车身设计及制造工艺新技术研究_杨伟国.pdf

AUTO TIME 131 AUTOMOBILE DESIGN|汽车设计 时代汽车车身设计及制造工艺新技术研究随着人们经济水平日益提升，对汽车的要求越来越高，汽车更新换代时间不断加快，汽车竞争市场日益激烈。在当前大力倡导低碳环保的环境下，新能源汽车逐渐成为汽车行业发展的主力军，为了进一步推动汽车行业的健康发展，还需要在车身设计与制造工艺两方面加快新技术的研发与应用，确保汽车满足节能减排与舒适安全的需求。1汽车车身设计新技术1.1计算机辅助造型设计技术随着汽车技术的不断发展与改进，人们审美能力与需求的不断提高，汽车造型也随着时代潮流变化而不断更新，由最初的箱型逐渐朝着多元化的流线型造型演变。汽车造型设计师需要确保设计出的汽车造型不仅满足汽车驾驶功能需求，还需要符合人们的审美要求。现代汽车造型设计不仅要体现在功能方面的发展变化，还需要推动科技、生活、文化观念、审美等方面的有机结合。随着计算机图形学与几何设计的不断发展，在车身造型设计中引入计算机辅助系统（CAD/CAM 软件），借助计算机构建车身三维数字化模型。计算机辅助造型技术主要应用在车身造型的草图设计与自由曲面设计中，一是草图设计，主要是满足设计师传统手绘习惯衍生出的造型技术，是传统 CAD 系统与工业设计的桥梁，借助人机交互技术模拟设计手绘，并采用草图重建技术建立草图CAD 系统对车身造型进行设计。二是自由曲面设计，车型造型的自由曲面设计是计算机辅助造型设计中的重要内容，曲面特征设计是自由曲面设计的重要环节，其包括基本车身表面设计、车身移动特征设计与串通图形设计。通过计算机辅助造型设计可以减少汽车模型制作步骤，降低工作强度，提升模型制作的精准度，为后续工艺制作提供数学模型。1.2环状结构车身设计技术汽车车身结构设计是在造型设计基础上开展的车身强度与功能设计，最终目的是设计出合理的车身结构型式。车身结构设计是整个车身开发设计的关键所在，结构设计需要兼顾造型设计要求、结构性能与强度要求。良好的结构设计可以在减少汽车整体质量的基础上改善整车性能，降低制造成本1。环状结构车身设计的目的是实现高性能、低成本与轻量化为一体的车身结构，在汽车杨伟国清华大学苏州汽车研究院（吴江）江苏省苏州市215200摘 要：我国在不断实现碳中和与碳达峰的发展目标中，汽车行业的发展迎来新局面。节能减排、轻量化、安全舒适成为当前汽车主要发展方向，为了满足这些需求，在汽车车身设计与制造工艺方面逐渐研发出新技术，为汽车行业的发展增添新动力。本文分别对车身设计新技术与制造工艺新技术进行分析，并探究新技术在新能源汽车中的应用，及时掌握新能源汽车的发展趋势，以便推动汽车行业可持续发展。关键词：车身设计制造工艺新技术Research on New Technologies for Body Design and Manufacturing ProcessesYang WeiguoAbstract：In Chinas continuous realization of the development goal of carbon neutrality and carbon peaking,the development of the automotive industry has ushered in a new situation.Energy saving,emission reduction,lightweight,safety and comfort have become the main development direction of automobiles.In order to meet these needs,new technologies have been gradually developed in the design and manufacturing process of automobile bodies,adding new impetus to the development of the automotive industry.This paper analyzes the new technology of body design and manufacturing process,and explores the application of new technology in new energy vehicles,so as to grasp the development trend of new energy vehicles in a timely manner,and so as to promote the sustainable development of the automotive industry.Key words：body design,manufacturing process,new technology132 AUTO TIMEAUTOMOBILE DESIGN|汽车设计车身设计中工程师需要确保车身拓扑结构、框架设计适应不同车身材料变化。环状结构车身设计中需考虑连续性、连通性与性能要求，一是连续性要求，确保车身钣金焊接构成的封闭环状结构任意部位具备半封闭或封闭截面，减少截面突变现象的发生，进而避免刚度降低。在环状结构路径连接处与接头部位确保截面在荷载传递上完全对接。二是连通性要求，车身骨架沿着较短路径可以形成闭环结构，环状结构不局限于方形或圆形，也可以是立体空间或平面，只有具备封闭结构且具有较强的整体刚度与变形协调能力，才能够达到防御效果，促使荷载快速分流。三是性能要求，车身骨架在满足环状结构连通性与连续性要求的基础上还需要实现抗压、抗扭、抗弯与抗变形等性能。车身环状结构如图 1 所示。图1车身环状结构1.3车身新材料设计技术在汽车行业与科技发展过程中，越来越多的新型材料技术应用在汽车车身中，如软钢板、镁铝合金、高强度钢与复合材料等。这些新型材料的使用可以实现汽车车身轻量化，达到节能减排效果。例如，在现代化车门盖车身附件结构技术发展不断完善与成熟的过程中，如果单纯依靠结构优化对车门质量进行提升，还无法达到最佳效果。需要加强新材料的应用，确保车门达到轻量化要求。宝马 E60 车门外板使用的BH 钢材料，不仅具有高强度性能，还具有抗拉、抗变形效果。车身骨架结构中的安全性构件主要包括顶盖横梁、车门防撞杆、前后纵梁、ABC 柱、前后保险杠等，这些确保车身安全的构件复杂程度不同，但具有确保乘车人员安全的同一目的。而这些零部件的材料采用的是新型材料技术，在新型材料应用中可以有效满足一下几方面的需求：一是新型材料可以满足车身相对较高的静态力学性能需求；二是新型材料可以满足快速成型与良好焊接性能；三是新型材料可以满足车身较高的动态力学性能需求。在车身设计中通常应用的新型材料包括低碳钢、高强度钢、镁铝合金、非金属复合材料等，这些新型材料技术应用在车身设计中，能够在满足车身性能的同时，可以达到轻量化需求。2汽车制造工艺新技术2.1车身制造新成形技术消费者经济水平的不断提升，对汽车要求也随之提高，传统的汽车制造工艺无法满足当前车身结构设计要求，在新型材料的应用与车身结构技术的创新中，汽车新成形技术也随之产生。在汽车制造期间采用新型成形技术制造车身，不仅可以确保车身锻造工作质量，还可以提高工作效率。在汽车制造中还需要根据生产需求采用新成形技术制造工艺锻造车身，促进汽车生产效率的提高。汽车车身制造工艺中新成形技术包括内高压成形技术与热成形技术两种。一方面，内高压成形技术是液力成形技术的一种，该技术主要通过轴向加力补料与内部加压处理，将管状坯料借助高压将其压缩到模具腔内，制成各种汽车所需的零部件。该技术主要应用在薄壁型与变径管的铜管零部件制造中，该零部件主要应用于散热支架、底盘架构、车身框架等部位。与传统成形技术相比，内高压成形技术可以提高材料利用率，减少生产成本，有利于提高零件刚度与强度。另一方面，热成形技术是借助板材中应力与内部温度相互作用的一种技术，使用热成形技术应用在加工板材材料中具有明显的不变温度场特点，板材力学性能的改变会直接影响到应力场的变化，这种变化会直接返回到温度场。该技术制造的板材具有较强的抗碰撞性、抗变形与抗开裂性特点，在汽车车身制造中得到广泛应用2。例如，该技术制造的板材通常应用在大众汽车保险杠骨架中与 AB 柱中，如果汽车在行驶中发生外力冲击，该技术制造的板材可以减少对乘车人员的损伤。2.2车身制造新焊接技术在汽车车身制造中，焊接技术是基本的制造技术之一，随着焊接技术的不断发展与改进，激光焊接、等离子焊接与气体保护焊接等新型焊接技术得到广泛应用。一是激光焊接技术，其主要借助高能量高密度激光束作为热源熔化钢板达到衔接效果。激光焊接具有速度快、精准度高、适应性强等优质，同时对操作人员要求较高。二是等离子焊接技术，主要借助高强度等离子束对材料特殊熔化处理，焊接孔会随着等离子弧前移而封闭，达到抗变形效果。其焊接韧度强、车体表面美观、生产效率高等优势，能够降低日常维护成本。三是气体保护焊接技术，主要借助外架气体作为电弧介质保护焊接区与电弧焊，CO2 气体保护焊是一种高效焊接技术，具有变形小、成本低等特点，在汽车车身制造中应用广泛。2.3一体化压铸技术一体化压铸技术借助大吨位压铸机将分散、多个铝合金零部件高度集成，一次成型压铸为 1-2 个大型铝铸件，该技术将传统的汽车制造工艺中的冲压与焊接两大工艺合成一体形成一体化压铸技术，不仅改变传统汽车制造工艺流程，还从思维上对传统制造汽车方式进行改造。一体化压铸技术可以减少汽车制造工作流程，简化制造工艺步骤，缩短制造时间，提高生产效率。3车身设计与制造工艺新技术在新能源汽车中的应用3.1新型材料促使车身轻量化在当前全球提倡环保、低碳经济发展的环境下，新能源汽车产业逐渐成为汽车产业发展的目标与导向，新能源汽车的轻量化是大势所趋，满足节能减排与新能源发展需求。通过汽车新型材料的合理使用可以达到汽车轻量化的目的。一方面，聚双环戊二烯（PDCPD）工程塑料在新能源汽车中的应用。PDCPD 材料是一种较强的机械物理综合性新型工程材料，具有抗冲击、韧性强、高热变形温度、抗老化、耐腐蚀、抗震、设计美观灵活等优势，该材料在满足车身轻量化的基础上可以具备AUTO TIME 133 AUTOMOBILE DESIGN|汽车设计 时代汽车较强的冲击性优势，在汽车门板、汽车件、轮眉等零部件中得到广泛应用。例如，美国热雷克斯、卡特彼勒等公司与日本小松、建机等公司对该材料进行多年的研发与应用。山东科荣化工企业经过 3 年自主研究出性能稳定的聚双环戊二烯产品。该材料在比亚迪、一汽大众汽车外观附件盖上得到广泛应用。另一方面，高强度钢材料在新能源汽车中的应用。主要是对普通钢板进行强化处理，具有较强的抗拉性，在汽车零件中使用的高强度钢抗拉强度高达 600-800MPa，该材料的应用主要目的是减轻冲压件重量、节能与降低成本。通常将高强度钢应用在汽车面板上，如车门、车顶等部件中，在确保材料成型的基础上提高材料的凹陷性与减轻重量，进而达到延长续航目的。例如，在本田Insinght 的车身结构中大量使用 780、980、1500MPa 等不同强度的高强度钢材料，有效减轻车身重量。3.2新成形技术提高生产效率新能源汽车的发展势头迅猛，为了确保新能源良好的续航能力，汽车轻量化发展逐渐成为必然趋势，新型材料的应用是轻量化实现的主要途径。新材料的不断发展与应用推动了新成形技术的发展。在新能源汽车中新成形技术得到广泛应用，对提高汽车制造的生产效率具有极大促进作用。一方面，内高压成形技术的应用。汽车车身框架、底盘等零部件材料均需要内高压成形技术处理，内高压成形技术有利于提高汽车车身良好的结构连续性，同时可以节约材料与成本，进一步提高生产效率。内高压成形技术也是实现车身结构轻量化的一种先进制造技术，在汽车散热器支架、汽车发动机托架的零部件中采用该技术处理，可以有效降低材料重量3。例如，福特汽车采用内高压成形技术制造汽车 A、B 柱，代替原有的热压印焊接薄板制造车顶结构。广东思豪内高压科技企业主要研发智能内高压成形装备，先后为本田、一汽大众、东风等汽车提供内高压成形装备，同时内高压成形装备远销日本、韩国、北美等国家。另一方面，热成形技术的应用。热成形技术制造的零部件性能直接受到板材组织结构影响，而板材组织结构是由热成形技术与板材本身决定，目前常用的热成形板材包括高强度钢板与铝板。热成形板材具有抗碰撞、质量轻、抗腐蚀等优势，在汽车车身中的应用比较广泛。例如，马自达、奥迪等厂家研发出全铝车身，铝合金不仅所需投资小，且生产效率高，是钢材吸收冲击能力的两倍，在未来汽车发展中逐渐会取代钢板。奇瑞新能源汽车使用全铝车身，在 B 柱外板与加强板中使用热成形钢，极大提高车身碰撞的安全性。3.3新焊接技术强化制造精准度新能源汽车成为汽车行业发展的焦点，其发展前景广阔。新焊接技术具有较强的精准度优势，其在新能源汽车中的应用比较广泛。在新焊接技术中激光焊接技术的应用比较常见，尤其是在新能源汽车电池中的应用。不同动力电池的焊接部位存在差异，如方形电池电芯需要在注液孔、封口与防爆阀等部位焊接；圆柱电池电芯需要在盖帽极耳、封口等部位焊接。不同材料的焊接工艺也存在较大差异，尤其是铝材电池壳体中焊接难度更大，需要更高的精准度。随着新能源汽车的不断发展，对配套电池的焊接精度与质量提出更高要求，对激光焊接工艺的研究也取得较大成果。例如，尚拓激光企业将激光焊接与自动化、智能系统相结合形成汽车动力电池全自动激光焊接生产，极大提升激光焊接的精准度。华工激光研发出各种汽车零部件激光焊接设备，研发的汽车车身顶盖激光焊接柔性生产线打破了国外企业的垄断地位。3.4一体化压铸技术推动规模制造在新能源汽车中一体化压铸技术得到广泛应用，该技术改变了传统车身制造流程，一体化压铸可大幅度简化冲压、焊接、涂胶等环节，使得车身整体制造流程得到极大简化。一体化压铸技术在新能源汽车中的应用，不仅可以达到轻量化、节约成本与提升效率的要求，同时，可以提升制造规模。该技术在特斯拉汽车中的应用比较普遍，特斯拉企业将一体压铸技术应用在Model Y后地板中，采用一体化压铸技术成 1-2 件大型压铸件替代原有的 79 个零件，将焊接点降到 50 个。同时，新型合金材料采用一体压铸技术处理后无须热处理，有效节省制造时间，将原有的 1-2 小时压缩至 3-5 分钟，极大提高生产效率与减少生产成本。特斯拉官方称一体化压铸技术为 Model Y 后地板制造节约了 20%制造成本。特斯拉将一体化压铸技术应用在Model Y 后地板中有利于提升制造规模，在有限时间中制造出更多汽车零部件。4结语综上所述，在汽车行业不断发展中，汽车车身设计与制造工艺不断创新，不断融入新技术，促进汽车行业的可持续发展。尤其是在新能源汽车异军突起的情况下，各种新技术不断涌现，通过对新车身造型结构的设计与新材料的应用，促使汽车车身设计更加符合时代发展需求；新的制造工艺技术如成形技术、焊接技术与一体化压铸技术在新能源汽车中的广泛应用，促使汽车生产效率不断提高，生产出的汽车产品更加符合现代人个人化需求。参考文献：1 吴波.汽车车身设计及制造工艺新技术研究 J.南方农机，2019，50（13）：1.2 杨瑞华，王桂优.汽车车身设计及制造工 艺 新 技 术 研 究 J.汽 车 博 览，2020（19）：21.3 余颖舜，李成瑶.汽车车身设计与制造工艺技术研究探讨 J.科学与财富，2019（30）：240.作者简介杨伟国：（1986.12），男，汉族，江苏省宿迁市人，本科，中级工程师。研究方向：汽车设计。