钢制汽车减重35%:不使用液压成型工艺

放大  缩小 日期:2012-10-23     评论:0      
核心提示:不使用液压成型工艺不仅是钢种,FSV采用的工艺也多种多样。上一代ULSAB-AVC除了普通冲压产品之外,还使用了以激光焊接方式焊接不

不使用液压成型工艺

不仅是钢种,FSV采用的工艺也多种多样。上一代ULSAB-AVC除了普通冲压产品之外,还使用了以激光焊接方式焊接不同厚度坯料(Blank)的不等厚钢板以及液压成型工艺。FSV除此之外,还使用了热冲压及辊轧成型等工艺(图13)。钢种与工艺繁多而不易辨别,但对HS钢全部进行热冲压加工。

 


图13:工艺分布与使用比例。左图表示表面。多处为不等厚钢板冲压材料下隐藏着热冲压材料

今后需要探讨的课题是,轧制几个厚度不同的钢圈后,在同一直线上沿宽度方向以激光焊接方式将其焊成一个钢圈的LWC(Laser Welded Coil),以及轧制时通过增减轧辊的压力连续改变厚度的TRB(Tailor Rolled Blank),凡是认为2015~2020年有用的工艺都是模拟对象。

使用比例大幅增加的是辊轧成型工艺。闭截面占7%,开截面占3%,合计达到10%。而在ULSAB-AVC中辊轧成型工艺的使用率为0%。

辊轧成型需要使用多个辊子按顺序加工,因此可在后工序中修正前工序中出现的回弹(Springback)问题(图14)。一般超高强度钢板出现回弹问题的情况较多,而采用辊轧成型工艺时回弹问题较少。

 


图14:辊轧成型。经过10道工序由平板辊轧成筒状

相反,ULSAB-AVC使用液压成型工艺的比例是7%,而FSV使用该工艺的比例却是0%。ULSAB-AVC向液压成型发起挑战,制造了从A柱延伸至车顶纵梁、C柱及地板的长部材,从这一点来考虑,FSV反而倒退了一大步。不过,尽管液压成型在后文的成本比较中与辊轧成型并列第一,却因总体得分第二而“落选”,但这种工艺仍有很大发展前景。

不等厚钢板方面,冲压产品及热冲压产品的合计使用比例达到了47%。车辆侧面基本全部使用不等厚钢板,此外,上述Shotgun部材也是将HS钢制成了不等厚钢板,内外侧都分成了3种不同的厚度,越靠近端部越薄。热冲压的淬火条件也因位置不同而异。



 

前端车架使用了不等厚TRIP钢板,上侧板厚为1.8mm、2.0mm、1.8mm,下侧板厚为1.9mm、2.0mm、1.9mm、1.8mm,交替排列了厚钢板与薄钢板。板厚排列方式因位置不同而异。

焊接方法也多种多样。激光焊接为86.9m,普通焊接为18.3m,此外还采用了激光钎焊及辊压包边(Roll Hemming)技术。此次采用电阻点焊技术焊接了1023处。而一般要3000~4000处,FSV的电阻点焊数量大幅减少。

计算成本并选择材料及工艺

为了选择合适的材料及工艺,FSV方案还进行了成本估算。判断是优先考虑轻量化还是成本时,采用了“如果重量减轻1kg的话,允许白车身成本提高9.39美元”的标准。

首先是侧栏内部的加固材料。此次共探讨了5种材料,其中包括冷冲压、热冲压两种材料,辊轧成型材料、液压成型材料,以及不属于“钢制”范畴,为进行比较而追加的铝挤压材料。然后又将冲压、辊轧成型及液压成型材料进一步细分,探讨了板厚一定的普通钢板、不等厚钢板与TRB的组合方案。

此次还比较了重量与成本的关系(图15)。图中向下倾斜的斜线为“9.39美元/kg”线,越往左下方成本越低。从中可以看出,辊轧成型与液压成型材料都是数一数二的材料。侧栏这样的棒状部件不易出现截面形状无法改变的缺陷。这样,便可将板厚一定的辊轧成型品作为第一候选项,第二候选项则是使用LWC的辊轧成型品(图16)。采用了包括内层、外层及加固材料在内的3层构造(图17)。在优先考虑轻量化的比较法中,因铝价格较高而排除了铝材料。

 


图15:侧栏的各工艺重量与成本的关系

R表示TRB,W表示不等厚钢板、M表示3层构造,E表示挤压,S表示冲压。无标记的表示固定厚度钢板。

 


图16:侧栏采用CP钢制成

使用固定厚度钢板的辊轧成型品为7.98kg,14.27美元,使用LWC的辊轧成型品为8.07kg,15.70美元。



 


图17:侧栏的截面

并非中空,中间有板材。采用辊轧成型工艺比较容易制造。

其次还考虑了B柱的构造材料(图18)。候选项与侧栏相同。辊轧成型与液压成型材料必须在表面覆盖冲压品外罩。尽管辊轧成型及液压成型材料仍有优势,但冷热冲压品也没有明显差别。B柱是截面形状沿高度方向发生变化的部件。此次对是否可轻松改变截面形状,以及与上下部材的焊接难易度等进行了综合判断,最后决定通过对HS钢的LWC进行热冲压来制造B柱(图19)。

 


图18:B柱的各工艺重量与成本的关系。标记与图15相同
 

 
图19:B柱重叠了两块HS钢板,外侧的一块为DP钢板。不等厚钢板热冲压品,5.48kg,30.44美元

FSV方案在分别考虑各个部件之后,计算出了总成本。前提是建设年产10万辆汽车的新工厂,生产期限为5年。材料费、人工费、设备费用等均采用美国标准,比如能源费用为0.12美元/kWh等。年产量为22.5万辆时,车身成本合计为967美元,包括672美元的部件加工费用,以及295美元的焊接组装费用。

此次的方案还对刚性进行了探讨。因认识到“通过使用高强度钢板来减轻重量会导致板材厚度减小,这对刚性不利”,因此需要提供确凿的数据。最初的目标是抗扭刚性达到20.0kN·m/度,计算结果基本达到了19.972kN·m/度。扭转共振频率及纵向弯曲共振频率的目标值均为40Hz,而实际上却获得了令人满意的结果,扭转共振频率达到了54.8Hz,纵向弯曲共振频率达到了60.6Hz。这些目标均与目前的钢制车身相当。

 
 
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