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汽车用钢的热门方向和趋势

摘要: 汽车轻量化已经成为世界汽车工业可持续发展的必然道路。作为多种新型成形工艺之一,热成形技术助力汽车轻量化的发展,已越来越多地获得汽车生产厂商的关注,可预见未来10年热成形技术在我国汽车行业将有更多的应用。


在汽车业界,对于热成形技术的优劣,以及其是否符合汽车产业长期可持续发展的要求,还有很多见仁见智的不同看法。为此,上海市汽车工程学会联合中国汽车工程研究院、材料成形与模具技术国家重点实验室、轧制技术及连轧自动化国家重点实验室共同举办了“现代汽车制造系列论坛——2013中国汽车行业发展与热成形技术论坛”。论坛旨在集合国内从事高强度钢热成形研究与应用的企业,共同就汽车行业目前及未来需要解决的技术难题一一探讨,攻坚克难,从而对热成形技术在汽车行业的应用和发展有一个正确的认识。


国内汽车热成型技术现状

中国汽车工程研究院副总工程师马鸣图先生表示, 汽车工业发展、汽车产量增多、汽车保有量的加大带来了三大问题:油耗、环保和安全,针对这三大问题,各国都制定了相应的法规。除了改善发动机效率、传动系统效率与汽车风阻等提高燃油经济性的措施之外,轻量化是必不可少的手段。轻量化和汽车安全功能的提升导致高强度钢的应用,特别是热冲压成形在超高强度用钢的生产和应用,轻量化的同时,保证了汽车的安全性。


高强度钢应用中的问题有:成形性尚需进一步改进;回弹;成形模具的寿命需要提升;连接方法或点焊后的评价方法;设计准则;数据需要积累,数据库需要建立。既要改善高强度钢的成形性,又要获得制件的超高强度,热冲压成形技术就应运而生。


2008-2010年之间,国外大约有110条热冲压生产线,主要分布在美国、德国、日本、法国、西班牙、瑞典等国家。中国仅有5条生产线,分别是长春BENTLER、昆山GESTAMP,上海BENTLER、上海嘉定COSMA及上海宝钢。热冲压生产线大多由瑞典AP&T公司及德国Shuler公司提供,两家公司几乎垄断了全球所有的热冲压成形生产线市场。随着热冲压成形技术的不断发展,国内热冲压生产线的数量也不断上升,目前已建成的热冲压成形生产线有近40条,主要分布在东北、华北和华东地区。除此之外西南、东南、华中等地区也有热成形生产线建设计划,预计到2014年,中国将会有超过40条热冲压成形生产线,遍布全国各地。


热冲压成形技术、装备、材料、工艺围绕着热冲压成形零件功能的提升,质量的可靠性、一致性、成本的下降、性价比的提升等方面在迅速发展,尤其是在中国,热成形产业发展很快,针对相关问题应进行深入研究,逐步形成中国热冲压成形的专有技术,满足中国热成形产业的发展,赶上和超过国际先进水平。


上海汽车集团股份有限公司技术中心车身部总监邱国华介绍了热冲压技术在汽车车身上的应用。他表示,欧系和美系车热冲压件应用相对较多,日系车热冲压件应用相对较少。全球主流新车型都使用热冲压技术,个别车型热冲压件应用比例较高。目前普遍应用的是等厚、等强度板热冲压技术。轧制差厚板、激光拼焊板、补丁板热冲压技术正逐步推广应用。


热冲压技术应用的主要问题有:(1)CAE分析能力:目前难以准确描述轧制差厚板和变强度板的性能,导致CAE分析精度不高。(2)零部件成本高:现阶段热冲压Al-Si镀层钢板、轧制差厚板和激光拼焊板全部从国外进口,增加了原材料成本,同时冲压件成本都比冷冲压高很多。(3)原材料来源少:现阶段Al-Si镀层等厚钢板和激光拼焊板受专利保护,只有一家国外供应商提供,轧制差厚板也只有一家德国供应商提供。(4)软模件质量差:用不带镀层的钢板加工快速软模零件时,由于加热阶段不带保护气氛,导致零件表面质量很差;模具不带冷却管道,导致零件性能的稳定性无法保证。


热成型技术解决方案

上海赛科利汽车模具技术应用有限公司技术中心副科长刘磊超先生对热成型中先进模具的制造技术应用做了演讲。他表示,在高温状态下,虽然板料具有较好的流动性,但是抗拉强度大大降低,不宜采用拉延工艺,基本以成形工艺为主。在制定冲压工艺时,板料总体的流动方向为由内及外,压边圈只起到辅助材料成形的作用。对于外形复杂的零件,需要在局部设计压料板,控制材料流动,确保成形结果。材料在高温状态下,流动应力与应变、应变速率和温度三个因素相关,导致热成形CAE模拟的一致性低于冷冲压,需要结合调试经验进行修正。板料与模具间的接触热阻与两者间的压力和间隙紧密相关,CAE模拟需充分考虑该影响因素。 研究表明,材料的冷却速度不同,体积的膨胀量和收缩量不同。在热成形过程中,同一零件上的不同部分,由于与模具的接触顺序和状态有差异,导致不同部分材料的膨胀量不同,从而导致最终零件扭曲变形。因此需要依据实际经验,对模具型面进行补偿,以得到尺寸合格的零件。


热成形模具钢一般采用热作模具钢,需要具备足够的红硬性、高温耐磨性和导热性能。热导率越高,传热速度越快,能达到较高的生产节拍,但是往往硬度和耐磨性比较差,需要综合生产纲领、生产节拍、材料价格等因素,选用适当的模具材质。热成形模具含有冷却水道,镶块需要整体热处理,因此需要合理安排深孔钻、热处理、2D/3D加工、粗/精加工、组合加工等制造、装配工艺,实现工艺流程的最优化。


虽然热成形零件得到了大量应用,但是行业竞争也越来越激烈,产品价格一路下降,这对零件和模具的开发提出更高的要求,推动技术不断进步。 TRB(柔性轧制板)/TWB(拼焊板)/Patch(补丁板)的热成形零件,需要针对工艺特点,设计冲压工艺和模具结构,以满足质量要求。


本土汽车热冲压成形应用

奇瑞汽车工程中心材料工程部部长孙卫健先生介绍了热成形技术在奇瑞汽车上的应用。他表示,热成形钢通过高温加热,实现材料组织转变与零件成型同步,解决了超高强度钢成型问题。热成形技术的优势在于:得到超高强度的车身零件;减轻车身重量;提高车身安全性、舒适性;改善冲压成形性,制回弹,提高零件尺寸精度;高温时材料屈服强度降低,对冲压所需压机吨位的要求也相应降低;提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蚀性。而热成形技术的不足在于:设备投资大(冷却系统、步进炉、激光切割);模具设计和加工复杂,制造、保养成本高;零件单件成本相对较高;零件连接技术提出了新的挑战。


随着汽车环保和安全法规的日益严格,热成形已被各大汽车厂广泛采用。奥迪A3达到21.7%,占骨架重量比的26.4%,是迄今有资料显示的热成形用量最高的车型。奇瑞一直重视热成形技术的应用,来实现安全与轻量化的平衡。已开发的热成形零件有B柱加强板、Door Beam、前保险杆横梁和A柱加强管等。典型案例有艾瑞泽7,应用于A柱、B柱、门防撞板、前挡板加强横梁等7个零部件,热成型应用总体实现减重8.6kg,显著提高整车的安全性。从结构上实现B柱顶部与底部性能的差异化,达到TRB、TWB和热成型局部淬火技术相同的性能。热成形应用于前挡板加强横梁,使前碰时防火墙的侵入量得到有效的控制。


目前奇瑞的热成形应用与奥迪有相同的理念,但是精细的性能设计能力还是存在差距。热成形部件应用实现“理想载荷传递路径”的构建。车身呈“笼”式,前舱布置了四条纵向能量流吸收和传递通路,两条连通前后保险杆的纵向大梁。此外,A柱、B柱、前门防撞板采用超高强度的热成形钢板,其实际抗拉强度超过1500MPa。这种设计使得在前碰时确保了座舱的完整性,提高安全性。超高强度热成形钢板在A柱、B柱、前门防撞板上的运用以及设计的合理性,减少了侧碰时车身的侵入量,提高了碰撞安全性。由此可见,自主品牌产品技术实力提升,对新技术的需求更为迫切。

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