■机械科学研究总院/陈长年李永兵■北京航空航天大学/郎利辉
■湖南大学/李落星
■沈阳铸造研究所/冯志军
■上海交通大学/李永兵
车身重量占汽车总重量的40%左右，车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用，汽车车身轻量化正成为21世纪汽车技术的前沿和热点。 汽车车身轻量化是一个系统工程，实现汽车车身轻量化有两个途径：一是选用轻质高强的新材料；二是依据新材料特点，设计更合理的车身结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化，以及对车身零部件进行结构和工艺改进等。
上述两种途径相辅相成，必须采取材料替换与结构改进相结合的方法，才能在保证车身强度、刚度、模态、疲劳、碰撞安全性和抗振抗冲击性能满足设计与使用要求的前提下，最大限度地减轻汽车整体重量。
铝合金是一种具备多种优良性能的轻质材料，这使其成为汽车轻量化的首选材料。铝车身基本形式是由
多种复杂断面铝合金挤压型材构成空间框架，压铸铝件作为空间框架节点的连接，车身覆盖件由铝合金板冲压加工制造，部分承重覆盖件的加强板也采用挤压铝型材，覆盖件与框架的连接是通过冲压铆钉铆接完成，形成结构性很强的整体。
铝车身制造技术是节能汽车的第一关键技术，属于国家科技重大专项提出的十大关键技术之一“轻合金材料制造技术”范畴，它的实施对我国迈入汽车强国有重大意义，并兼顾了节能环保和汽车工业可持续发展的需求。
发展汽车铝车身制造技术的战略意义
1.汽车工业快速发展对能源和环境安全提出巨大挑战
我国原油进口依赖度2011年达到55.2%，首次超过美国，居世界第一。据预测，2020年和2030年原油进口依赖度将分别达到64%和74%。同时，2009年中国车用汽油消费量6260万t，占汽油总量的87%。目前全球汽车的碳排放量已达到各种碳排放总量的25%。
另据预测，中国汽车保有量将从2009年的6280万辆跃升到2020年的2亿辆。轿车车身重量约占整车的40%～50%，60%～70%的油耗是用在车身重量上的。汽车重量每减轻10%，最多可实现节油8%。据报道，美国汽车重量如果减少25%，燃油消耗减少13%，按照目前全球汽车保有量为2.5亿辆计，一年可节省27亿桶石油。因此，减轻汽车车身重量是降低汽车能耗的主要措施。
2.轻量化成为近年国际汽车发展的主流技术
与10年前相比，国外汽车自重平均减轻20%～26%，这一发展趋势还在加快进行。现代汽车中占自重
90%的六类材料大体为：钢55%～60%，铸铁12%～15%，塑料8%～12%，铝6%～10%，复合材料4%，陶瓷及玻璃3%。
在各国轿车发展中长期计划中，以中型轿车为例，美国规定整车质量为1000k g以下，西欧规定为800kg以下。在最近投放的一些先进车型中，钢铁材料的比例降低。例如奥迪A2钢材的比例仅为34%，轻质材料则高达52%。
国外开发的全铝车身已经在A U D I A8、B M W Z8、FERRARI360等很多车型上使用。世界铝材委员会制定了目标“在世界范围内的轿车和轻型载货汽车制造领域大量推广铝材的应用，包括铝结构件的应用”。为了实现这一目标，铝材行业与汽车制造商进行了通力合作。
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形部件，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扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身减重50%。铝车身的推出，使汽车向轻量化发展迈出了重要一步。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5189个降至2761个，车身刚性更一举提高了48%。
3.铝是汽车减重的第一用材
（1）铝合金是一种比强度高并具备多种优良性能的轻质材料。
（2）铝的密度约为钢的1/3，满足相同性能要求比钢件减重60%。
（3）发生碰撞时，铝比钢多吸收50%的能量。
（4）我国铝资源丰富，产量占全球1/3。
（5）铝是绿环保材料，可循环回收国家发改委、科技部和环保总局明确提出，从2010年起，汽车生产厂商要承担汽车回收的责任。到2017年，我国所有国产及进口汽车的可回收利用率将达到95%左右。
（6）汽车用铝的90%可以循环利用采用回收铝生产的汽车零件耗能，是用原铝耗能的1/6～1/7。单向排水阀
导电夹（7）铝板的性能优点强度高，具有一定的延伸性、塑性、加工工艺性能，可铸造、锻造、焊接、轧制和冲压成形；具有良好的抗蚀性，可以生成致密的氧化膜，即使在酸性介质中也具有良好的耐蚀性；具有高的弹性变形性能，碰撞吸能效果好。
4.中国铝车身生产现状
我国的铝车身设计制造技术与欧、美、日等国家存在很大差距。近年国内车企纷纷开发铝合金车身，但是关键装备主要依赖进口，制造技术落后，亟待提升。
5.发展铝合金车身的必要性
突破国际技术壁垒，参与国际竞争的需要。中国汽车工业要在国际竞争中占有一席之地，必须自主创新，集中力量开展铝合金车身制造关键技术与装备研究，突破以全铝车身为代表的一系列汽车先进技术壁垒，这对提高我国汽车工业的国际竞争力具有举足轻重的作用。
汽车用铝合金材料低成本制备技术
汽车车身用铝合金材料主要包括2000系、5000系、6000系合金板材、型材、管材及高性能铸铝。依据不同的受力部位，采用不同型号的铝合金材料（见附表）。
骨架部分
车身受力最大的部分，采用2000系或7000系材料，可热处理强化
蒙皮部分车身次要的受力部位，采用5000系或6000系材料车门部分采用5000系或6000系材料
底板部分采用5000系或6000系材料
内饰部分采用1000系或5000系材料，无热处理强化
座椅部分采用2000系或6000系材料，可热处理强化铸件采用高性能铸铝合金，可热处理强化
铝合金材料表
铝合金主要板材的特点：
（1）2000系合金是一种热处理可强化的铝合金，具有优良的锻造性、较高的强度和良好的焊接性能，很好的烘烤强化效应，但其抗腐蚀性要比其他系列的铝合金差。目前2036和2022合金已部分用于汽车车身板材。
（2）5000系合金是一种热处理不可强化的铝合金，具有良好的抗腐蚀性和焊接性能，但退火状态下在加工变形时可能产生吕德斯线和延迟屈服，因此主要用于车身内板等形状复杂的部位。
（3）6000系合金属于热处理可强化铝合金，具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性。与钢板相比，6000系2T4态板材的屈服强度和抗拉强度相近，硬化系数甚至超过钢板。目前，6009、6010和6016铝合金由于塑性好，并在成形后的喷漆烘烤过程中可实现人工时效而获得较高强度等特征，被用于汽车车身外板和
内板。奥迪A8的车身板采用了本系铝合金。另外为增强汽车的缓冲能力和增强抗疲劳强度，德国VAW、日本KOK、中国西南铝业均以此系合金为基础，研制和开发了高性能的汽车用铝板和铝型材。目前，6000系合金为车身板材主力。
我国汽车铝合金应用，需要同时研发材料方面的课题有：开发汽车用高性能铝合金材料专用制造装备；进一步提高铝合金材料的强度、可成形性、耐腐蚀性和焊接性能以及综合性能；加强铝合金材料回收再用性方面的研究；提升铝合金材料制备过程控制的水平，提高材料合格率和尺寸精度；降低汽车用铝合金材料的成本。
汽车车身用铝合金零件关键制造技术
汽车车身用铝合金零件主要有铸造（铸铝）连接件、覆盖件（板材冲压）、挤压型材骨架结构件、液压成形板材覆盖件和管材结构件等。
1.铝合金汽车板材和管材液压成形工艺
普通冲压工艺加工铝合金表面质量差，成品率低（70%左右），不能满足车身零件高精度、高可靠性、高效率和低缺陷制造的要求。汽车车身零件的液压成形技术在欧美、日韩等发达国家的汽车产业中获得了大量的应用，设备最高压力达到了400MPa，加工出铝合金汽车发动机罩内外板、车门内外板及翼子板等覆盖件已装车应用。大型铝铸件、液压成形部件，是奥迪A8的两项核心技术。
与冲压工艺相比，其优势有：减小毛坯尺寸，节约材料；提高成形极限，减少成形工序；零件的表面质量和尺寸精度大幅提高；降低配套模具数量和成本；减少后续金属切削加工和组装焊接量；可以成形形状复杂、变形程度大、整体性要求高的零件。
这项技术在国外已成为汽车轻量化的主流技术，并且发展的趋势主要是集成化、快速化、大型化和精确化等。
虽然国内在大吨位样机研制方面已经取得成功，如1600t和1050t板材液压成形设备，但是在国内推广应用铝板液压成形技术还存在着如下难点：
（1）基于铝板液压成形设计知识的欠缺。提供给设计人员的液压成形知识不系统和不全面，造成我国设计人员无法或根本不能够考虑到液压成形技术在轻量化结构件上的应用。
（2）面向液压成形技术的铝板材料成形性和零件质量控制体系的研究不足。多数面向普通冲压成形的铝板材料成形性和零件质量控制研究的结果并不适用于液压成形技术。
（3）诸多的工装模具及超高源系统面向产业化的关键技术并未在实践中得到突破。
（4）以铝板液压成形为核心的全系统联动的关系和机制的研究并不完善。
由于上述原因，面向产业化的并联动作系统并未得到实际应用，工装和模具开发成形难度大、调试周期长，因而成本较高，在国内车型仍鲜见应用，主要由于国内在铝板液压成形工装和模具的开发方面缺乏经验，难以满足高档轿车车身件的质量要求。国外铝合金汽车板材零件液压成形应用实例见图1。铝合金汽车管材零件内高压成形实例见图2。
图2 铝合金汽车管材零件实例
（a）Volvo
吉普车纵梁
（b）BMW
汽车后车架
2.板材温冲压成形技术
铝合金板温成形工艺受到材料成形性能、工艺参数与模具的设计、润滑与摩擦状态等诸多因素的影响，目前仍是一项尚待进一步研究开发的板料冲压成形新技术。如果突破，则可以提供高效率成形技术，平均每小时生产零件大于540件。
近年来，铝合金板温成形技术开始应用于汽车车身。图3所示为“中汽轿车”车身外覆盖件铝板冲压件。
图1 国外铝合金汽车板材零件实例
（a）BMW M3
的发动机盖板（b）Volvo S70
的车门外板
目前应用于车身铝板冲压仍存在一些不足，主要表现在以下几点：船舶智能焊接技术
（1）成形性还需继续改善。铝合金板材的局部延性伸不好，容易产生裂纹，特别是形状比较复杂的零件。
（2）为避免拉裂常常导致冲压拉伸不充分，作为外覆盖件容易出现局部面畸变等缺陷，影响产品质量。
（3）尺寸精度不容易掌握，回弹难以控制。
二苯甲酮腙
由于上述原因，铝板冲压模具开发难度大、调试周期长，因而成本较高，难以满足高档轿车车身件的质量要求。
因此，尚需要重点研究的方面包括：铝合金板材温冲压、翻边、卷边的批量生产工艺和最佳成形温度区间；温控模面成形模具的设计和制造方法；面向任意形状的铝合金板材和零件的连续加热炉与加热均匀性温度控制策略；具有保温特性并能够适用于任何形状的铝合金覆盖件坯料和零件的隔热释放的高速取、送料机构设计和制造工艺；具有电热加温系统控制和保温进、出料系统的高速液压机技术；温成形件自动输送及全生产线智能控制系统等集成技术；基于中央控制的自动化生产线开发及应用示范；基于虚拟现实的生产线系统设计与优化技术。
双端面机械密封3.型材挤压成形——车身框架型材伺服控制挤压弯曲一体成形技术
德、日、美等国投入大量人力物力，组织攻关大型扁宽铝合金型材挤压工艺、精密淬火与人工时效、精整校直等关键技术。一些新的挤压技术也相继被开发出来，如高速挤压、静水挤压、无残料挤压和变截面挤压等。保安接线排
国外中高档汽车，如奥迪系列、宝马系列、日产系列、通用君威和君悦以及丰田皇冠等，都采用铝合金作防撞梁和吸能盒（见图4）。空间框架设计使车身的静态扭转刚度提高60%。
图3 “中汽轿车”的车身外覆盖件铝板冲压件1.发动机罩外板 2.前门外板 3.行李箱盖外板1
4.行李箱盖外板2
5.后门外板
2
153
4
图4 国外品牌铝合金防撞梁、吸能盒
图5 型材挤压－弯曲－体化加工示意
但奥迪公司铝质车身生产工序繁多，制造成本高，
很难在普通中级车上推广应用。通过我国自主研发的
“车身用铝合金型材挤压－弯曲－淬火一体化成形技
术”，能简化生产工序，降低制造成本，从而更进一步
推广铝合金在汽车上大众化应用。
挤压－弯曲一体化加工技术如图5所示。型材出模
口后的弯曲变形是通过一系列引导装置来实现的。因
此，该方法不仅可以精确地控制型材的弯曲精度，而且
可以简便地实现三维弯曲，即实现不同部位有不同的弯
曲方向和曲率半径。根据型材弯曲时受力条件，弯曲引
导模离挤压模出口的距离也可以进行必要调整。目前该
成形技术的研究仍处于前期探索阶段。湖南大学已开发
出挤压－弯曲－淬火－淬火一体化成形中试设备，并获
得国家发明专利。
就挤压工艺而言，由于普通挤压压力机运动特性固
定不变，工艺参数的优化难以实现。将伺服控制系统与
挤压压力机结合，能任意滑块运动特性曲线的实现，滑
块位置精度可达0.01mm，伺服压力机行程可根据成形工艺需要进行方便地调整，对于提高产品质量和生产效率、降低生产成本具有十分重要的意义。
汽车的前纵梁、座轨、保险杠和减振结构等断面变化结构成形工艺通常采用冲压焊接方法、挤压等断面型材后胀压成形等，工艺过程复杂，生产效率低，成本高，焊接部位降低车身刚度及吸能特性。伺服控制挤压－弯曲一体成形方法制造前纵梁、座轨、保险杠、减振结构等铝型材构件可减少半成品的后续金属切削加工量，获得全纤维高性能的挤压件，从而提高车身骨架的强度性能和可靠性。
日本本田公司的Insight采用伺服控制（CNC）挤压法开发了具有连续变化断面结构的铝合金前纵梁，其断面为正六边形，该工艺挤压过程中由于模具结构的简化而无需停机换模，克服仿形尺运动轨迹的限制，免除焊接部位薄弱环节，在保证原有刚度及吸能性特性的同时，与原钢结构相比减重效果达37%，同时与冲焊产品相比节材20%～30%，模具费用降低20%～30%，成本降低40%～50%。
韩国KITECH研究所（Korea Institute of Industrial Technology）进行了变截面型材的伺服控制挤压成形技术研究，取得很好的进展。
尚需进行研究的重点内容包括：
（1）用于车体骨架具有高强度、高韧性、良好焊接性能及挤压成形性能的铝合金材料开发。
（2）集挤压工艺、电比例控制、多液压缸协作运行、计算机实时控制技术为一体的铝车身框架型材伺服控制挤压－弯曲成形装备研制开发。
（3）闭环恒速控制、衰减（等温）挤压控制、在线精密水/雾/气淬火控制冷却、后置平面牵引、弯曲导向装置等系统的配置方案。
（4）基于变速变载液压伺服控制的挤压－弯曲－淬火－体化成形夹具及模具设计制造关键技术。
（5）基于PID控制的等温挤压工艺参数优化以及大型材热处理、精整、矫直、弯曲成形工艺参数确定。
（6）挤压－弯曲成形工艺有限元仿真及成形工件微观组织预测。
4.结构件铸造（铸铝）成形技术
铝合金车身框架结构（ASF）制造技术是奥迪公司的一项核心技术，在这一领域他们进行了长达20年
的研究和开发，其车身框架由铸造和液压成形的铝合金部件组合而成，包括35%的高精度铝合金铸造件、22%的挤压成形铝合金件、35%的铝合金板材（见图6，其中褐为铸件结构）。其中车身框架的链接件多为铝合金铸件，此类铸件起到连接车身各铝材的作用，是主要的承力部件，要求具有较高的强度。为了满足使用需要，车身铝合金铸件多为复杂薄壁结构。由于此类铸件的结构特点，以及汽车产业大批量生产的需要，采用传统的铸造工艺已无法满足要求，国外目前制造铝合金车身铸件大多采用真空压力铸造和特种挤压铸造等新的压挤铸造工
艺技术。
图6 铝合金车身结构示意图
1.侧梁
2.后车身和中底板结构
3.前座椅横梁
4.隧道梁
5.后座椅横梁
6.后纵梁
7.铸件连接件
8.B柱
9.侧部结构10.前隔板 11.挡泥板座架 12.减振支柱的支承座 13.踏板横梁
14.前车身 15.纵梁 16.前挡泥板 17.前隔板纵梁
真空压力铸造以及特种挤压铸造是国际上新出现的新型铸造技术。真空压力铸造与普通压铸相比，增加了抽真空操作，可将型腔中的气体抽出，金属液在真空状态下充填型腔，减少了卷入的气体，铸件可进行热处理，力学性能高于普通压铸件。特种挤压铸造不仅可实现液态金属挤压成形而且还可实现处于半固态的金属浆料挤压成形，此浆料具有较好的流动性以及球状显微组织，可成形较为复杂的铸件，而且铸件具有优良的力学性能以及较高的近终成形程度。上述两种特种铸造工艺技术都具有很高的生产效率，非常适合汽车领域大规模
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