汽车构造专题论文

1、汽车新材料及新加工工艺机械与汽车工程学院 车辆工程1111班 李涵 2011138142摘要：资源和环境问题是当今人类社会面临的巨大挑战，为实现人类社会的可持续发展，对新一代汽车产品在安全、环保和节能方面提出了更为严苛的要求。现代汽车材料除满足强度和使用寿命的要求外，还应满足性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需求。轻量化、节能降耗和降低排放污染是现代汽车发展的趋势，研制性能更好更轻的汽车材料可以使能源消耗降低，排放污染减少。汽车新材料和新加工工艺对于汽车工业的发展是至关重要的。关键词：新材料 , 新加工工艺1、 汽车新材料1、 国内外汽车工业新材料的发展趋势轻量化材料的开发与应用是当前

2、汽车材料技术发展的主导方向铝在汽车中的应用范围进一步扩大，并将成为仅次于钢的第二大汽车材料。 铝是应用较早且技术日趋成熟的轻量化材料，其用量持续增长，将成为仅次于钢的第二大汽车材料，并将呈现铸件、型材、板材并举的局面。在轻量化的推动下，铝合金材料及其应用技术发展的很快，铝的应用正朝着车身零件及结构件的方向发展，如铝合金车箱盖、发动机罩、提升式后车门、前端翼子板、发动机支架以及全铝车身骨架等。镁应用呈现快速增长趋势，但近期内在汽车中所占的比例预计不会超过1。镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝的质量基础上再减轻1520。目前，已实现工业化生产并大量用于装车的镁合金零件主要是车身和底盘零件，包括仪表板

3、骨架与横梁、座椅骨架、转向盘、进气歧管，以及各种支架、罩盖等。制约镁在汽车中大量应用的最主要因素是技术问题，就结构件而言，由于存在诸如对镁材料的特性缺乏深层次理解，镁零件的防蚀技术未取得突破，镁材料的性能数据缺乏（尤其缺少工艺性能数据），镁零件的设计、使用经验不足等问题，使镁在汽车中的普及程度暂时还难以与铝匹敌。泡沫材料的开发与应用研究十分活跃 泡沫材料是一种应用日益普及的汽车轻量化材料，分为非金属泡沫材料和金属泡沫材料两大类。泡沫是一种具有复合功能的材料，它不仅可减轻零部件的质量，而且还可以提高其刚度与抗压陷性能、减振、降噪、隔热、吸收较高的冲击能量。其应用方式通常有如下两种：一是作为中间夹

4、层材料与两侧金属板材组合在一起，构成所谓的复合板，这种复合板的外板一般为碳钢板、铝板和不锈钢板，复合板目前主要用于生产的汽车车身与发动机上的板壳类零件，如缓冲板、发动机气门罩、油底壳、SUV的飞轮室与车辕顶部、小型载货车车顶外板与地板等，复合板在承载零件的应用方面同样具有广阔的前景。二是作为填充材料（结构泡沫）直接填入零部件中需要加强的部位，常用作结构泡沫基材的有聚氨酯、环氧树脂和尼龙/玻璃纤维复合材料等。结构泡沫材料作为加强内衬用于轿车车身骨架中的各类构件，如前部车架、摆梁、后侧骨架和保险杠、A型柱铰链柱、车顶纵梁B 型柱等的结合部位，可显著提高车身的刚度和抗碰撞性能。在对车门、提升式后车门

5、和车箱盖等车身部件的研究表明，采用结构泡沫构材料同样可取得较好的减轻质量效果。钢铁材料仍占据主导地位钢铁材料在汽车材料构成中所占的比例保持相对稳定，但是其内部结构将发生变化，主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢的用量将有较大的增长，铸铁和中、低强度钢的比例将会逐步下降。高强度钢的应用是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之一，为了应对来自轻质材料的挑战，钢铁企业将开发的重点放在了高强度材料上，先后开发出了高强度钢板(屈服强度大于210N/mm2)、超高强度钢板(屈服强度大于550N/mm2）和先进的高强度钢，取得了良好的减轻质量的效果。高强度钢已成为颇具竞争力的汽车轻量化材料，在抗碰撞性、耐蚀性和成本

6、方面较其他材料仍具有较大的优势。最新的应用情况表明，有些铝、镁合金零件又转而采用高强度钢设计，如保险杠、车轮、骨架、前门、后门、横梁等。安全法规是推动高强度钢应用的重要动力，为满足更为严格的安全法规要求(如侧面碰撞)，各大汽车公司均加快了高强度钢在汽车车身、底盘、悬架和转向系零件上的应用。新材料在解决轻量化与车辆安全的冲突问题中将发挥重要作用 在世界各国日益严格的安全法规推动下，汽车行业正在致力解决轻量化与车辆安全的矛盾。在不增加自身质量的前提下，提高车辆被动安全性能的有效措施如下：一是加大车辆的外形尺寸，对轻量化的车身构件进行优化设计。二是开发出质量轻，强度、刚度高，吸收冲击能量能力大的车身

7、构件，而这些都离不开高性能的新材料，如动静态屈服强度比高的高强度钢，冲击能量吸收率高的轻合金以及结构泡沫材料等。与环境的协调发展已成为汽车材料技术发展必须遵循的一项基本原则 由于人类社会发展所导致的环境问题日趋严峻，与环境的协调发展已成为汽车材料技术必须遵循的一项基本原则。世界各国对汽车材料的环保问题高度重视，制定了大量与之相关的法律法规，并从政府的角度进行引导，取得了显著的效果。现今环保理念已渗透到从汽车材料开发，零部件设计到工艺边角余料及废旧汽车零件，车辆回收再生的各个环节。发达国家正逐步淘汰或已不再使用容易对环境造成污染的材料，如采用半金属、玻璃纤维、碳纤维和有机纤维摩擦材料取代石棉摩擦

8、材料，逐步实现了摩擦材料的无石棉化。广泛使用水性涂料、高固体涂料及粉末涂料等低公害和无公害的汽车涂料，开发了环保的水基粘接剂并用于生产。国外在汽车材料的回收再利用方面也取得了重要进展，如在涂装、电镀等容易破坏环境的工艺中进行工艺余料、废料的回收再利用，废水的处理与循环使用。材料技术与产品设计、制造工艺的结合将更为密切 与产品设计、制造工艺的结合越来越紧密是当今汽车材料技术发展的特点，而推动力则是技术与经济的因素。汽车零部件的多材料设计、部件的零件化（减少零件设计）的发展趋势，在客观上促使了材料与设计、工艺的紧密结合，而随着CAD、CAPP、CAM的出现，汽车零件设计、材料与制造工艺之间的界限也

9、越来越淡化，逐步成为一体。同时，随着世界经济全球化进程的不断加快，汽车行业的竞争愈演愈烈，汽车制造商面临的成本压力越来越大，从而也要求将设计、材料与制造工艺作为一体进行综合考虑，以谋求总体效益的最大化，如激光拼焊、液压成形、半固态金属加工、喷射成形以及不同材料的连接技术等新技术的出现。伴随着我国汽车工业的全面发展，社会拥有量的大量增加，汽车在国民经济中的地位显得越来越重要。汽车新材料的发展和应用是促进汽车工业技术发展的重要因素。从发展汽车新材料来说，以下三点尤为重要：（1） 汽车材料要适应整车向智能化、电动化方向发展的基本要求，大力开发新型材料；（2） 汽车材料要围绕整车低能耗、低排放的要求，

10、开发新型结构材料和功能材料；（3）应该跟踪世界先进的汽车新材料的发展趋势，开发自主知识产权的新材料，通过优先发展汽车新材料来提高材料工业的整体水平。相关数据 美国中型轿车材料构成比例变化情况 （）年代钢铁铝合金塑料其他19806949181990605.512.516200051121819国内外载重车用高强度钢板强度对比应用部分材料抗拉强度/MPa国内国外车架375590440780车身270440270590车轮320550490650 轻量化材料减重效果及相对成本零部件材料相对成本零件相对成本减重幅度 铸 件铸铁1.01.0比较基准铝铸件1.82.21.05060镁铸件3.01.0657

11、5 车 身 构 件软钢1.01.0比较基准高强度钢1.11.010铝合金4.02.04050玻璃纤维材料3.00.825352、新材料种类及当前应用状况车身新材料的种类 新型结构材料高强度钢板现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的23倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。含磷高强度冷轧钢板：主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：具有较高强度，比普通冷轧钢板高1525；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良

12、好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20；具有良好的点焊性能。烘烤硬化冷轧钢板（BH）：经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高，既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一。冷轧双向钢板：具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，经烤漆后强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等。超低碳高强度冷轧钢板：在超低碳钢（C0.005）中加入适量钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度，实现了深冲性与高强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。轻量化迭层钢

13、板：在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.20.3mm，塑料层的厚度占总厚度的2565。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有57。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。铝合金铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料，能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。铝合金主要用于制造发动机缸体、活塞

14、、进气支管、气缸盖、变速器壳体、轿车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。镁合金和钛合金镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35，铝材密度的66，比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg，且刚度极高。随着压铸技术的进步，已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。钛的比重为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度超过了

15、钢，且不易生锈。用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀，钛合金车身可以承受更大的作用力。泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.40.7gcm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。目前，用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。蜂窝夹芯复合板蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成，面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。根据夹芯

16、材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，故在汽车车身上获得较多应用，如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。工程塑料用于汽车可实现轻量化和节能，且可回收和循环利用。目前六大类的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽车上得到广泛的应

17、用，通常用于制造车身覆盖件、车门门褴、车身内外装饰件和水箱面罩、保险杠和车轮护罩等。高强度纤维复合材料复合材料是一种多相材料，是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成。目前玻璃纤维增强树脂复合材料和碳纤维增强树脂复合材料在汽车上已经获得成功的应用。玻璃纤维增强树脂复合材料耐腐蚀、绝缘性好，特别是有良好的可塑性，对模具要求较低，对制造车身大型覆盖件的模具加工工艺较简易，生产周期短，成本较低。在轿车和客车上，采用玻璃纤维增强树脂复合材料制造的轿车车身覆盖件、客车前后围覆盖件和货车驾驶室等零部件。高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料（CFRP），因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好

18、的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。陶瓷材料由于陶瓷本身具有的特殊力学性能以及对热、电、光等的物理性能，陶瓷材料特别是特种陶瓷在汽车上的应用日益受到人们的重视。我国已成功研制钛酸铝陶瓷-铝合金复合排气管、氮化硅陶瓷柴油机涡轮增压转子和球轴承等汽车部件。汽车的构造材料可反映人类所应用材料的技术水平。 目前，6类主要材料如钢铁塑料铝橡胶玻璃共占轿车质量的90%，其余10%为其他多种材料，包括有色金属（铜、铅、锌、锡等），车中装备的液体（燃油、润滑剂、其他油品和水基液等），油漆、纤维制品。汽车材料构成 新型功能材料稀土材料中国稀土资源丰富，居世界前列，世界已探明的稀土储量中国占世界

19、已探明资源的80%，为我国大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。使用汽车废气净化催化剂是控制汽车废气排放、减少污染的最有效的手段，含稀土的汽车废气净化催化剂价格低、热稳定性好、活性较高，使用寿命长。汽车废气净化稀土催化剂所用的稀土成分主要是氧化铈、氧化镧和氧化镨等，用于汽车废气净化催化剂的载体通常为蜂窝陶瓷，稀土还可以作为陶瓷载体的稳定剂以及活性涂层材料等。纳米材料纳米技术将在汽车上的结构材料、节能、环保等方面获得广泛的应用，纳米陶瓷材料的耐磨性和质量减小、稳定性增强，纳米陶瓷轴已经应用在奔驰等高级轿车上，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强、使用寿命延长。纳米汽油是一种利用现代最新纳米技术开

20、发的汽油微乳化剂，纳米汽油可以降低油耗10%-20%，可降低废气中有害气体含量50%-80%。纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的石油产品，它不对任何润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂或减磨剂等产生不良作用，只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。纳米增强增韧塑料可以代替金属材料，由于它们比重小重量轻，因此广泛用于汽车上可以大幅度减轻汽车重量，达到节省燃料的目的，可用于汽车上的保险杠、座椅、翼子板、顶蓬盖、车门、发动机盖、行李舱盖以及变速器箱体、齿轮传动装置等一些重要部件。抗紫外线老化塑料能够吸收和反射紫外线，比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上，能有效延长其

21、使用寿命。无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24h接触杀菌率达90%，无副作用，可以用在车门把手、方向盘、座椅面料、储物盒等易污部件。新材料应用的发展趋势新材料回收再利用性的研究研究汽车新材料的最终处置问题至关重要，从某种程度上讲，关系到它的生存与发展。目前，汽车上约占自重25的材料无法回收再用，其中三分之一为各种塑料，三分之一为橡胶，还有三分之一为玻璃、纤维。现在可以通过三种途径进行回收：颗粒回收，重新碾磨；化学回收，高温分解；能源回收，将废弃物作为燃料。减少材料的品种未来汽车在工程塑料类型的选择上将会发生巨大的变化，目前汽车使用的塑料由几十种高分子材料组成，当前世界各大汽车公司致力于减少

22、车用塑料种类，并尽量使其通用化，这将有利于材料的回收再生和生态环境的保护。降低成本制约汽车车身新材料应用的重要因素是价格，作为主要新材料的高强度钢、玻璃纤维增强材料、铝和石墨增强，其成本分别为普通碳钢的1.1倍、3倍、4倍和20倍，只有大幅度降低这些新材料的制造成本，才可能使诸多新材料进入批量生产。先进的制造工艺的研发采用新材料与先进的制造工艺是相辅相成的，汽车工业正在努力开发新的制造方法，对传统的工艺进行更新。汽车典型零件用材的简要说明二、汽车新加工工艺1、冲压工艺冲压技术在汽车制造业占有重要地位，据统计，汽车上有60%70%的零件是用冲压工艺生产出来的。因此，冲压技术对汽车的产品质量、生产

23、效率和生产成本都有重要的影响。冲压工艺的特点及冲压工序的分类： 冲压是一种金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料施加压力，使板料产生塑性变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件(冲压件)。冲压工序按加工性质的不同，可以分为两大类型：分离工序和成形工序。冲压工序可分为四个基本工序：冲裁：使板料实现分离的冲压工序(包括冲孔、落料、修边、剖切等)。弯曲：将板料沿弯曲线成一定的角度和形状的冲压工序。拉深：将平面板料变成各种开口空心零件，或把空心件的形状、尺寸作进一步改变的冲压工序。局部成形：用各种不同性质的局部变形来改变毛坯(包括翻边、胀形、校平和整形工序等)。几

24、种汽车覆盖件的冲压工艺 汽车覆盖件的冲压工艺，通常都是由拉深、修边冲孔、翻边整三个基本工序组成；有的还需要落料或冲孔，有的需要多次修边、冲孔或翻边，有的工序还可以合并。因此，对于一个具体的汽车覆盖件来说，要确定其冲压工艺，就必须具体地分析该零件的形状、结构、材料和技术要求，结合生产批量(纲领)和生产设备条件，才能最后确定。2、汽车车身装焊工艺汽车车身是由薄板构成的结构件，冲压成形后的板料通过装配和焊接形成车身壳体(白车身)，所以装焊是车身成形的关键。装焊工艺是车身制造工艺的主要部分。汽车车身壳体是一个复杂的结构件，它是由百余种、甚至数百种(例如轿车)薄板料大都是具有良好焊接性能的低碳钢，所以焊接是现代车身制造中应用最广泛的联结方式。汽车制造中常用的焊接方法汽车车身装焊工艺点焊:通过导电和电阻加热使金属熔合。点焊的过程:预压-焊接-保压-休止。点焊相关工艺参数:电流电压电极压力焊接时间电极直径等。点焊设备：固定式点焊机，移动式点焊机，包括：供电系统（变压器和二次回路）、焊具部分（机臂、电极夹持器、电极）、加压机构（气压、液压等）、冷却系统、机体等。气体保护焊接：一种熔化极气体保护电弧焊接法，利用焊丝与工件间产生的电弧来熔化金属，由作为气体保护气，并采用光焊丝填充。焊接工艺参数：电源极性焊丝直径电弧电压焊接电流气体流量焊接速度