車輛輕量化技術(shù)中所進(jìn)行的合理化努力

1、車輛輕量化技術(shù)中所進(jìn)行的合理化努力1 前言2005年款雷杰都車上根據(jù)構(gòu)造的最佳化和材料的置換等，與原來(lái)車型相比實(shí)現(xiàn)了151kg的輕量化。在材料置換上，積極地采用了高強(qiáng)度材料和鋁、鎂等輕合金材料、CFRP等。特別是以車身和底盤為重點(diǎn)采用了輕合金材料，對(duì)這些部件，在總體上可以進(jìn)行102kg輕量化。輕合金材料的材料置換對(duì)象部件的選定，具體的是從對(duì)于提高操縱穩(wěn)定性影響較大的、距離車輛重心較遠(yuǎn)的部件以及對(duì)乘坐舒適性和減輕振動(dòng)效果較高的懸架部件來(lái)進(jìn)行選定的。在通過(guò)材料置換來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化當(dāng)中，作為課題之一的就是成本的增加。針對(duì)該課題，希望根據(jù)部件構(gòu)造和材料以及制造方法的合理化來(lái)加以解決。在本文章當(dāng)中，以針對(duì)原

2、來(lái)技術(shù)，大幅度地實(shí)現(xiàn)了合理化了的鋁制閉合板類和鋁制副車架、鋁制懸臂為中心，就其開(kāi)發(fā)技術(shù)的概要進(jìn)行解說(shuō)。圖1表示的是這些部件。圖1 主要適用鋁制的部件2 板類的鋁制化2.1 努力的思路由于外板部件鋁制化的輕量化效果大，因此從原來(lái)就開(kāi)始在NSX和S2000、INSIGHT等上就已經(jīng)采用了。另外，鋁制板類部件與鋼板制部件相比，存在著成形性下降和制造成本增加等問(wèn)題，這也是一個(gè)需要解決的課題。針對(duì)這些課題，在成形性上，適當(dāng)采用利用了鋁特有的熱時(shí)超塑性現(xiàn)象的吹塑成形技術(shù)，來(lái)提高成形性。再有，在制造成本方面，首先是在吹塑成形部件上，根據(jù)縮短成形周期和適當(dāng)使用通用材料來(lái)降低材料費(fèi)用。在進(jìn)一步，也是研究連續(xù)鑄造

3、軋制材料對(duì)冷沖壓件的適用性，其目的在于削減材料費(fèi)用。特別是針對(duì)利用本制造方法當(dāng)中較為出色的凝固速度，根據(jù)金屬間化合物無(wú)害化，來(lái)降低基體金屬費(fèi)用的這種連續(xù)鑄造軋制材料也進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。2.2 高速吹塑成形技術(shù)（1）高速吹塑成形法 原來(lái)的吹塑成形法周期長(zhǎng)，在中等規(guī)模以上生產(chǎn)臺(tái)數(shù)的情況時(shí)，其制造成本大幅度增加。因此，如圖2所示那樣，將材料在成形之前進(jìn)行了急速地預(yù)加熱之后，投入根據(jù)加熱體保持了高溫了的模具中，然后，再以原來(lái)3倍的成形壓力加壓成形，以此來(lái)縮短材料以及模具的加熱時(shí)間和吹塑成形的時(shí)間。除此之外，再根據(jù)模具并列配置等，使生產(chǎn)性比原來(lái)提高了12倍。圖2 高速吹塑成形法的概要（2）塑成形用材料 在表皮

4、上，開(kāi)發(fā)了廉價(jià)的Al-Mg系列的吹塑用材料。原來(lái)的材料是如圖3所示那樣，經(jīng)過(guò)16道工序的熱處理和冷軋，使結(jié)晶顆粒細(xì)微化，以此來(lái)創(chuàng)造出超塑性特性，和根據(jù)控制吹塑成形時(shí)的氣穴和結(jié)晶顆粒的粗大化，來(lái)確保其機(jī)械特性。在本開(kāi)發(fā)當(dāng)中，把在吹塑成形時(shí)的熱塑性變形工序當(dāng)中所引起的組織變化動(dòng)態(tài)，考慮為板制造工藝流程的一個(gè)工序，在吹塑成形結(jié)束之后，為了獲得健全的材料組織，省略或者廢除熱軋以及冷軋工序和最終的調(diào)質(zhì)處理。通過(guò)以上的材料制造工藝流程和材料成形工藝流程的綜合性合理化，可以達(dá)到降低成本的目的。在車架方面上，新開(kāi)發(fā)了以具有與表皮材料同等鎂含量的JIS 5182-H18為基礎(chǔ)的、廉價(jià)化了的材料，并且進(jìn)行了運(yùn)用。

5、原來(lái)的JIS材料，如圖4所示那樣，在吹塑成形時(shí)，結(jié)晶顆粒粗大，機(jī)械特性控制十分困難。開(kāi)發(fā)的材料，在合金規(guī)格內(nèi)，可以使錳和鉻的成分量最佳化，控制氣穴和結(jié)晶顆粒粗大化，能夠獲得健全的組織。圖3 吹塑成形用表皮材料的比較圖4 吹塑成形用車架材料的比較2.3 連續(xù)鑄造軋制技術(shù)在加強(qiáng)板方面，采用了新開(kāi)發(fā)的連續(xù)鑄造軋制AI-Mg系列的合金，降低了材料制造費(fèi)用和基體金屬費(fèi)用。連續(xù)鑄造軋制法與從原來(lái)的大型扁坯鑄造塊，經(jīng)過(guò)軋制工序而制造的Direct Chill slab軋制法（DC）不同，它是經(jīng)過(guò)從鋁熔融金屬連續(xù)地直接鑄造了約6mm的鋁薄板鑄造板之后的軋制工序而獲得產(chǎn)品。因此，可以將制造工序由原來(lái)的11道工序

6、減少到5道工序，這樣的話就可以降低制造費(fèi)用?；w金屬費(fèi)用由于材料含鐵量的增大而降低了。但是，一般來(lái)說(shuō)，鐵的含有量增大之后，延伸率下降，可是，按照連續(xù)鑄造軋制法，根據(jù)特有的快速凝固速度，使結(jié)晶顆粒以及金屬間化合物細(xì)微化，再進(jìn)一步使錳的含有量最佳化，以此來(lái)確保了延伸率。具體來(lái)說(shuō)，即使是在鐵多，錳少的情況下，也觀察不到粗大的金屬間化合物，只是細(xì)微的鐵系列金屬間化合物結(jié)晶，能夠維持延伸率。但是，隨著錳的減少，材料的強(qiáng)度也會(huì)隨之下降，因此，再進(jìn)一步地增添鐵，來(lái)改善強(qiáng)度。正如圖5所示那樣，可以清楚地知道，結(jié)晶了的金屬間化合物比DC材料更加細(xì)微化。表1當(dāng)中表示的是主要開(kāi)發(fā)材料的機(jī)械特性。根據(jù)上述開(kāi)發(fā)，在閉合

7、板類上，通過(guò)提高成形性和提高生產(chǎn)性，削減制造費(fèi)用和基體金屬費(fèi)用，可以獲得合理化的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)整體較高的構(gòu)思。圖5 金屬間化合物的比較表1 開(kāi)發(fā)材料的特性項(xiàng)目吹塑成形用冷沖壓成形表皮用材料車架用材料車架用材料工藝流程DC法DC法連續(xù)鑄造軋制法組成相當(dāng)AL-4.5wt%MgJIS 5182-H18AL-3.3wt%Mg-0.5wt%Fe機(jī)械特性耐力（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）疲勞強(qiáng)度（MPa）125以上275以上16以上-80以上200以上12以上-11923927118（w:107）適用部位TrunkFenderTrunkStiffner(Hood,Trunk)3 副車架的鋁制化3

8、.1 努力的思路在副車架上將材料和制造方法最佳化了的構(gòu)成部件，配置在適合該材料的適當(dāng)部位，采用鋁混合構(gòu)造，目的在于實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品性能和部件的綜合化這一雙重目的。具體的是，當(dāng)為橫置發(fā)動(dòng)機(jī)用浮動(dòng)懸置形式的前副車架的情況時(shí)，外形尺寸和投影面積極其的大，用壓鑄制造方法等的整體成形極其困難。因此，采用連接車架結(jié)構(gòu)，在車架縱梁采用熱膨脹制造方法，以此來(lái)持續(xù)維持伸展材料的較高韌性，目的在于部件的統(tǒng)一化。在后車身龍骨架上采用高真空壓鑄，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)部件的集中和斷面系數(shù)的增大。圖6以及表2上表示的是構(gòu)成部件的制造方法和材料。圖6 前副車架 表2 前副車架構(gòu)成部件的制造方法和材料構(gòu)成部件制造方法材料Front mem

9、berRear memberLeft memberRight memberBrackets擠壓高真空壓鑄熱膨脹擠壓壓鑄A5052Al-Si-Mg系列開(kāi)發(fā)合金Al-Mg系列開(kāi)發(fā)合金AC4CH-T63.2 熱膨脹制造法對(duì)副車架，作為膨脹制造方法之一的液壓成形制造法，從原來(lái)一直沿用至今。本制造方法由于是成形自由度比較高的常溫塑性加工，因此，作為成形性能指標(biāo)的周長(zhǎng)變化率（針對(duì)管坯周長(zhǎng)的成形后的周長(zhǎng)比率）為30%左右。為了構(gòu)造的更加合理化，需要增大周長(zhǎng)變化率。在解決本課題時(shí)，如圖7所示那樣，注重鋁熱時(shí)的特性（1）-（3），新開(kāi)發(fā)了在熱間的擴(kuò)管成形法。它的工序是如圖8所示，首先利用管坯的內(nèi)部阻力，根據(jù)直流

10、電流的通電，來(lái)急速加熱管坯。接下來(lái)是，用擴(kuò)管和成形的的多道工藝，進(jìn)行擴(kuò)管成形。特別是擴(kuò)管時(shí)，用根據(jù)軸推動(dòng)的材料供給，可以控制板厚。其結(jié)果是周長(zhǎng)變化率提高到了90%。再有，用氣壓的成形成為了可能，其壓力與液壓擠壓成形相比，為1/100以下，因此生產(chǎn)設(shè)備可以小型化。針對(duì)熱間大變形加工當(dāng)中，作為所特有的材料質(zhì)量缺陷的顆粒粗大和氣穴，以新調(diào)制了材料成分的材料開(kāi)發(fā)和成形條件的最佳化，來(lái)控制這些情況的發(fā)生，確保材料特性。圖7 材料溫度對(duì)耐力和延伸率的影響圖8 熱膨脹工序的概要3.3 高真空壓鑄技術(shù)本開(kāi)發(fā)追求的是使用通用高速型壓鑄機(jī)，制造出高韌性、可焊接這種質(zhì)量的產(chǎn)品系統(tǒng)。提高韌性主要是靠壓鑄合金的開(kāi)發(fā)來(lái)加

11、以解決。壓鑄合金作為機(jī)械特性和鑄造性出色Al-Si-Mg系列的合金，熱處理為T5，以此，廢除了熱處理后的應(yīng)變矯正工序。另外，原來(lái)的Al-10Si-Mg共晶系列合金，再T5熱處理下，除了韌性下降之外，還存在在焊接時(shí)的施工條件管理范圍狹窄的問(wèn)題。研究的結(jié)果是，將材料基本成分作為Al-8Si-Mg亞共晶系列合金，然后，使微量添加合金最佳化，以此可以減少Al-Si共晶組織，進(jìn)而提高在合金熔化狀態(tài)下的粘性，這樣的話就可以解決上述的問(wèn)題了。圖9表示的是在產(chǎn)品當(dāng)中的金屬組織的確認(rèn)結(jié)果。由此可以確認(rèn)，針對(duì)原來(lái)合金，Al-Si共晶組織和Al-Mn-Si金屬間化合物的析出量減少了。機(jī)械特性如圖10所示，其延伸率和

12、擺錘沖擊值，與原來(lái)合金相比，得到了提高。圖9 開(kāi)發(fā)合金的金屬組織圖10 開(kāi)發(fā)合金的材料特性可焊接的質(zhì)量靠降低含有的氣體量來(lái)加以解決。具體的情況是，首先是用鑄造模擬對(duì)模具方案和鑄造條件的最佳化進(jìn)行了討論。另外，減少了造成氣體發(fā)生原因的離模劑和潤(rùn)滑劑的涂布量。再對(duì)模內(nèi)進(jìn)行減壓，高真空化，以此來(lái)吸引除去氣體。真空吸引位置布置在了其效果最高的熔融的最終填充部分（4）等幾處。根據(jù)采取了這些的努力，在壓鑄件中的氣體含有量達(dá)到了5cm3/100gAl以下，另外，其成分，85-95%為H2、殘余部分為N2和其它氣體。其結(jié)果是能夠獲得了充分的MIG焊接質(zhì)量。壓鑄焊接質(zhì)量，如圖11所示那樣，隨著氣體含有量的增大，

13、氣穴也隨之增大，而造成明顯的質(zhì)量惡化。本開(kāi)發(fā)是，在降低氣體含有量的基礎(chǔ)上，確保焊接部分表面的清潔度和使焊接時(shí)入熱量的最佳化，以此，可以實(shí)現(xiàn)在工序上的管理。圖11 氣體含有量對(duì)焊接縫斷面質(zhì)量的影響根據(jù)以上結(jié)果，與原來(lái)的鋁制前副車架相比，分別可以減少了部件件數(shù)67%、焊接長(zhǎng)度55%、質(zhì)量10%、制造成本20%，除此之外，還使剛性和尺寸精度得到了大幅度地提高。4 懸架的鋁制化4.1 努力的思路作為汽車用鋁制懸架臂制造方法之一的就是從原來(lái)就被廣泛應(yīng)用的熱鍛造制造方法。鍛造材料使用的是連續(xù)鑄造鐵坯的情況時(shí)，以去除鐵坯表面質(zhì)量不良部分為目的，需要鐵坯的去皮（脫層）。本工序，由于材料利用率低下、制造工藝以及

14、設(shè)備的投資增大等原因，造成產(chǎn)品制造成本上升。本開(kāi)發(fā)根據(jù)廢除了該脫層工序來(lái)將低了成本。圖12表示的是適用部件的外觀。圖12 前下懸臂（制造方法：熱鍛造 材料：A6061-T6）4.2 無(wú)脫層連續(xù)鑄造鐵坯技術(shù)作為連續(xù)鑄造鐵坯的鑄造方法，有從原來(lái)就被廣泛使用的DC鑄造法。該鑄造法由于是由鑄型和冷卻水的二道冷卻工序，因此，鐵坯表面質(zhì)量下降。作為解決的方法就是，采用斷熱鑄型（5），成為只是冷卻水的一道冷卻工序。如圖13所示，在鑄型材料中采用熱傳導(dǎo)性優(yōu)良的石墨，以降低熔融中心部和鑄型附近部分的溫度梯度。鑄型固定在陶瓷制的托架上，以確保斷熱性。（見(jiàn)原稿圖）圖13 利用了斷熱鑄型了的連續(xù)鑄造方法的概要為了再進(jìn)

15、一步地獲得穩(wěn)定的平滑表面，因此，強(qiáng)化了鐵坯凝固開(kāi)始時(shí)的凝固皮膜。強(qiáng)化在A6061合金的情況時(shí)，添加了100ppm左右的鈣。其結(jié)果是如圖14所示那樣，開(kāi)發(fā)的鐵坯表面質(zhì)量比原來(lái)的材料還要平滑，其內(nèi)部質(zhì)量也得到了改善。在原來(lái)材料上所看見(jiàn)的7mm粗大的晶粒層，在開(kāi)發(fā)的材料上得到了解決。只能確認(rèn)到150µm左右的冷硬層。除此之外，由于采用了根據(jù)直接水冷的急速冷卻，結(jié)晶顆粒也細(xì)微了，也消除了鎂濃度偏析。圖14 鐵坯表面質(zhì)量的比較在確認(rèn)開(kāi)發(fā)的鐵坯上特有的冷硬層以及添加鈣所產(chǎn)生影響的時(shí)候，不僅只是首先看了有無(wú)冷硬層，主要的機(jī)械特性也是同等的，但是，開(kāi)發(fā)材料的疲勞強(qiáng)度比原來(lái)的材料提高了約20%。其主要

16、的原因可以考慮為，根據(jù)冷硬層的表面強(qiáng)化和急速冷卻的結(jié)晶顆粒的細(xì)微化所實(shí)現(xiàn)的。另外，在從鍛造懸臂制件內(nèi)部切取采用的試片來(lái)確認(rèn)鈣的添加所產(chǎn)生影響的時(shí)候，如圖15所示那樣，主要的機(jī)械特性與原來(lái)的材料是同等的。但是，擺錘沖擊值比原來(lái)提高了25%。這可以考慮為主要是根據(jù)結(jié)晶顆粒的細(xì)微化所產(chǎn)生的效果，同時(shí)也沒(méi)有確認(rèn)到在開(kāi)發(fā)當(dāng)初所擔(dān)心的，由于鈣的添加而造成的Mg2Si析出量降低，隨之材料強(qiáng)度降低的現(xiàn)象（6）。圖15 添加鈣對(duì)機(jī)械特性所帶來(lái)的影響除了上述的材料評(píng)價(jià)之外，還對(duì)耐腐蝕性和強(qiáng)度、耐久性等進(jìn)行了評(píng)價(jià)，確認(rèn)了它具有與原來(lái)材料同等部件適合性。而根據(jù)本開(kāi)發(fā)可以降低部件材料費(fèi)20%。5 總結(jié)根據(jù)上述的技術(shù)開(kāi)發(fā)，可以大幅度地減少由于小型化而帶來(lái)成本增加。它也是十分有效的，適用于車身和底盤的輕合金材料，在車輛質(zhì)量上所占的比例如圖16所示，與原來(lái)型車輛相比的話，增大到了3.7倍。圖16 在車輛質(zhì)量中輕合金材料所占比率本結(jié)果是，在較高的運(yùn)動(dòng)性能和舒適性的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)在外板部件上原來(lái)鋼板所難以實(shí)現(xiàn)的較高的思路創(chuàng)意，大幅度地提高商品性，與此同時(shí)，還能夠達(dá)到與原型車輛同等的燃油經(jīng)濟(jì)性。6 今后的努力方向預(yù)計(jì)，今后對(duì)提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、提高舒適性等