（机械工程专业论文）钢材利用率提升优化与控制.pdf

1 p - 一 e 合肥工业大学 啪删l | f j l j i 川圳删 y 1815 8 8 2 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 压渺痞岔7 庭 胃 翌压：y 牵和喀恸百亿司 、 己沁忡7 ij 觚渺缪矧磁 歌l 色久以郴卅务兹现l 像以郴以十缮务兹 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得 金日曼王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 、7， 厶1 岛 1 ，俨磊不 ， 签字日期：2 , 1 ，矿年月珀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金理王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆王些 2 盟可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：亏毳 签字日期：刀 ，年月j 、日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导 签 电话： 邮编： 钢材利用率提升优化与控制 摘要 汽车工业飞速发展，奇瑞公司作为只有10 年历史的自主品牌企业，不仅要 在合资品牌垄断的中国市场中拼出和占据一定的市场份额，还肩负着民族汽车 工业发展的重担，这就要求奇瑞必须制造出性价比高的产品。 在本文的研究中，通过与日韩系列同等车型相比较找出差距与定位，结合 公司的实际模式及流程，针对了车身冲压件材料进行研究分析，借助机械优化 原理，在排样优化、模具优化、试验优化方面对钢材利用率的优化原理进行了 阐述，部分借助计算机进行优化计算，得出相应优化方案；并且结合了汽车整 车项目开发设计的流程，对产品设计、工艺设计、模具设计、制造过程中存在 的钢材利用率低下的问题进行了优化，提出了排样优化、规格优化、边角料利 用、工序编排优化、一模两件( 多件) 、零件结构优化、新技术运用等多种具体 的优化方案。 本文不仅从技术方面提出了众多的优化方案，同时引入了管理优化的概念， 即通过管理优化来促进、协助、检验技术优化方案的实施，以及对技术优化流 程的再优化，确保为公司尽快、优质的体现出优化的效益。 通过对钢材利用率的优化与控制，充分体现出优化成果逐步形成了体系， 适合公司的需要，目前钢材利用率优化成为一个真正的系统的项目，并且在持 续不断的开展和创新。 关键词：钢材利用率；排样优化。t 模具优化；试验优化：管理优化 2 k 峰 _ o p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lf o rs t e e la v a i l a b i l i t y a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e mo fa u t oi n d u s t r y , c h e r ya st h eo n l y10 一y e a r - o l di n d e p e n d e n t b r a n d s ，n o to n l yi nt h ej o i n tb r a n do fm o n o p o l yi nt h ec h i n e s em a r k e ts p e l la n dt a k es o m e m a r k e ts h a r e ，b u ta l s os h o u l d e rt h eb u r d e no fn a t i o n a la u t oi n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，w h i c h r e q u i r e sc h e r yt op r o d u c ec o s t - e f f e c t i v ep r o d u c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es a m em o d e lw i t ht h ej a p a n e s ea n dk o r e a ns e r i e sc o m p a r e dt o i d e n t i f yg a p sa n dp o s i t i o n i n g ，c o m b i n e dw i t ht h ec o m p a n y sa c t u a lm o d e la n dp r o c e s sf o r t h eb o d ys t a m p i n gm a t e r i a l sa n a l y s i s ，u s i n go p t i m i z a t i o nt h e o r yw i t hm e c h a n i c a l ，t h e o p t i m a ll a y o u t ，d i eo p t i m i z a t i o n ，t e s to p t i m i z a t i o n ，o p t i m a lu t i l i z a t i o no ft h ep r i n c i p l eo f s t e e lw e r ed e s c r i b e d ，s o m eu s i n gc o m p u t e ro p t i m i z a t i o nc a l c u l a t e dt h ec o r r e s p o n d i n g o p t i m i z a t i o np r o g r a m ；a n dac o m b i n a t i o no fd e s i g na u t o m o b i l ep r o j e c td e v e l o p m e n t p r o c e s s ，p r o d u c td e s i g n ，p r o c e s sd e s i g n ，d i ed e s i g n ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s st h e r ei st h e p r o b l e mo fl o ws t e e la v a i l a b i l i t yw a so p t i m i z e dp r o p o s e dl a y o u to p t i m i z a t i o n ，s p e c i f i c a t i o n o p t i m i z a t i o n ，s c r a pu s e ，p r o c e s ss c h e d u l i n go p t i m i z a t i o n ，am o d e lt w o ( p i e c e s ) ，s p a r ep a r t s o p t i m i z a t i o n ，t h eu s eo fn e wt e c h n o l o g i e ss u c ha sm u l t i - s p e c i e ss p e c i f i co p t i m i z a t i o n t h i sn o to n l yr a i s e dm a n yt e c h n i c a la s p e c t so ft h eo p t i m i z a t i o np r o g r a m ，w h i l et h e i n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p to fm a n a g e m e n to p t i m i z a t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o nb ym a n a g e m e n t t op r o m o t e ，a s s i s t ，t e s t i n gt e c h n o l o g yt oo p t i m i z et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o g r a m ，a n d t h et e c h n o l o g yt oo p t i m i z et h ep r o c e s so f r e o p t i m i z a t i o n ，e n s u r i n gt h ec o m p a n ya ss o o na s p o s s i b l eq u a l i t yr e f l e c t st h ee f f e c t i v e n e s so fo p t i m i z a t i o n t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lf o r , t h er e s u l t sf u l l yr e f l e c tt h eg r a d u a lf o r m a t i o n o fas y s t e mo p t i m i z e df o rt h en e e d so ft h ec o m p a n y , t h ec u r r e n tt os t e e la v a i l a b i l i t yb e c o m e at r u es y s t e mo p t i m i z a t i o np r o j e c t s ，a n dc o n t i n u i n gt h ed e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o n k e yw o r d s ：s t e e la v a i l a b i l i t y ：l a y o u to p t i m i z a t i o n ：m o l do p t i m i z a t i o mt e s to p t i m i z a t i o n ； m a n a g e m e n to p t i m i z a t i o n - i j 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师董玉德教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了董玉德老师的心血，由衷感谢董玉德老师在学业 指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操， 老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必 将使我终身受益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢机械与汽车学院全体老师，他们的教诲为本文的研究提供 了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢人事处的领导和同仁们， 在我课程学习和论文撰写期间，给予我的大力支持。 感谢所有的同学给予的帮助。 4 作者：张磊一 2 0 1 0 年9 月3 0 日 目录 第一章绪论1 1 1 汽车工业发展概述i 1 1 1 国内外汽车研发的现状与差距1 1 i 2 国内外汽车制造的现状与差距2 1 2 汽车冲压材料应用趋势4 1 2 1 汽车冲压材料发展趋势4 1 2 2 汽车冲压材料现状及存在问题9 1 2 3 奇瑞在汽车板应用方面存在的差距1 1 1 2 4 奇瑞冲压材料选材库j 1 2 1 3 钢材利用率概述1 4 1 3 1 钢材利用率计算方法1 4 1 3 2 钢材利用率现状1 4 1 3 3 奇瑞公司在钢材利用率提升方面的进展1 6 1 4 本文拟解决的关键问题1 6 1 5 本文的内容安排1 6 第二章钢材利用率提升优化原理1 8 2 1 排样优化1 8 2 i i 排样优化的数学模型1 8 2 1 2 受限制条件1 8 2 i 3 排样优化的解法一一计算机辅助排样优化的方法1 9 2 2 模具优化2 2 2 2 1 受限制条件2 2 2 2 2 模具优化方案2 2 2 2 3 调试优化2 5 2 3 试验优化2 5 2 3 1 成形极限图( f l d ) 的概念2 6 2 3 2 成形极限图的试验方法2 7 2 3 3 成形极限图的应用2 7 2 3 4 成型极限图的局限2 8 2 3 5 不同钢厂同牌号的f l d 曲线图对比2 8 2 4 小结2 9 第三章钢材利用率提升技术优化方案! 3 0 3 i 工艺优化方案3 0 3 1 1 优化落料片排样3 0 3 1 2 减小毛坯规格3 1 1 3 1 3 废料利用3 2 3 1 4 利用原材料的负公差3 3 3 2 规划设计优化方案3 4 3 2 1 工艺编排优化3 4 3 2 2 模具设计优化3 6 3 2 3 新设备新技术的运用。3 8 3 3 产品设计优化方案4 1 3 3 1 材料的合理选用4 1 3 3 2 零件结构形状优化4 2 3 3 3 新产品技术的运用4 5 3 4 小结4 9 第四章钢材利用率提升管理优化方案5 0 4 1 库存管理5 0 4 1 1 对现场积压料、表面件的缺陷材料进行代用5 1 4 1 2 合理配比用料计划5 l 4 1 3 用量产零件的材料改成新品零件材料5 2 4 1 4 合理选用和搭配卷料5 2 4 1 5 建立余料处理流程5 3 4 2 推行原材料的剪切配送模式5 3 4 3 加强外委冲压材料的管理5 4 4 3 1 确保基础数据的准确性5 4 4 3 2 规范计划5 4 4 3 3 数据稽核5 5 4 3 4 合作机制5 5 4 4 重视数据的管理5 6 4 5 小结5 6 第五章总结与展望。5 7 5 1 总结5 7 5 2 存在的问题和工作展望5 7 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的论文。6 1 2 图1 - 1 图1 - 2 图1 - 3 图1 - 4 图1 - 5 图1 - 6 图1 - 7 图1 - 8 图1 - 9 图1 - 1 0 图1 - 1l 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 - 1 0 图2 - 1 1 图2 1 2 图2 - 1 3 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图4 - 1 插图清单 各类钢的性能5 b h 钢的典型应用5 高强度低合金钢的典型应用：6 双相钢和低合金高强度钢的性能对比6 高强度钢解决回弹的方案6 t r i p 金相组织7 孪晶诱发塑性钢的抗拉强度和延伸率应用范围8 热压成型钢成形工艺过程3 个阶段中抗拉强度和延伸率变化情况8 奇瑞汽车板应用趋势图1 3 奇瑞高强钢应用比例趋势图1 3 本文内容的体系结构框图1 7 “圆”的排样方式1 8 多边形法流程图2 0 “t 型”落料片2 0 “t 型 落料片排样方案2 0 “t 型 落料片排样优化方案( 1 ) 2 1 “t 型 落料片排样优化方案( 2 ) 2 1 “t 型”落料片排样优化方案( 3 ) 2 2 拉延件示意图2 3 f l d 一般形态2 6 f l d 实验过程2 7 成形极限图在网格法分析汽车零件上的应用2 8 成形极限图在有限元分析软件中的应用2 8 不同钢厂d c 0 4 - o 7 5 m m f l d 曲线图2 9 减小毛坯规格。3 l 废料利用排样图3 2 废料分块3 7 模中模j 3 8 翻边结构优化对比图。4 5 前门内板激光拼焊的方案4 6 副车架总成液压成型零件图4 8 余料处理流程5 3 3 插表清单 表i - i铝合金在车身零部件上的应用9 表1 - 2选材库明细表1 2 表i - 3奇瑞与日韩中级车钢材利用率对比1 4 表卜4奇瑞与日韩微型车钢材利用率对比1 5 表i - 5奇瑞与日韩s u v m p v 钢材利用率对比1 5 表2 - i拉延筋的分类2 4 表3 - i排样优化对比表3 0 表3 - 2减规格优化对比表3 1 表3 3废料利用优化对比表3 2 表3 - 4厚度公差表3 3 表3 - 5厚度公差对比表。3 3 表3 - 6拉延、修边工序与落料、成形工序对比表3 4 表3 - 7成双与单件对比表( 左右成双) 3 5 表3 - 8成双与单件对比表( 一模两件) 3 5 表3 - 9分切废料宽度对比表3 6 表3 - 1 0 落料片形状对比表3 6 表3 - 1 1 可以优化的落料片形状对比表3 7 表3 - 1 2 拉延筋修边线位置对比表3 7 表3 - 1 3 摆剪前后对比表( 梯形) 3 9 表3 - 1 4 摆剪前后对比表( 平行四边形) 3 9 表3 - 1 5 开卷落料前后对比表( 无废料) 3 9 表3 - 1 6 开卷落料前后对比表( 有废料) 4 0 表3 - 1 7 浅拉延工艺对比表4 0 表3 - 1 8 牌号定义对比表4 2 表3 - 1 9 分件与整体对比表4 2 表3 - 2 0 分件与整体数据对比表4 2 表3 - 2 1“伸出 部分对比表4 3 表3 - 2 2 焊接搭边值对比表j 4 3 表3 - 2 3 油箱口盖处结构对比表4 4 表3 - 2 4a 2 1 左侧围外板成形极限图分析表4 5 表3 - 2 5 各种不同方式的钢材利用率对比表4 7 表3 - 2 6s 1 2 前门内板钢材利用率对比表4 7 表3 2 7s 1 2 - b 柱加强板钢材利用率对比表4 8 4 表4 - i 代用方案表5 1 表4 - 2 合理配比用料计划方案表5 2 表4 - 3 卷料的合理选用、搭配表5 2 表4 - 4 用料计划的控制标准表5 5 5 第一章绪论 1 - l 汽车工业发展概述 2 0 0 8 年世界汽车产量排名前l o 位的跨国公司依次是丰田，通用，大众， 福特，本田，日产，标志雪铁龙，现代，铃木，菲亚特，中国排名最靠前的为 一汽，第2 0 位，而奇瑞排在第2 6 位，国内的汽车企业在规模上与国外相比存 在很大的差距。 但是，2 0 0 8 年中国汽车市场汽车最终销量为9 4 1 万辆，受金融危机影响， 虽说没有达到预期1 0 0 0 万辆的目标，但比2 0 0 7 年全年销量提升约6 7 ，其中 乘用车销售达到6 7 5 5 万辆，商用车2 6 5 5 万辆。在经历了2 0 0 5 年至2 0 0 7 年 汽车行业连续三年两位数的高速增长率之后，2 0 0 8 年增长趋势变缓，业界预估 2 0 0 9 年汽车销量增长幅度将介于5 - 6 之间，有望达到1 0 0 0 万辆，成为世界上 最大的汽车制造国家。 中国虽然产量有望成为第一，但是在汽车的研发、制造等方面还是与国外 ( 合资) 先进的汽车制造企业仍然存在很大的差距。 1 1 1 国内外汽车研发的现状与差距 当前，国外汽车研发以欧洲的德国，北美的美国，亚洲的日本为主要代表 流派，其研发中心的发展十分迅速，在企业成长和产品的推出上具有十分重要 的地位。上述三个国家的企业研发资金投入占到全球研发资金投入的7 0 以上， 可见对研发方面的重视。研发中心当前的发展现状主要呈现以下几点： 1 投资规模逐年加大： 2 在新材料、i t 技术等领域的投入和关注加大； 3 各主要汽车公司的研发中心向全球市场转移研发力量； 4 针对用户需求的研发投入逐渐引导研发中心的主体工作； 5 零部件供应商加大了研发的力度和投入； 放眼国内的汽车产业，上世纪8 0 年代后期，国家实施了以“市场换技 术”的政策后，以一汽、东风等老牌国有汽车企业为代表的中国汽车工业几乎 放弃研发，一方面只盯着外国技术，不认为自己的技术人员有价值，不尊重技 术人员的意见，领导在决策上经常不考虑技术的可行性；另一方面，国有企业 常常急功近利，认为外国的技术先进可靠，引进比开发成本更低廉，而且可以 很快产生效益。造成的局面是：中国汽车工业只培养了一批技术熟练的产业工 人和一些企业管理人员，根本没有“技术 可言。l 中国“市场换技术 的政策很不成功。事实表明，自主研发寄希望于外方 是一种奢望，这条路很难行得通。在多年的合资历史中，中方并没有学到任何 核心汽车研发技术。几乎所有合资企业的中方基本上都没有话语权。 尽管国内汽车工业近年来取得重大进步，但是仍然缺乏品牌和技术，竞争 力不强。从国际汽车竞争力的综合指数可以看出，我们国内汽车行业的竞争力 指数仅仅是美国的4 1 7 ，日本的4 2 4 ，德国的4 7 3 ，韩国的6 1 6 。 国内汽车市场中，自主品牌的乘用车集中在中低排量和经济车型领域，基 本没有竞争力，研发中心也不够成熟，相比之下有以下3 点主要差异： 1 研发能力和效率的差异 我国的专利生产率( 专利数企业中r & d 人员数) 只有9 件千人，而韩国却 为5 1 5 件千人。我国汽车工业的研发人员只占从业人员的4 左右，从事研发 的人员仍然只占劳动力的较小部分。而日本在从事项目研发时，一般采用相关 企业的技术人员与高校研究所联合研究的“集中研究”方式。这种开发方式可 以将各公司的技术与经验集中到一起，加快技术突破。 2 研发资金的差异 我国汽车厂商的研发资金来源一个是企业自主投资，一个是政府投入专项 资金进行扶持。 在国外，开发一个新车型大约需要l o 亿一2 0 亿美元，2 0 0 6 年，戴姆勒一 克莱斯勒研发经费约5 6 2 亿美元；福特为5 3 9 亿美元；丰田为5 3 8 亿美元； 通用为4 7 5 亿美元，并且每年以6 的比例增长。而2 0 0 6 年全国用于汽车研发 的费用才2 3 9 亿美元， 3 研发方式的差异 我国汽车制造厂商自主创新能力薄弱的另一个主要原因是企业重产品引 进，轻产品技术消化吸收。在我国，企业引入先进技术后的消化吸收费用平均 还不到引进项目费用的7 ，而在韩国、日本等国该项费用是引进项目费用的3 一1 0 倍，形成了“引进一吸收一试制一自主创新的良性发展。 不过，中国各汽车企业已经意识到研发的薄弱，近几年，一汽、上汽、北 汽、广汽等合资企业都成立了自主研发中心，开始进行自主研发，投入研发的 资金和精力也逐年大幅上升，自主品牌必须从研发着手，才能抢回属于中国人 的市场。 1 1 2 国内外汽车制造的现状与差距 中国有着巨大的潜在汽车市场，各外资企业纷纷涌入，在华建厂，曾经垄 断着中国的汽车业，随着近1 0 年来，自主品牌的不断涌现，已经抢占了一部分 本应该属于自己的市场。但是不可否认，自主品牌从整车的安全性、节能性、 整车质量等方面与国外品牌或者合资品牌仍然有着很大的差距。差距不仅仅体 现在研发方面外，制造方面也是不可忽略的重要因素。 1 设备的差异 国外、合资汽车企业，基本已经实现的机械化和自动化，就拿冲压来说， 2 全部都是贯通式的自动化生产线、多工位自动化生产线以及高速自动化生产线， 人员只是负责检验和物流转运，此类生产线由于为全自动化生产线，效率高， 小时冲次能达到7 0 0 - 8 0 0 次左右；质量稳定，一致性好；一般一个有两条自动 化线的冲压生产车间，双班生产，车间人数不超过1 0 0 人。同样焊装、涂装、 总装也都实现了机械化和自动化，使得装配精度一致性高，后续质量反馈的问 题自然就少。 而自主品牌汽车企业由于销售价格低，要确保利润只有降低成本，而自动 化生产线的投资大，对配套的硬件设施要求高，对人员的操作要求高，另外受 模具的制造水平限制，同时，由于中国的人工费用相对国外发达国家低很多， 所以，综上考虑，大部分自主品牌汽车企业选择的都是人工生产，劳动强度大、 人员技能波动大、质量一致性得不到保证，这个就是国内外汽车制造存在的最 大差异。 究竟是质量重要还是成本重要，这两点应该是相辅相成的，中国的汽车主 机厂也已经意识到了只有先进的技术才能造出质量好的汽车，才能实现更多的 利润；后期规划已经将世界先进的技术引进和对现有的设备进行自动化改造。 2 模具的差异 从冲压生产来说，模具是决定冲压件质量的重要因素，冲压生产中的问题， 4 0 以上都是由于模具问题造成的，所以要想生产出合格的冲压件，对模具的设 计、制造、装配的要求相当高。 国外汽车企业为了降低模具开发、制造成本，缩短生产周期，将除轿车外 覆盖件之外的大部分冲压件模具都交由专业模具公司设计和制造，这些公司都 有很强的开发能力，并在某些零件的模具制造方面拥有独到的优势。但作为整 车厂，考虑到新车型开发过程中的保密，对诸如翼子板、行李箱盖、车门、侧 围、车顶、前盖等敏感零部件的模具，则都由自己的模具制造部门来设计和制 造。 国内的模具制造企业近年来发展很快，一汽模具、东风模具、天汽模具等 都具备了汽车大型覆盖件模具的设计与制造能力，自主汽车企业也都成立了模 具公司，不过对于外表覆盖件模具的设计和制造水平有限，精度、质量还难以 满足产品需要。目前的自动化、高速冲压生产线，要最大限度发挥生产线的能 力，对冲压覆盖件模具的要求更加高，目前这些模具基本都在国外设计和制造。 差距主要表现在以下几点： a 制造精度差 冲压件单件的精度可以达到要求，但是经过装配后累计误差便超出标准， 最明显的体现在汽车的密封性上，关键在于模具的制造和装配精度不足。 b 模具寿命短 相比国外的2 0 0 3 0 0 万冲次，国内模具在5 0 万冲次以后即需要重新复制。 3 c 模具开发周期长 以前，几十年不变的车型导致了汽车模具行业基本没有任何发展。近年来 随着汽车产品更新换代速度加快，不仅需要制造出大量达到要求的模具，激烈 的竞争还要求模具的开发周期尽可能的缩短。目前，国外汽车覆盖件模具开发 周期为6 7 个月，而我国需要的时间则为国外的2 - 3 倍，会直接影响到国内汽 车上市，直接导致竞争力下降。 造成上述问题的主要原因是我国汽车模具行业的企业结构不合理，软件开 发、管理及人员素质和国外先进水平相比差距较大。 汽车模具市场十分巨大，在工业发达国家可占整个模具市场的一半左右。 到2 0 1 0 年，我国汽车基本车型己达2 0 0 种，更新车型及改装车型达5 0 0 种，对 汽车模具的需求也很大。巨大的市场会刺激我国模具产业的发展，相信会缩小 与国外的差距。 1 2 汽车冲压材料应用趋势 1 2 1 汽车冲压材料发展趋势 汽车工业正面临着前所未有的机遇与挑战，人类社会可持续发展战略，对 新一代汽车产品提出了更为苛刻的要求一轻量化、智能化、节能、安全和环保， 而这种严峻的挑战又为汽车工业的技术创新与发展提供了机遇，为了节省能源， 提高汽车安全系数，汽车工业越来越青睐于高强度钢的金属材料。高强度钢的 开发及应用不仅可以达到汽车轻量化和降低油耗、减少排放的目的，而且可以 改善整车的安全性，提升汽车的性能等级。高强度钢中包括烘烤硬化钢( b h 钢) 、 高强度低合金钢( h s l a 钢) 、双相钢( d p 钢) 、相变诱发塑性钢( t r i p 钢) 、热 成型钢( 1 d n b 钢) ，而且同时发展了与之相配的新产品设计和制造加工工艺技术， 如热压成型、激光拼焊技术，液压成型等工艺。 1 2 1 1 高强度钢 由于汽车排放要达标和提高安全性能等因素促使汽车制造商采用高强度 ( h s s ) 和先进高强度钢( a h s s ) 代替过去常规钢材制造结构件，起初材料主要集中 在开发高强度i f 钢或烘烤硬化钢等高强度( h s s ) 方面，后来又开发了先进高 强度( a h s s ) ，包括双相( d p ) 钢、相变诱导塑性( t r i p ) 钢、复相( c p ) 钢、 孪生诱导塑性( t w i p ) 钢、热成型( m n b ) 钢等，各类钢的性能分布见下图。 4 零 藉 出 壁 抗拉强度，m p a 图1 - 1 各类钢的性能 双相钢和多相钢已经应用于现今的汽车行业。t r i p 钢也于2 0 0 6 年初开始 应用于汽车行业，目前国内汽车主机厂也在逐步的使用双相钢，马氏体钢有时 也用于保险杆横梁和门梁上，新一代超高强度钢中的t w l p 钢具有高达6 0 一8 0 的延伸率。 1 烘烤硬化钢；b h 烘烤硬化钢( b h ) 是指采用特定的化学成分和生产工艺使钢板中固溶一定 的碳原子，钢板在交货状态下具有较低的屈服强度，冲压成形后，进行涂漆烘 烤时屈服强度增加一定值的高强度汽车用钢。主要是用在一些具有抗凹性能要 求的零部件上，如车身外覆盖件上，图2 是b h 钢应用典型零件，此类钢板在应 用中存在的问题是具有失效性，要求主机厂在一定时间内用完，否则过了失效 期，钢板的烘烤硬化值就不明显，也就是不具有烘烤硬化性能，严重还造成冲 压开裂。 图卜2 阴钢的典型应用 2 高强度低合金钢；l t s l a 。高强度低合金钢是在低碳钢中添加少量的铌或钛等合金元素，使其与碳、 氮等元素形成碳化物、氮化物并在铁素体基体上析出从而提高钢的性能，这种 钢具有良好的成型性能和较高的强度。主要用于车身的结构及其加强件如，蓄 电池托架，座椅骨架，梁、柱等件，图卜3 是高强度低合金钢的典型应用。 5 图卜3 高强度低合金钢的典型应用 3 双相钢：( d p 6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 0 ) 这类钢是属于相变强化钢，是指通过采用特定的化学成分和生产工艺在钢 的铁素体基体上弥散分布一定量的马氏体，形成以铁素体加马氏体为主的组织， 在提高强度的同时改善钢的成型性能。它的特点是：屈服点低，抗拉强度 高，屈强比低；无屈服点伸长或是屈服伸长，应力应变曲线平滑；伸长率 高；初始加工硬化率高，加工强化性能好；抗疲劳性能好。所以d p 钢特别 适合冲压翻边性能良好的部件，一直被汽车界所关注，正在成为汽车特别是轿 车首选的冷轧高强度钢板。图卜4 是双相钢( d p 6 0 0 ) 与低合金高强度钢的性能 对比。 轴旁- 科啊5 t 融 t 獬 图卜4 双相钢和低合金高强度钢的性能对比 使用d p 钢最大的问题的是在于零件成型后回弹，这也是高强度钢冲压存在 的常见问题所在，这就要求模具开发厂家在设计时考虑材料回弹量或者在产品 设计时采用局部加强方式给以消除，如下图。 i ；、：；：。一。，j 。，二。 图卜5 高强度钢解决回弹的方案 6 4 相变诱发塑性钢；( t r i p ) 铁囊体 岛氏体 贝氏体， 残余奥氏体 图卜6t r i p 金相组织 t r i p 钢的金相组织中含有大量的铁素体和相变引起的贝氏体以及残余奥 氏体和马氏体，如上图。贝氏体组织可由中温等温得到也可以在连续冷却中得 到。由上图看到，在t i r p 钢的贝氏体或贝氏体一铁素体构成的基体( 母体) 金 相中，分散地存在着马氏体以及残留的百分之几到3 0 左右的奥氏体，这些残 留的奥氏体在加工时，会再转变为马氏体，于是引起部分材料的强度提高，这 就使得材料总体获得良好的加工性，并且抗冲击性大大增加。当前世界各大钢 铁公司生产的d p 钢或t r i p 钢的抗拉强度均己达到5 9 0 - 9 8 0 m p a ，已进入实用化 阶段。新开发乘用车的前端车架纵粱、转向拉杆下臂以及各车身立柱均采用d p 钢或t r i p 钢。 5 各向同性钢( i s 钢) ： 各向同性钢是起源于欧洲的一种外板用钢，主要用于欧洲一些车型的外板， 其特点是低碳钢，具有较好的成形性和抗时效性。它是优于烘烤硬化钢( b h 钢) 一种新钢种，与b h 钢相比无失效性，强度比起b h 钢要高， i s 钢的金相显微组织也是以铁素体为基体，它不同于其他钢种的关键就是 i s 钢的a r 等于零。r 为各向异性系数在各个方向上的平均差值： a r = - ( r o + r 9 0 2 r 4 5 ) 2 。 式中，r o 、r 9 0 、r 4 5 分别表示沿钢板的轧制方向与沿轧制方向成4 5 。和 9 0 。的方向的厚向异性系数。 通常，钢材轧制后会出现各向异性即沿不同方向的机械性能不同，从而会 影响拉延成形件的成形性能。而i s 钢各向同性，r = 0 ，也就是说用i s 钢进 行深；中时，形成飞边“凸耳 的趋向最小。 6 孪晶诱发塑性钢( t w i p ) ； 孪晶诱发塑性超高强度是最新开发的新钢种，这种钢在高强度的同时，还 有高达6 0 - 8 0 的延伸率c 见下图) ，目前此材料还处在开发阶段，预计这种材 料会因兼备高强度和高的延伸率会有广泛的应用前景。但是由于该材料在冶炼 中加入大量的合金元素，这对钢板的焊接上存在参数上的调整工业化大生产还 有一定难度，大批应用还得看后期的实验结果而定。 7 7 0 蓬6 s o o 篓器 2 0 1 0 o 图卜7 孪晶诱发塑性钢的抗拉强度和延伸率应用范围 7 热成型钢； 为使现代高强度钢板在压力加工后无回弹，并能制成具有复杂的几何形状 和准确尺寸的压力加工制品，最佳的方式就是用热成形可淬硬钢在奥氏体温度 区间( 9 0 0 9 5 0 ) 完成加工成形。而后使制品在模具中冷却变硬。在整个热成形 的工艺过程中，既完成了成形加工又同时完成了热处理强化。钢板热成形主要 的工艺过程可分为具有不同机械特性能的3 个阶段。， 在第一阶段( 如下图中第一椭圆区) ：在室温下，材料的抗拉强度在6 0 0 m p a 以下，此时必须考虑设计制造板坯落料模，并用该落料模落料，以获得压力加 工板坯。 7 0 6 0 零5 0 薅4 0 半3 0 跫2 0 1 0 8 体晶核的形成。当高温下的制品从模具中取出并置于空气中以后，由于制品的 冷却速度通常要超过1 5 c s ，钢板中的金相显微组织会全部由奥氏体转变为马 氏体，所以制品的抗拉强度可达1 3 0 0 一1 5 0 0 m p a 。 1 2 1 2 有色金属 1 铝合金 受成本居高不下的影响，铝合金目前应用量只占汽车自身质量的8 - 1 0 。 尽管如此，随科学技术和汽车工业的发展铝合金仍被日益推广，铝合金零件的 品种日益增多，尤其是车身零部件。现在几乎所有的世界各大汽车公司都争相 开发铝合金车身零部件( 见下表) 或全铝车身，也取得了显著成效。 表卜1 铝合金在车身零部件上的应用 国家汽车厂家汽车型号车身零部件合金牌号 英国罗孚 r a n d er o v e r 前翼子板 保时捷9 2 8 覆盖件，前翼子板 a c l 2 0 德国 梅塞德斯一奔驰 1 2 0 s e c 覆盖件，行李仓盖a c l 2 0 ，5 0 0 0 系列 意大 法拉利 t e s t a r o s s a 覆盖件，后翼子板5 0 0 0 6 0 0 0 系列 l a m b o r g i n i k o u n t a k 所有外部装饰件5 0 0 0 6 0 0 0 系列 利 z a g a g a r r d s t e l v i o 所有外部装饰件5 0 0 0 6 0 0 0 系列 凯迪拉克覆盖件，顶盖 a c l 2 0 ，5 0 0 0 系列 美国通用 a l a n t 行李仓盖 瑞典沃尔沃 7 6 0 g l e 覆盖件，活动顶 5 0 0 0 6 0 0 0 系列 s a v a n n a r x 7 覆盖件外板g z 4 5 马自达 覆盖件内板g 4 b r o d s t e r 覆盖件内外板 g c 4 5 c o s m o 覆盖件外板 k s 5 0 3 0 3 0 0 z x 覆盖件外板 k s 5 0 3 0 日产 覆盖件内外板 t g - o 6 日本i n f i n i t i 覆盖件内外扳 k s 5 0 3 0 l e o p a r d覆盖件内外板5 0 0 0 系 车身外板6 0 0 0 系 本田 m s x 车身内板 5 0 5 0 车身框架 5 1 8 2 加强元件，折叠活顶 5 0 5 2 丰田c e l s i o r 隔热板 1 i 0 0 经计算，在用比钢更贵的挤压铝材制造车身框架时，材料利用率高，并且 铝合金车身几乎要比传统车身轻5 0 以上! 如福特公司开发的“综合一2 0 1 0 ”型 汽车的铝合金结构承载车身的质量比钢结构车身减轻了4 5 0 k g ( 4 6 ) 。在不降 低汽车使用性能的情况下，可以把发动机的功率由1 1o k w 降到5 9 k w ，可以有效 的降低油耗( 仅为4 7 1 l o o k m ) 。 2 镁合金 主要应用于发动机和仪表板等零部件上，用量较铝合金更少，很少用于车 身冲压件，在此不详细介绍。 1 2 2 汽车冲压材料现状及存在问题 9 从车身重量上看，轿车白车身占整车的3 0 一5 0 ，载重车白车身占整车的 2 0 - 3 0 ；而在白车身的组成中，冲压件则占9 5 以上，汽车板2 0 0 8 年预计用 量约为l3 0 0 万吨，2 0 0 9 年为l5 0 0 万吨，2 0 1 0 年为1 6 3 0 万吨但是受金融 危机和各钢厂之间的竞争日益加剧，钢产量全面过剩，汽车板也不例外。宝钢、 浦项制铁停止部分高炉的生产，进行长期检修；其他钢厂也纷纷停止和推迟新 产线的投入。 2 1 世纪以来，中国的汽车业进入了高速发展的阶段，中国成为名副其实的 汽车制造大国，但是人均保有量仍然很低，还有很大的发展空间。2 0 0 5 2 0 0 7 年，随着汽车产量的不断扩大，曾出现过汽车板一张难求的紧张局面，汽车板 与汽车产业共同飞速发展。 各大钢厂意识到汽车板具有广阔市场，加之汽车板的附加值也很高，为了 获得更多的利润，减少原材料价格不断上涨对其造成的影响，各钢厂纷纷上马 汽车板项目，与此同时，国外的钢厂( 新日铁、浦项制铁等) 也进入了中国市 场。 宝钢在上世纪7 0 年代开始研究汽车板，在中国一直处于领先地位，品种 齐备，并不断开发出符合今后汽车需求的高强板：鞍钢、武钢虽说进入汽车板 制造较宝钢晚，但是发展速度很快；马钢相对更晚，目前也在加紧研发的脚步。 由于各