汽车轻量化制造技术现状与发展.ppt

汽车轻量化制造技术现状与发展,题纲,能源和环境双重压力倒逼汽车产业转型全球汽车产业处于材料革命前夜多种轻量化材料混合应用是汽车轻量化的发展方向先进高强度钢（AHSS）的发展及成形技术铝合金汽车的发展；铝合金车身成形，铝合金结构件先进铸造技术复合材料汽车的发展；碳纤维覆盖件、结构件成形技术，长纤维增强热塑性复合材料(LFT)成形技术多种轻量化材料连接技术我国汽车材料替换革命的思考,全球汽车产业处于材料革命前夜,着眼于可持续发展，节能环保成为汽车工业亟待解决的两大问题。特别是大范围雾霾天气倒逼汽车产业大调整。调整目标集中在“新能源、新材料、先进发动机”三大方面。随着新能源汽车的举步维艰，材料转换的重要性日渐凸显。我国节能与新能源汽车产业发展规划（20122020年）提出，到2015年，当年生产的乘用车油耗降至6.9升/百公里，节能型乘用车油耗降至5.9升/百公里以下，较现行标准降低2.6L。2020年降至5.0升/百公里，节能型乘用车油耗降至4.5升/百公里以下；商用车新车油耗接近国际先进水平。,2010年世界各国汽车燃油效率限额,过去二十年，美国汽车油耗要求每年降低1%。而20102025年则每年要求降低4%。美国规定截至2016年汽车油耗要达到6.6升/百公里，较美国现行标准降低2.6L，2025年达到4.18升/百公里。,2014年被称为电动汽车元年,李克强总理宣布：我们要像对贫困宣战一样，坚决向污染宣战。而汽车是大范围雾霾天气的罪魁祸首之一，对策之一是大力发展新能源汽车。国家发展战略明确鼓励发展新能源汽车，并在该领域技术研发、产业发展、市场推广等各方面都采取了力度很大的政策。商务部研究院近日发布的2014年消费市场发展报告指出，今年将成为中国新能源汽车消费元年。空气污染的环境压力使新能源汽车迎来明显利好。据中国汽车工业协会预测，2014年中国新能源汽车销量将有望达到3.5万辆，同比增幅达100%。若将混合动力各类车型加上，将会达到6万辆的规模。2014年将成为中国新能源汽车消费元年。新能源汽车已成为今年北京车展的最大亮点。在本届北京车展上全球首发的118辆车中，中外车企共全球首发新能源车79辆，约占七成。我国新能源汽车发展可能再次落后，“湾道超车梦想落空!有人称2013年是电动汽车元年，即，国际电动汽车产业化取得了突破。据统计，新型动力汽车去年的全球销量已经突破57.8万台，超出2012年销量1万多台。据预测，2014年全球电动汽车市场将同比增长86%。德政府于2011年5月出台了德国联邦政府国家电动汽车发展规划，其目标是：在2020年德国上路的电动及混合动力汽车达100万辆，到2030年至少达到600万辆，到2050年电动交通网络覆盖全德城市区域。美国特斯拉公司2013年销量超过2.2万辆，通用汽车雪佛兰混合动力车在美国销量为23,094辆，日产聆风纯电动车销量为22,610辆。,新能源新材料双轮驱动电动汽车发展的必由之路,国际名牌电动汽车都采用复合材料为主的新材料。这也是他们续航能力和电池重量低的原因所在。如，德国BMW、大众、意大利兰博基尼、日本帝人和美国GM都开发了碳纤维车身电动汽车。我国电动汽车增重高达30-40%，远远超过国际先进水平（德国大众电动汽车增重6-16%），复合材料电动汽车成为减重的最佳出路，可平衡增加的电池重量。纯电动车整车质量与续航能力关系,轻量化是汽车发展的历史必然,汽车发展至今已经超过100年,目前的瓶颈是能源制约和环境污染.石油是不可再生的资源,汽油和柴油驱动的机动车造成的污染有目共睹.各国政府相继提出了燃油经济性指标,硬性规定汽车公司到达百公里油耗指标,如美国政府的CAFA标准是2012年至少需要达到每加仑29.7英里(百公里油耗8升)，到2016年需达到34.1(百公里油耗6.9升),2025年则为54.5(百公里油耗4.3升).对超过CAF目标的部分，主机厂需要支付每0.1英里每加仑为5.5美元/辆的罚金。提高燃油经济性有多种途径：汽车轻量化，增加变速箱中的速度等级，柴油技术，汽油直喷技术，可变气门（VVT），涡轮增压等等。鉴于研发所需时间和成本的限制，当前主机厂主要考虑轻量化的手段。在轻量化的材料选择上,未来将是多种材料并存的局面:超高强度钢,镁铝合金,增强树脂材料.每一种材料都由其优缺点.在不降低部件力学性能的前提下,努力降低重量是轻量化的方向.,纯电动车整车质量与续航能力关系,研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量,就可有效降低油耗以及排放。目前，大量研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降6-8%，排放降低4%。,轻量化是汽车节能和环保，提高续航能力最有效措施之一。,轻量化是实现节能减排的有效手段,多种材料混合应用是汽车轻量化的发展方向。在欧洲车身会议文献中，自2006年至2011年，72个车身中，有38个钢/铝/复合材料混合车身,占53%。,先进高强度钢（AHSS）的发展,在白车身中，低碳钢与高强低合金钢（HSLA）的重量比呈下降趋势；约束淬火高强钢（PHS）的重量比呈上升趋势；烘烤硬化钢的用量将维持不变。通过低碳钢、HSLA的减少以及PHS的增加，使车身重量减轻。,第三代AHSS发研发目标：性能可达到：1000-1500MPa时具备20%-30%的延伸率应用从碰撞安全件延伸至结构件甚至外覆盖件，如下图所示。,美国汽车业高强钢的目标：1）第三代AHSS的量产，并且降低价格;2）强度达到1000-1500MPa，并可冷成形;3）材料可焊性好、成本低。,各种性能的钢材在车身的应用与发展,车身高强度钢的使用趋势,沃尔沃公司在VOLVOXC90车身制造中同时采用冷、热冲压工艺,20062020年国内先进/超高强钢冲压模市场规模预测,热冲压工艺的优点回弹极小，成形精度好高延展率，高强度减重极好的碰撞安全性,机械科学院先进中心完成的高强度钢热冲压中试线,德国BENTLER公司中国工厂生产高强钢零件,德国BENTLER公司中国工厂生产高强钢零件（续）,铝合金汽车的发展,铝合金成形工艺进步,高性能,铝合金铸件液压成型件铝合金连接件铝合金冲压件铝合金锻件,应用,铝合金零部件重量在整车重量的比例增加,整车零件总数减少车身性能增强车身自重减小,国际铝合金汽车发展2002年，全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还使车重减少50%。新一代奥迪Q7将采用全铝车身。英国捷豹XK更是将铝合金技术与轻量化优势发挥到极致，不仅车身零件总数从5,189个降至2,761个，车身刚性提高了48。新一代路虎车身重量比上一代减重420千克，车身的钢材料替换为铝合金，并采用单壳体式车身，比上一代钢制车壳体减重高达39%。前副车架采用铝合金材料铸造，减轻14千克。后副车架采用单件空心铸件，减轻了15千克。凯迪拉克ATS的前机盖采用铝合金冷冲压工艺，减震塔采用真空薄壁压铸技术，发动机支架采用铝合金挤压件焊接结构，保险杠采用铝合金挤压件，车门采用铝合金成形，车身其它部位、结构件、底板、覆盖件采用钢材。前后轴重达到50%：50%，可与BMW3系竞争。据媒体2014年2月20日报道：继福特之后，通用汽车也开始积极筹备推出铝外壳汽车，预计在2018年底大规模生产。目前两家企业已经开始开足马力生产铝制汽车面板。,AudiA8全铝车身,铝合金汽车板材/管材充液拉深技术,充液拉深技术是改善铝合金车身覆盖件变形均匀性、增加结构刚度的有效途径。由于铝合金材料的硬化指数值低，属加工硬化效果较弱的材料，只有通过较大的变形才能实现较理想的硬化。为克服普通拉深所产生的变形量小、变形不均匀的问题，利用液压先进行预胀变形，再进行液压作用下的充液拉深成形技术，整个成形过程中面板部分经历两次变形，应变硬化效果显著。因此，能够提高铝合金覆盖件的可成形性、改善变形均匀性的充液拉深成形技术是铝合金等低塑性、难成形轻质材料板材零件成形的有效途经。,预胀,充液拉深,国际铝合金车身成形技术,GM开发的铝合金汽车覆盖件成形设备,超塑成形（SPF）在美国通用（GM)的应用：,汽车覆盖件快速塑性成形工艺（QPF），成形时间降到了15秒以内。某车型后背门内板镁合金和外板铝合金气胀超塑性温成形，在快速液压机上成形每件只需1-2分钟。车身铝板温/冷成形，应用于高档车。,以3000T设备为核心的铝合金汽车覆盖件充液拉深生产线（日本Amino）,我们的差距,欧、美、日等国铝合金板材在汽车上的应用呈现快速发展势头（见表）。而我国尚处于研发阶段，目前还没有任何一家国产汽车整车厂有应用铝合金大型板材零件的实例.现在液压成型的生产线全世界有250条，中国不到5条，正规生产的也就是两条，原因是合资品牌现在都进口。热成型生产线国际上有150条线，中国尚没有一条自主品牌的生产线，虽然宝钢有所引进，但是现在尚没有量产。这些在国际上已经形成了数千亿欧元的产值。,铝车身可靠连接技术1-机械连接技术,铝合金导热率高，采用传统电阻点焊技术连接能耗极高，而且质量难以保证。目前国外汽车制造厂商大量采用自冲铆接、自切削螺钉等机械连接方法实现铝合金连接，该技术目前由英国Henrob、美国Emhart、德国Bollhoff等国外公司所垄断。上海交通大学提出一种从自冲铆接接头形成到接头性能评价的全数字化方法以实现铆接工艺的优化。,铝车身可靠连接技术2-焊接技术,目前除大量采用锁铆、自切削螺钉、自攻螺钉、冲联工艺及胶（粘）接等非熔化连接方法外，还大量采用MIG焊、激光焊（包括激光熔焊、激光钎焊）,激光-MIG电弧复合焊,搅拌摩擦焊。其中激光-MIG电弧复合焊接是新型先进焊接技术。,大众汽车Phaeton前门（48处激光-MIG焊道）,激光与电弧复合并非是激光与电弧的简单叠加，复合后具有“1+12”的焊接效果，激光-电弧复合热源焊接技术是一种优质高效的新型焊接技术,是当前最有应用前景的焊接新技术之一。,激光-MIG电弧复合焊技术概况,MIG焊,激光焊,复合焊,焊缝成形比较,激光-电弧复合焊接原理图,搅拌摩擦焊,商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件搅拌摩擦焊接DeltaII型火箭航天燃料贮箱（火箭整体搅拌摩擦焊缝达2100米）挪威MARINE公司船用宽幅铝合金搅拌摩擦焊,铝车身可靠连接技术3-柔性化包边技术,车身覆盖件外形质量要求高、精度控制严，传统模压包边投入大，柔性差，机器人滚压工艺（rollerhemming）成为包边柔性化的必然趋势。国外已具备了柔性化铝合金包边技术，如,德国ThyssenKrupp,美国Hirotec,德国Edag，英国DVA等公司。目前，国内铝合金覆盖件配套的包边设备供应商主要是欧美企业。铝合金车门包边系统主要有以下设备：1、机器人系统-包边工作站的执行单元，为包边或抓取件提供动力.一台机器人的情况下，包边一个车门所需时间大约150180s,包边节拍要达到60s以内，需要5台机器人，其中4台用于包边，一台用于抓取件并提供压紧力。2、包边胎膜-是用来定位及支撑车门外板，其结构是根据车门外板形状仿形而成。3、转台：为提高包边节拍，通常措施是分两侧同时操作，一侧为包边侧，另外一侧为取、上件侧，包边侧机器人在包边同时，另一侧的机器人上件，这样可保证包边和取、上件可以同时操作，减少了取、上件的时间，因此需要一个180o转台。4、包边工具-包边的执行单元，主要包括滚轮系统、压力监测系统、点压结构等。,宝马大力布局纤维产能将翻倍.宝马集团和西格里（SGL）集团的合资企业西格里汽车碳纤维（SGLAutomotiveCarbonFibers）公司拟将碳纤维工厂产能扩充至当前三倍，达到9千吨/年，应对新宝马7系、宝马i3和i8电动车的需求。同时规模效应又有利于降低昂贵的碳纤维成本。宝马计划将碳纤维用于更多车辆，尤其是旗舰车和电动车。宝马通过开发多种技术提高生产效率，终于将CFRP成功地应用于量产车。日本东丽斥资700亿日元，收购了世界碳纤维排名第三的美国卓尔泰克公司。同时，全球第二大碳纤维厂商日本帝人和第四大厂商日本三菱丽阳也已经开始扩大产能。目前，日本企业占有全球碳纤维市场70%份额。年营业额高达400亿欧元的德国工业巨头蒂森克虏伯集团自2011年以来，正在稳步展开战略转型：出售旗下所有传统汽车零部件资产，投资碳纤维汽车零部件！并于2012年12月在德累斯顿成立碳纤维复合材料技术中心。中国在碳纤维领域也做出了显著成绩。中科院宁波材料研究所等单位联合研制出具有完全自主知识产权的连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备，能够实现连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化制备，效率达到56件/天，并分别采用APA6及PCBT热塑性单体经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。,碳纤维技术之汽车产业的未来,宝马汽车公司碳纤维车身零件成型线,采用碳铝集成方案（碳纤维车身+铝制底盘）的全新宝马3系目前已进入量产之前的技术验证阶段，将于2016年底、2017年初投产。宝马3系2012年销量406752辆.,复合材料整体成形工艺,整体模压成型技术日益受到重视，快速、低成本成型成为趋势。整体成型技术具有后续加工工序少、可降低成本等优点。近年在国际名牌电动汽车车身整体成形已经采用。如，英国PiInnovo公司采用整体成形技术制造了全复合材料概念车，车身仅重58公斤兰博基尼超速版采用全碳纤维车身+仪表板+门护板+后围护板。质量只有155Kg！奥迪R8超级跑车借鉴兰博基尼的结构方案，采用复合材料和新的结构。零件数量从48件减少到1件。实现了大幅减重和整体模压成型！,长纤维增强热塑性复材LFT,2006年,欧洲地区LFT的用量接近700kt/a,增长率超过32%。经过近年的快速发展,亚州LFT用量所占的比重有明显提高,日本LFT消费量占世界的11%。目前国内仍存在很大的发展空间,2006年我国LFT的消费量仅占世界LFT总消费量的5%,预计到2011年,我国LFT消费量将会超过日本。,高性能长纤维增强热塑性复合材料(LongFiberreinforcedThermoplastics简称LFT)作为车用复合材料中的重要一员，近年发展迅速。在过去的10年中，LFT塑料以30%的年增长率上升。,32,在线快速成形成套设备及工艺流程图年产量3040万件/年，综合性能提高30%以上，万元产值能耗降低50%,长纤维增强树脂基复合材料在线成形成套技术及装备开发,我国汽车材料替换革命的思考,我国汽车材料替换紧迫性居全球之最,为应对日益严峻的环境压力，汽车排放标准迅速提高,汽车是国民经济的支柱产业，今后仍将持续发展,我国原油进口依赖度从1955年的5.3%，2001年的30.2%，攀升到2011年的59.8%，居世界第一。据预测，2020/2030年将达到64%/74%。同时，几乎100%的汽油，62%的柴油用于道路交通。全世界从1999到2009年，原油的消费总量一共增加3.6亿吨，这个同期我国的原油消费量增加了1.95亿吨，占全球原油增量的54%。能源安全问题巨大。2011年我国进口石油用了14450亿元。,我国原油进口依赖度世界之最，造成能源、环境巨大压力,中国政府承诺，争取到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，而交通运输是温室气体排放的主要领域。但我国2011年氮氧化物排放量不降反升5.73%，使得“十二五”头年的减排计划没有实现，特别是京津冀、长三角、珠三角区域的问题非常严重。为此，汽车排放标准迅速提高。我国2008年实施了汽车尾气国3排放法规，2011年出台了国4排放法规，2013年出台国5排放标准。而国6排放标准也在制定中.,汽车产业是国民经济的重要支柱产业，今后较长一段时期汽车需求量仍将保持增长势头。2013年中国汽车产量2211万辆,今年可能达到2400万辆，预计未来几年，中国乘用车市场将以年7%的增长率增长。”,我国铝合金产量及市场居全球之最,我国铝资源丰富，产量世界第一。近年来汽车用铝材需求迅速增长。2012年中国铝材产量3039.5万吨，同比增长14.6%。,中国汽车用铝消费及预测（万吨）,我国汽车复材具市场和资源世界第一优势,1、制定我国汽车材料替换的中长期发展规划。与国际相比，中国现在的轿车总质量估计高8-10%，商用车要高10-15%，中国如果赶上世界水平应该减重25-