合金支架

铝合金轮毂

轻金属材料--镁、镁合金的主要优点是比强度和比刚度高。镁的密度仅为铝的2/3,采用镁制造汽车零件的轻量化效果更胜于铝。不仅如此,由于镁熔点低,回收再利用的耗能也更少。镁合金零件的尺寸稳定性好,对振动的阻尼性能优于铝和钢。

在20世纪50年代至60年代,由于镁合金的价格不高,德国大众公司的甲壳虫汽车大量使用镁合金作为结构零件。近年来,开发出了高纯度耐腐蚀镁合金AZ91D、AZ91E和高延展性镁合金AM20、AM50等,性价比有了很大提高。车用镁制件应用:仪表板衬底和横梁、座椅架、方向盘柱、发动机缸盖、变速器壳体、进气歧管等。

镁合金方向盘

镁合金汽车车轮，质量轻，性能好

轻金属材料--钛、钛的密度为4.5g/cm-3,质轻、强度高、耐腐蚀性能非常好,但钛价格很贵。钛应用于汽车,可起到减重、节能、减震、降噪、减污、延寿、提高汽车安全性和舒适度的综合作用。

主要用途：汽车发动机中,如气门、气门座、气门弹簧、摇臂、连杆、离合器板以及其它如转向齿轮、车轮、紧固件必须耐腐蚀、耐损伤的车底覆盖件、侧视镜架等也可以用钛合金制作。应用现状：由于钛的价格极贵,一般汽车上使用较少,主要用于赛车上。

其它材料、除铝、镁等金属材料外,其它一些非金属以及复合材料也在汽车中得到了越来越广泛的应用,如金属/非金属轻质材料、塑料、陶瓷、非金属基复合材料等。

塑料、塑料既可大幅减轻零部件质量,又可降低制造成本,是汽车中使用最多的非金属材料。世界汽车平均每辆塑料用量在2000年就已达105 kg,约占汽车总质量的8%-12%。最近几年,我国一般汽车上塑料件占整车质量的比例从原来的5%左右上升到了12%-18%以上。

德国拜耳公司和美国GE塑料公司合资的Exatec公司推出了具有杰出的耐候性和耐磨性的聚碳酸酯(PC)汽车窗系统Exatec500,并已实现工业化。

金属基复合材料、美国研制出用SIC粒子增强的AI-10Si-Mg基复合材料制成的刹车轮,使重量减少了30%~60%,且导热性好,最高使用温度可达到450℃,其热性能已达到原先用的铸铁水平。

非金属复合材料、复合材料在汽车上的用量近年来逐年增加。复合材料主要用于摩擦片、车身、悬架、车架等汽车结构件。如高强度有机纤维增强复合材料具有很高的机械强度,能代替钢板材料,从而减轻车身的重量,在汽车车身上得到了广泛的应用。

碳纤维复合材料(CFRP)、主要特色：质量小、强度高、刚性高、耐蠕变与耐腐蚀性能良好,是很有潜力的汽车用轻量化材料。

应用实例：美国福特公司早已采用CFRP制造汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等零部件。

第二节 冲压技术发展的新动向

液压成形、热冲压成形

1. 液压成形

液压成形也被称为"内高压成形"，它的基本原理是以管材作为坯料，在管材内部施加超高压液体同时，对管坯的两端施加轴向推力，进行补料。在两种外力的共同作用下，管坯材料发生塑性变形，并最终与模具型腔内壁贴合，得到形状与精度均符合技术要求的中空零件。

用于支撑纵梁的拱形部分等采用液压成形产品与传统的冲压工艺相比，液压成形工艺在减轻重量、减少零件数量和模具数量、提高刚度与强度、降低生产成本等方面具有明显的技术和经济优势，在工业领域尤其是汽车工业中得到了越来越多的应用。

在汽车工业及航空、航天等领域，减轻结构质量以节约运行中的能量是人们长期追求的目标，也是先进制造技术发展的趋势之一。液压成形(hydroforming)就是为实现结构轻量化的一种先进制造技术。

液压成形技术的优点

对于空心变截面结构件，传统的制造工艺是先冲压成形两个半片，然后再焊接成整体，而液压成形则可以一次整体成形沿构件截面有变化的空心结构件。与冲压焊接工艺相比，液压成形技术和工艺有以下主要优点：减轻质量，节约材料。对于汽车发动机托架、散热器支架等典型零件，液压成形件比冲压件减轻20%～40%；对于空心阶梯轴类零件，可以减轻40%～50%的重量。