汽车车身加工工艺-课程设计.doc

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汽车车身新材料的应用及发展趋势94.1车身新材料的种类94.1.1高强度钢板94.1.2轻量化迭层钢板104.1.3镁合金104.1.4泡沫合金板114.1.5蜂窝夹芯复合板114.1.6工程塑料114.1.7高强度纤维复合材料124.2车身新材料应用的现状124.3新材料应用的发展趋势134.3.1新材料回收再用性的研究134.3.2减少材料的品种134.3.3降低成本134.3.4先进的制造工艺的研发13五 汽车车身制造技术145.1 内高压成形技术155.2 精密压铸技术165.3激光焊接技术165.4 机器人在车身的应用165.5 涂胶在车身中的应用185.6车身总成打孔整形技术应用19六 结语19参考文献20汽车车身加工工艺摘要：车身代表着汽车开发的水平，在汽车开发中占有主体地位。汽车行业多年来一直在促进汽车的轻量化，而车身作为汽车三大部件之一，已越来越受到重视。减轻车身质量主要有两方面措施：一是改进车身结构，努力采用轻型结构；二是大量应用轻质材料。本文介绍了国内外汽车制造在新型材料应用方面的情况及发展趋势，并简要介绍了汽车车身的制造工艺。关键词：汽车车身；新材料；发展趋势；加工工艺；制造技术一 引言汽车车身既是驾驶员的工作场所，也是容纳乘客和货物的场所。车身应对驾驶员提供便利的工作条件，对乘员提供舒适的乘坐条件，保护他们免受汽车行驶时的振动、噪声，废气的侵袭以及外界恶劣气候的影响，并保证完好无损地运载货物且装卸方便。汽车车身上的一些结构措施和设备还有助于安全行车和减轻事故的后果。 车身应保证汽车具有合理的外部形状，在汽车行驶时能有效地引导周围的气流，以减少空气阻力和燃料消耗。此外，车身还应有助于提高汽车行驶稳定性和改善发动机的冷却条件，并保证车身内部良好的通风。 汽车车身是一件精致的综合艺术品，应以其明晰的雕塑形体、优雅的装饰件和内部覆饰材料以及悦目的色彩使人获得美的感受，点缀人们的生活环境。二 车身的组成部分汽车车身结构主要包括：车身壳体、车门、车窗、车前钣制件、车身内外装饰件和车身附件、座椅以及通风、暖气、冷气、空气调节装置等等。在货车和专用汽车上还包括车箱和其它装备。车身壳体是一切车身部件的安装基础，通常是指纵、横梁和支柱等主要承力元件以及与它们相连接的钣件共同组成的刚性空间结构。客车车身多数具有明显的骨架，而轿车车身和货车驾驶室则没有明显的骨架。车身壳体通常还包括在其上敷设的隔音、隔热、防振、防腐、密封等材料及涂层。车门通过铰链安装在车身壳体上，其结构较复杂，是保证车身的使用性能的重要部件。钣等。这些钣制制件形成了容纳发动机、车轮等部件的空间。车身外部装饰件主要是指装饰条、车轮装饰罩、标志、浮雕式文字等等。散热器面罩、保险杠、灯具以及后视镜等附件亦有明显的装饰性。车内部装饰件包括仪表板、顶篷、侧壁、座椅等表面覆饰物，以及窗帘和地毯。在轿车上广泛采用天然纤维或合成纤维的纺织品、人造革或多层复合材料、连皮泡沫塑料等表面覆饰材料；在客车上则大量采用纤维板、纸板、工程塑料板、铝板、花纹橡胶板以及复合装饰板等覆饰材料。车身附件有：门锁、门铰链、玻璃升降器、各种密封件、风窗刮水器、风窗洗涤器、遮阳板、后视镜、拉手、点烟器、烟灰盒等。在现代汽车上常常装有无线电收放音机和杆式天线，在有的汽车车身上还装有无线电话机、电视机或加热食品的微小炉和小型电冰箱等附属设备。车身内部的通风、暖气、冷气以及空气调节装置是维持车内正常环境、保证驾驶员和乘客安全舒适的重要装置。座椅也是车身内部重要装置之一。座椅由骨架、座垫、靠背和调节机构等组成。座垫和靠背应具有一定的弹性。调节机构可使座位前后或上下移动以及调节座垫和靠背的倾斜角度。某些座椅还有弹性悬架和减振器，可对其弹性悬架加以调节以便在驾驶员们不同的体重作用下仍能保证座垫离地板的高度适当。在某些货车驾驶室和客车车厢中还设置适应夜间长途行车需要的卧铺。为保证行车安全，在现代汽车上广泛采用对乘员施加约束的安全带、头枕、气囊以及汽车碰撞时防止乘员受伤的各种缓冲和包垫装置。按照运载货物的不同种类，货车车箱可以是普通栏板式结构、平台式结构、倾卸式结构、闭式车箱、气、液罐以及运输散粒货物(谷物、粉状物等)所采用的气力吹卸专用容罐或者是适于公路、铁路、水路、航空联运和国际联运的各种标准规格的集装箱。三 汽车的发展史及车身的演变车身是一个品牌的标志和象征，它代表着汽车开发的水平，在汽车开发中占有主体地位。3.1技术开发时代1885年，德国工程师卡尔本茨(1844-1929)在曼海姆制造成一辆装有0.85马力汽油机的三轮车（如图3-1）。德国另一为工程师戈特利布戴姆勒(1834-1900)也同时造出了一辆用1.1马力汽油发动机作动力的四轮汽车（如图3-2），这便是现代意义上的汽车。他们俩被公认为以内燃机为动力的现代汽车的发明者。1886年1月29日也被公认为汽车的诞生日1。图3-1 奔驰1号 图3-2 戴姆勒1号3.2向生产型发展在20世纪20年代左右，马车型汽车很难抵挡风雨的侵袭，美国福特汽车公司在1915年生产出一种不同于马车型的汽车，其外形特点很像一只大箱子，并装有门和窗，人们称这类车为“箱型汽车”。中国人引进后与中国的轿子相比，的确有异曲同工的味道,因此，“轿车”的名字由此而生。早期的箱型汽车以美国的福特的T型车（如图3-3）最为著名，这种车以其结构紧凑、坚固耐用、容易驾驶、价格低廉而受到欢迎，年产量达到30万辆，在美国车坛上风靡一时。图3-3 1915年美国产福特T型汽车3.2流线型的诞生随着生活节奏的加快，人们对车速的要求也越来越高。箱型汽车是不够理想的，因为它的阻力大，大大妨碍了汽车前进的速度。1934年美国的克莱斯勒公司生产的气流牌小客车，首先采用了流线型的车身外形2。1936年福特公司在“气流”的基础上，加以精练，并吸收商品学要素，研制成功林肯和风牌流线型小客车。流线型车身的大量生产是从德国的“大众”开始的。1933年德国的独裁者希特勒要求波尔舍(1875-1951)设计一种大众化的汽车，波尔舍博士设计了一种类似甲壳虫外形的汽车（如图3-4）。波尔舍最大限度地发挥了甲壳虫外形的长处，成为同类车中之王，甲壳虫也成为该车的代名词。由于第二次世界大战的原因，甲壳虫型汽车直到1949年才真正大批量生产，并开始畅销世界各地，同时以一种车型累计生产超过二千万辆的记录而著称于世。图3-4 甲壳虫型汽车3.3适用型的发展二战时期发展起来的军用吉普车代表了这一时期汽车的发展主流，以适用性为主，主要车型为箱型。军用吉普车是美国对现代战争的奉献。第二次世界大战中，为适应战争需要，美国陆军大尉罗伯特哈马依特开始潜心研制一种小型军用越野车。1940年由美国威利斯沃朗德公司生产了第一辆军用小吉普3。尽管这以前德国人也有军用越野车，但不叫“吉普”。1942年，威利斯公司与福特公司合作，制成了新一代“福特G503GPW型”，发动机容量为2200CC的吉普车。到了1944年，威利斯公司又开发了一种新型的民用吉普车，被誉为“多用途车”，英文为General Purpose Car，缩写为“GP”。由于“GP”的读音与美国的一位漫画家施格于1937年底创作的一幅漫画中的形象“吉普”（一种神通广大的空想小动物，飞行时能发出“吉普！吉普！”的长叫声）的声音很相似，又因为美国士兵对这种多用途小车十分喜爱，深信它会像“吉普”一样神通广大，战无不胜，因此“吉普车”的名字就在全美传开，直至风靡全世界。最初研制成功的吉普车，时速65英里，行程300英里，载重0.25吨，发动机71马力，是一种小型军用越野车。主要用于输送步兵营所装备的轻武器，也可作通讯、侦察和指挥车使用。当时的美军海军陆战队给它的命名是“M38型”，如图3-5所示。今天，伴随科技日益进步，吉普车的样式、性能等都比过去有了长足的发展。图3-5 M38型军用吉普车3.4产业化时代美国福特公司经过几年的努力，于1949年推出具有历史意义的新型福特V8型汽车，如图3-6所示。这种车改变了以往汽车造型的模式，使前翼子板和发动机罩，后翼子板和行李舱罩溶于一体，大灯和散热器罩也形成一个平滑的面，车室位于车的中部，整个造型很像一只小船，所以人们把这类车称为船型汽车。这种车是设计者首次把人体工程学应用在汽车的设计上。强调以人为主体的设计思想4。船型汽车不论从外形上还是从性能上来看都优于流线型汽车，并且还较好地解决了流线型汽车对横风不稳定的问题。从50年代开始一直到现在，不论是美国还是欧亚大陆，不管是大型车或者是中、小型车都采用了船型车身，从而使船型造型成为世界上数量最多的一种车型。图3-6 福特V83.5减少公害时代船型汽车尾部过分向后伸出，形成阶梯状，在高速时会产生较强的空气涡流。为了克服这一缺陷，人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜，倾斜的极限即成为斜背式。由于斜背式汽车的背部像鱼的脊背，所以这类车称为“鱼型汽车”。1952年，美国通用汽车公司的别克牌轿车开创了鱼型汽车的时代。与流线型汽车相比，鱼型汽车的背部和地面的角度比较小，尾部较长，围绕车身的气流也比较平顺，涡流阻力也较小。另外鱼型汽车基本上保留了船型汽车的长处，车室宽大，视野开阔，舒适性良好。最初的鱼型车是美国1952年生产的别克牌小客车，如图3-7所示5。1964年美国的克莱斯勒顺风牌采用了鱼型造型，自顺风牌以后，世界各国逐渐生产鱼型汽车图3-7 1952年别克小客车由于鱼型车后窗玻璃倾斜太甚，面积增加两倍，强度下降，产生结构上的缺陷。鱼型车还有一个潜在的重大缺点，就是对横风的不稳定性。鱼型车发动机前置，车身重心相对前移，一般来讲横风的风压中心和车身重心接近。但由于鱼型车的造型关系，在高速时会产生一种升力，使车轮附着力减小，从而抵挡不住横风的吹袭，发生偏离的危险。鱼型车的这一缺点，人们想了许多方法加以克服，例如人们在鱼型车的尾部安上一只翘翘的“鸭尾”，以克服一部分扬力，这便是“鱼型鸭尾”式车型。为了从根本上解决鱼型汽车的升力问题，人们设想了种种方案，最后终于找到了一种模型的设计方法。就是将车身整体向前下方倾斜，车身后部像刀切一样平直，这种造型能有效地克服升力。第一次按楔形设计的汽车是1963年的司蒂倍克阿本提，这辆汽车在汽车外形设计专家中得到了极高的评价。1968年，通用公司的奥兹莫比尔托罗纳多改进和发展了楔形汽车。楔形造型得以在赛车上广泛应用，如20世纪80年代的意大利法拉利跑车（图3-8），就是典型的楔形造型。楔形造型对于目前所考虑到的高速汽车来说，无论是从其造型的简练、动感方面，还是从其对空气动力学的体现方面，都比较符合现代人们的主观要求，给人以美好的享受和速度的快捷感。图3-8 20世纪80年代的法拉利跑车3.6未来汽车汽车发展到鱼型，关于空气阻力的问题就已经基本解决了，楔型继承了这一成果，并有效地克服了鱼型车的升力问题，使汽车的行驶稳定性有了显著的提高，楔型成为目前较为理想的车身造型。未来汽车的造型必然是在楔型车的基础上加以改进。例如，把前窗玻璃和发动机罩进一步前倾，尾部去掉阶梯状，成为真正的楔型6。车窗玻璃和车身侧面齐平，形成一个平面，后视镜等将通过合理的造型，以取得最低的风阻力，或者由车内的电视屏幕来代替。总之，未来汽车的造型将更为平滑、流畅。未来汽车还有向一车多用的趋势发展，为了使一车多用，人们设想了一种组合式汽车。这种车有一个车头部分(主要装有动力系统)，既可独立使用，也可以和不同的车箱连接，成为小货车、旅游车、冷藏车以及赛车等，根据需要随时更换。在未来的汽车世界里还会出现一种叫做“空中公共汽车”的车辆，它具有陆空两用的优点，既可以和普通公共汽车一样在陆上行驶，也可以开进特殊的飞机上，作空中旅行，减少了乘客上下飞机的麻烦，如图3-9所示为瑞士Rinspeed公司展出的Rinspeed Splash水陆空三栖汽车。图3-9 Rinspeed Splash水陆空三栖汽车不仅如此，电脑被广泛地运用在汽车上，也将是未来汽车的重要标志。将来的汽车装上电脑指挥系统。可以把驾驶员的意志和外界行驶条件结合起来转化成电信号，然后集中输送到微处理器，经过分析计算后，向车辆的各个部分发出指令7。使汽车更为安全可靠。甚至可以出现无人驾驶的“智能”汽车。 将来还会出现更多造型奇特、性能卓越的汽车。例如，履带式气垫车，用充气的橡胶履带来代替汽车的轮子，可以在泥泞道路或沼泽地自由行走。无轮步行式汽车，是仿照动物行走的特征制造的，装有四条腿，下坑洼、涉泥泞都非常灵活。总之未来汽车比我们现在想象要丰富得多。四 汽车车身新材料的应用及发展趋势现代汽车车身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、节能等方面的需要。在上世纪八十年代，轿车的整车质量中，钢铁占80，铝占3，树脂为4。自1978年世界爆发石油危机以来，作为轻量化材料的高强度钢板、表面处理钢板逐年上升，有色金属材料总体有所增加，其中，铝的增加明显；非金属材料也逐步增长，近年来开发的高性能工程塑料、复合材料，不仅替代了普通塑料，而且品种繁多，在汽车上的应用范围广泛。 4.1车身新材料的种类 4.1.1高强度钢板 从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的50，故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。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8。到2000年，其用量已上升到50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作，2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg，占车身钢板用量的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。 低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度1F冷轧钢板等，车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。 含磷高强度冷轧钢板：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：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。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板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，如经烤漆后其强度可进一步提高。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）中加入适量的钛或铌，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。 4.1.2轻量化迭层钢板 迭层钢板是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 与汽车钢板相比，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。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了135kg，比传统钢材料车身减轻了43，使平均油耗降至每百公里3升的水平9。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%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利用，深受环保人士的欢迎。 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。 4.1.3镁合金 镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35，铝材密度的66。此外它的比强度、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10。镁的储藏量十分丰富，镁可从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含 3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20。 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。 4.1.4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11。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。 4.1.5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。根据夹芯材料的不同，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；面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料12。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。英国发明了一种以聚丙烯作芯，钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板，使零件质量减轻了50%60%，且易于冲压成型。 4.1.6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。二十世纪七十年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车，塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果。 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。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆，红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆，而日本轿车平均为14kg/辆，宝马则更高，为35.64kg/辆13。但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产15,000吨高性能ABS工程塑料的能力。 4.1.7高强度纤维复合材料 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。碳纤维复合材料在汽车上的应用，美国开展的最好。 二十世纪八十年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计，在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。图2为法国SORA公司为雷诺汽车公司开发的全复合材料轿车车身和重型卡车驾驶室。上海通用柳州汽车公司和东风公司计划推出全复合材料车身的家庭用小轿车。 4.2车身新材料应用的现状 目前，国内外车身轻量化的研究方向是开发具有较高强度的轻质高性能新材料及设计新的轻量化结构。通过多年的探索，已取得了新的进展。德国大众九十年代末开发的路波TDI车型就是采用新设计、新材料、新工艺的综合成果。 TDI所有车身部件都是轻质金属制成的，包括前挡泥板、车门、发动机罩和尾门，其中尾门的金属外层是铝质，内板是镁制成的。汽车的内部设备许多也是轻质金属制成的，如，座椅的框架由铝制成，方向盘的内骨架是镁制成14。乘客舱和发动机室之间组合隔板是铝质的。支撑结构通常也是由高强度的薄板金属制成的。 为解决新材料的防腐蚀保护和连接，大众采用创新的冲孔铆接法、迭边压接、激光钎焊等技术。 路波TDI的自重为830kg，包括417kg（50.5）的钢、136kg轻质金属（16.4，包括3.7kg的镁）、116kg塑料（14.0）。在保证车身抗扭刚度、使用寿命和安全性的前提下，车身的重量减轻了50kg，汽车的总重减轻了154kg。由于汽车自重大幅度减轻，使得百公里油耗降至2.99升，总能量消耗只是传统汽车的一半。这意味着二氧化碳的排放量也将减少一半，碳氢化合物的排放量降到四分之一，是典型的环保型轿车，也是世界上批量生产的最经济轿车之一。 4.3新材料应用的发展趋势 4.3.1新材料回收再用性的研究 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。鉴于这种情况，世界各国都花费大量的人力、物力进行材料的回收再生问题的研究。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。 德国在回收塑料等材料的法规是世界上最为完善的，其管理方式非常明确，即首先是避免产生，然后才是“循环使用”和“最终处理”。1991年规定回收塑料中的60必须是机械性回收，另有40可以机械回收，也可以采用填埋或能量回收的方式。通过十年的努力，现在的回收率已高达87。日本是循环经济立法最全面的国家，其目的是建立一个资源“循环型社会”。为此，日本对废旧塑料的回收利用一直保持积极态度。此外，日本还大力支持以废塑料为主的工业垃圾发电事业。计划到2010年在全国建立150个废塑料发电设备。 4.3.2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车用塑料的种类，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。 4.3.3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。所以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。如玻璃纤维增强材料将在成本上成为钢材的有力竞争者，虽然它的重量减轻有限，但价格却能为用户接受。石墨合成材料尽管性能良好，但因其成本居高不下，目前它在汽车工业上很难有所作为。 4.3.4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。例如：适用于轻量化设计的连接工艺今年来有所发展，如德国某汽车公司在大批生产的轿车上采用CO2激光束焊接，与传统的焊接工艺相比，焊接成的高强度钢板车身的强度提高了50。又如，一些复合材料的SMC壳体的材料较厚，大约为2.53mm，限制了轻量化的幅度。法国雷诺公司采用新的A级表面精度的SMC模压技术和低密度填料，减薄了零件厚度，使轿车壳体重量比普通SMC工艺下降了3015。 五 汽车车身制造技术汽车行业多年来一直在促进汽车的轻量化，而车身作为汽车三大部件之一，已越来越受到重视。减轻车身质量主要有两方面措施：一是改进车身结构，努力采用轻型结构；二是大量应用轻质材料。铝合金的体积质量是钢材体积质量的1/3，采用铝合金材料制造汽车车身，在保证其具有与钢材同样强度和刚度的前提下，可以减轻车身质量60%左右，从而达到减少燃料消耗、降低环境污染的目的。其次，铝合金材料可反复回收利用，回收重熔铝合金所需能量仅是生产新铝合金所需能量的5%。再生铝合金材料可以保持原有材料的性能，所以铝合金材料的回收使用得到人们的普遍重视。相对于一般钢材，铝合金材料具有较高的比强度，虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能得到复杂截面的构件，从结构上补偿部件的刚度，因而可在满足刚性及强度等多方面力学性能下，大大降低材料的消耗及构件的质量，从而降低产品的成本，提高经济效益。国外汽车制造业中铝合金的使用已超过总体材料的10%，Audi8、Audi2等全铝汽车已商业化并进人我国市场。铝合金材料因表面有一层致密的氯化物保护膜，其表面无需进行镀层处理即可获得满意的抗腐蚀性。电镀、热镀锌的镀层处理，不仅工艺复杂、成本高，还严重污染环境。因此，采用铝合金材料是21世纪汽车制造业发展的趋势，但在焊接铝合金的过程中，必须充分掌握铝合金的焊接工艺，才能获得优质的焊接接头。铝合金车身空间框架结构由挤压杆件、冲压板件和精密压铸件通过焊接而成，采用此结构车身质量可减轻47%，车身整体由于设计和构件截面的改进使抗扭、抗弯能力也显著增加。大众汽车公司和美国内卡苏尔姆铝业公司于1999年联合开发制造的Au2型全铝轿车，都采用了铝合金空间框架结构。该结构除了具有质量轻，适于多品种小批量生产、换型容易、减少零部件数量和工时、缩短生产周期、降低总成本的优点外，还能够非常有效的吸收冲击能，提高防撞性，对乘坐人员提供最佳的安全保护。美国福特公司也采用了空间框架技术，其他公司也在开发轿车铝合金车身框架。比如保时捷、凯迪拉克、劳斯莱斯、沃尔沃、梅赛德斯、奥迪及法拉利某些型号的汽车也已经使用铝车身覆板。5.1 内高压成形技术铝合金的冲压加工比钢板难度大，目前还没有大批量生产的汽车完全采用铝板。由于材料的回弹增加和裂缝的出现，使铝板在冲压时难度更大。如果使用专为铝板设计的模具，这种影响会减少，但成本很高。此外，采用铝板冲压的生产率比钢板冲压要低一些，因为铝板易损伤，而且模具由于废屑和被弄脏需要频繁清洗。从而导致劳动生产率降低，制造成本增加。为此，人们提出采用内高压成形技术来生产汽车铝合金框架结构。内高压成形技术是近年才出现的一种成形新技术，并且是目前国际上的一个研究前沿。各种连接件根据其结构特点，既可以用内高压成形法一次成形，也可先用一般挤压方法制成型材，然后用内高压成形法矫形，通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形16。由于内高压成形性能优良，设计的自由度大，一个内高压成形件可以代替由几个零件焊接成形的工件，因此避免了焊接产生的扭曲和变形，具有较高的尺寸精度和力学性能。其主要优点为：减轻质量、节约材料。与冲压焊接的组合件相比，内高压成形件可减重20%30%，并且仅需要一套模具，而冲压件大多需要多套模具。统计分析，内高压成形件比冲压件平均降低成本15%20%，模具费用降低20%30%。在汽车设计中应用较多的是封闭结构。其主要原因是封闭结构与开放结构型材相比具有更高的抗弯曲和抗扭转载荷的能力，以及更高的比强度。在减轻质量、紧固装配零件、提高尺寸精度、降低成本、提高成形性能和设计自由度等要求下，内高压液压成形汽车构件中的管型件和中空件备受关注。德国、美国及日本已开始将该技术应用于汽车、航空航天等制造领域，其成形压力已达500MPa，曾有报道称最高达1500MPa。内高压成形特别适合于成形性能差或高强度的材料成形，如铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢和高强度低合金钢，并且还能成形复合材料，这对于减轻零件质量是非常有帮助的。德国、美国于20世纪90年代初率先开始在工业生产中采用了内高压成形技术制造汽车轻体构件，我国则起步较晚，尽管目前已有1000多家生产铝型材的国有企业，拥有2000多台挤压机，但无论从挤压产品的质量还是从挤压生产的效率和标准化程度来看，都与世界先进水平存在较大差距。哈尔滨工业大学是国内唯一一家开展内高压成形的单位，但用内高压成形制造汽车、飞机等机器零件在国内还是空白。5.2 精密压铸技术铝合金车身框架结构的连接件多用铸造成形，所用铸造方法以半固态压铸等一些先进的高精度压铸方法为主。半固态压铸技术目前有两种成形工艺：流变成形工艺和触变成形工艺。前者是将液态金属送入特殊设计的压射成形机筒中，由螺旋装置施加剪切使其冷却成半固态浆料，然后进行压铸。后者是将固态金属粒或碎屑送入螺旋压射成形机中，在加热和受剪切的条件下使金属颗粒变成浆料后压铸成形17。目前，国内外工业应用的半固态金属铸造主要是指触变铸造，在车身框架结构中应用较多。触变铸造作为一种精密成形方法，成形后工件强度高，且能实现复杂形状的一次成形。利用它可以实现大批量生产各种无切削或极少切削的零件，减少零件数量。半固态压铸成形工艺的关键是有效制取半固态合金浆料、精确控制固液组分的比例及半固态成形过程自动化控制的研究开发。目前，国外市场已有专用于半固态成形的铝合金原材料供应，而国内还是空白，因此开发该系列材料也是当务之急。5.3激光焊接技术激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率、高速度的焊接方法，日益受到人们的关注。激光加工是一种功能多、适应性强、可靠性高的加工方法，具有热量集中、HAZ小、焊缝及切口成形美观、焊后残余变形和残余应力较小等优点，适合于热敏感材料的焊接和切割，并且加工过程中不产生x射线18，符合环保要求，在汽车工业中具有很大的发展潜力。自1990年丰田汽车公司首次将此技术应用于汽车车身制造以来，该技术在日本和欧美等汽车制造业中得到了广泛的应用，通用、奔驰、大众等汽车公司纷纷开发和应用激光焊接技术，并取得了显著的经济效益。铝合金激光加工的难点在于铝合金对激光束极高的表面初始反射率，而且铝合金激光焊存在容易产生气孔、合金元素易烧损、裂纹的敏感性较大等问题。焊接铝镁合金时，易出现裂纹的临界镁含量是2%。日本在这方面的研究起步较早，研究的侧重点是铝合金激光焊接的熔化特性、气孔和裂纹的成因机理、焊接缺陷对力学性能的影响及激光焊接铝合金的等离子体现象等，而我国还处于落后地位。5.4 机器人在车身的应用工业机器人广泛应用于整车制造中。机器人操作与人工操作相比较，具有显著的优点：工艺过程稳定。工艺质量高。重复精度高。可进行复杂的工艺操作。可适应恶劣工作环境。缺点是：投资大。要求专业编程人员。维护费用高。机器人操作与传统设备，如固定焊机相比较，具有下列优点：可实现柔性加工，当进行两种以上车型共线生产时，投资大大降低。在整车制造的4大车间：冲压、车身、油漆和总装车间中，机器人可用于搬运、焊接、涂敷和装配工作19。工业机器人可和不同的加工设备配合，几乎可以做整车生产中的所有工作。利用机器人可以大大提高生产节拍减少工位，提高车身质量。目前世界上应用比较广泛的包括FANUC、ABB和KUKA等公司的机器人。在桑塔纳系列轿车制造中，采用了ABB公司的机器人；在上海帕萨特和波罗的制造中，采用了KUKA公司的机器人；在上海别克和赛欧的制造中，采作了FANUC公司的机器人；在上海帕萨特和波罗的制造中，采用了SEF公司的机器人进行激光焊接。机器人搬运。由机器人操纵专用抓手或者吸盘，来抓取零件，将零件移动位置。机器人可以快捷、准确地移动大型零件，放置到位，而不会损坏零件表面。例如，在冲压生产线各压机间采用机器人来搬运零件，可以加快节拍，避免人员受伤的危险，进行全封闭生产。机器人点焊。由机器人操纵各种点焊焊钳，实施点焊焊接。机器人可以操纵大型焊钳，对地板等零件进行点焊，或者进行复杂位置的焊点的焊接20。通过换枪站可以更换焊钳，进行各种位置的点焊。焊点的质量高，而且质量稳定。焊接速度快，例如在补焊时，在一个工位内，在节拍为128s内，由5台机器人可以焊接多达190个焊点。机器人弧焊。由机器人操纵弧焊焊炬，可以很方便地进行仰焊、立焊等各种位置的弧焊。通过传感器，可以跟踪焊缝，控制弧长。但是机器人弧焊对零件匹配要求较高，当零件间缝道不均匀或者不平整时，就会产生焊接缺陷。激光焊接。由机器人操纵激光加工镜组，进行激光焊接。激光源可以采用CO2激光器或者YAG激光器。激光焊接设备很复杂，要求机器人重复精度较高，一般要高于0.1mm。机器人螺栓焊接。由机器人操纵螺栓焊枪，可以进行空间全方位的螺柱焊接。例如，在一个工位内，在节拍为150s内，由4台机器人可以焊接90个螺栓。机器人粘结剂和密封剂的涂敷。点焊胶、支撑胶、PVC密封等通过机器人操纵涂敷枪可以精确地控制粘结剂流量，进行各种复杂的形状和空