镁合金差厚板在车身轻量化中的应用浅析

[摘 要]分析了车身轻量化的目的及主要途径，重点介绍镁合金和差厚板在车身轻量化中的研究现状及取得的成效，指出镁合金差厚板在车身轻量化中的应用必将成为一种趋势。

[关键词]镁合金；差厚板；轻量化

中图分类号：U463.82 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0043-01

1 车身轻量化的目的及途径

城市化进程的加快，能源变得越来越短缺、环境污染越来越严重，节能减排成为关乎国计民生的重要事件。无论是传统汽车，还是新兴的新能源汽车都十分注重车身轻量化设计，以达到节能环保的目的。

大量研究数据显示，约75%的油耗与整车的质量相关，车身重量减少10%，燃油量减少6%～8%，车辆废气排放量减少也会显著；就新能源汽车而言，车身减重，续航能力将极大提高。

车身轻量化主要包括三个方面：结构轻量化设计、轻量化材料应用、先进制造工艺。结构轻量化设计是基于车身承载性能在概念设计阶段进行尺寸、外形优化，在车身性能数据分析阶段对进行拓扑优化及多学科优化；轻量化材料应用，用低密度轻质材料，广泛研究应用的材料有：高强度钢板、铝合金、镁合金、工程塑料等，优化材质，提高轻量化程度；先进制造技术，如液压成型、激光焊接等[1]。

2 镁合金

镁在我国储量丰富，密度低，强度高。与钢、铝合金相比较，比刚度高、电磁屏蔽性佳、减震及散热性好等特点。据新材料产业“十二五”发展规划，到2015年，高强镁合金板材、型材和压铸技术将取得新的进步，生产能力达到15万吨。

据美国能源部的数据，镁合金在轻量化材料中，减重效果达到30%～70%，仅次于碳纤复合材料。镁合金将成为汽车工业必须采用的材料，在欧洲和北美汽车的用量更是以每年15%左右的速度增长[2]。

国内对镁合金的研究较为深入，据国家专利局数据，2004年镁合金行业相关专利公开数量为105项，2012年为789项，并且保持直线增长趋势，其中对镁基合金、制造、热处理及加工的研究最多。

长安汽车研究院的刘波等人对某轿车车身前端采用镁合金材料改进结构进行轻量化设计，实验得到应力应变曲线及本构关系，并结合有限元对原车身和镁合金车身的刚度、模态和碰撞进行计算对比，结果显示后者减少车身零件的数目及加工工序，使原结构质量降低一半。重庆大学王清在其硕士论文中探讨了直通道线性剪切工艺，改善AZ31镁合金拉压不对称性[3]。泛亚汽车技术中心的吴迪等人探究了镁合金车身覆盖件的工艺，指出镁合金耐腐蚀性差、金属基体易、成本高等技术难点有待进一步攻克。

除此之外，各大汽车厂商也积极研发镁合金。欧洲正在研制和使用的镁合金汽车零部件有60多种，大众汽车用镁合金代替车身的车门防撞杆、车顶横梁、前后保险杠等。通用汽车全球首台“镁合金专用立式挤压铸造机”安装调试完毕，并试制首批工艺验证零部件；重庆科学院成功开发国内首台镁合金专用轧制设备，在镁合金轧制技术上取得了新的突破[4]。

3 差厚板

在激光拼焊板之后，具有表面质量好、强度高、成本低、轻量化程度高的差厚板出现。重量上，差厚板是等厚度板的80%，是激光拼焊板的60%，减重效果较明显。

HaugerA在博士论文里探讨了柔性轧制控制技术以及差厚板的制备工艺，还对差厚板的截面形状进行了分类[5]。KoppR等人提出了一种新的轧制工艺，研究指出：这种板料的应用范围包括具有适应载荷和优化载荷要求的不同厚度结构[6]。

同济大学杜继涛等探讨了差厚板在车身制造及轻量化中的应用，并将模糊重心理论应用于差厚板的工艺方案和轧制过程中进行研究[7]。东北大学刘相华团队对差厚板的成形性能、回弹稳健、轧制力学模型、轧制速度等进行了研究[8-9]。江苏大学姜银方等人探讨了压边力对差厚板U形件、方盒件的影响，通过数值模拟和正交优化方法优化了差厚板的成形参数，并分别对差厚板梁的回弹进行数值模拟[10]。

差厚板应用于连接件、加强件、框、梁等各种车身零部件上。东北大学与上海和达汽车配件公司、上汽集团合作，完成了长863mm，管外径为70mm，最薄处为1mm的差厚板管材[11]。

4 镁合金差厚板应用是一种趋势

根据汽车行业通用车身轻量化评价经验，依据评价公式如下：

L=M/（K・A）

其中：L―车身轻量化系数；M―白车身质量；K―车身扭转刚度；A―轴距与轮距乘积。

该指标指出车身轻量化系数越小，轻量化水平越高，进行车身轻量化研发的同时，需对车身安全指标、强度刚度等进行设定。

材料方面，高强度钢板的用量已达到50%以上。铝合金在车身的用量逐年增加：2014年欧洲需求量为316千吨，北美为204千吨，中国为48千吨，预计到2020年，欧洲的需求量将增加至685千吨，增加117%，北美为1312千吨，增加543%，中国为264千吨、增加450%，它们在车身轻量化中的应用已相对成熟。低密度镁合金是当今车身轻量化中最适宜的材料，而作为镁储量、原镁生产和出口的我国更应该积极投身于镁合金的开发应用之中，单纯依靠原材料出口永远在世界科技之林中占不了一席之地。

从轧制方法来看，差厚板是先进制造技术中较成熟的轧制技术，将差厚板的轧制技术应用于镁合金板材中，代替原有的普通钢材、高强度钢板及铝合金材料，必将是一种趋势。

参考文献

[1] 范子杰，桂良进，苏瑞意. 汽车轻量化技术的研究与进展[J]. 汽车安全与节能学报.2014（05）：02-04.

[2] 孟岩、潘建亮.汽车轻量化材料应用.技术与应用[J]，2010，18：24-27.

[3]汪清.AZ31镁合金特种型材挤压成形工艺及性能研究[D].重庆大学硕士论文.重庆：重庆大学.2013，05：57-59.

[4] 中国有色金属工业协会镁合金分会.2014镁工业十大事件[N].中国有色金属报，2015.01.03（007）.

[5] HaugerA.FlexiblesWalzenalskontinuierlicherFertigungsprozess fur TailorRolled Blanks[D]. Aachen：RWTHAachen， 2000.

[6] Kopp R，Bohlke P.A New Rolling Process for Strips with a Defined CrossSection [J].CIRP Annals Manufacturing Technology，2003，52 （1）：197-200 .

[7] 杜继涛，李艳华，费宏斌. 基于模糊重心理论的TRB工艺方案评价. Chinese Control and Decision Conference.2009，（09）.

[8] 田野.CR340冷轧差厚板的退火工艺及组织演变.东北大学硕士论文.沈阳：东北大学.2012，06：19-22.

[9] 张华伟.轧制差厚板成形性能研究.大连理工博士论文.大连：大连理工大学.2012，12：16-24.

[10] 姜银方，靖娟，王永良，袁国定，王友华，李新城. 变截面板放盒形件成型参数的正交实验分析. 模具工业.2009，07.

[11] 刘相华，高琼，苏晨等人.变厚度轧制理论与应用的新进展[J].轧钢.2012，06（29）.

通信作者

汤贵庭（1989―），男，陕西安康人，在读硕士研究生，主要研究方向为车身轻量化。