车辆轻量化技术中所进行的合理化努力

1、车辆轻量化技术中所进行的合理化努力1 前言2005年款雷杰都车上根据构造的最佳化和材料的置换等，与原来车型相比实现了151kg的轻量化。在材料置换上，积极地采用了高强度材料和铝、镁等轻合金材料、CFRP等。特别是以车身和底盘为重点采用了轻合金材料，对这些部件，在总体上可以进行102kg轻量化。轻合金材料的材料置换对象部件的选定，具体的是从对于提高操纵稳定性影响较大的、距离车辆重心较远的部件以及对乘坐舒适性和减轻振动效果较高的悬架部件来进行选定的。在通过材料置换来实现轻量化当中，作为课题之一的就是成本的增加。针对该课题，希望根据部件构造和材料以及制造方法的合理化来加以解决。在本文章当中，以针对原

2、来技术，大幅度地实现了合理化了的铝制闭合板类和铝制副车架、铝制悬臂为中心，就其开发技术的概要进行解说。图1表示的是这些部件。图1 主要适用铝制的部件2 板类的铝制化2.1 努力的思路由于外板部件铝制化的轻量化效果大，因此从原来就开始在NSX和S2000、INSIGHT等上就已经采用了。另外，铝制板类部件与钢板制部件相比，存在着成形性下降和制造成本增加等问题，这也是一个需要解决的课题。针对这些课题，在成形性上，适当采用利用了铝特有的热时超塑性现象的吹塑成形技术，来提高成形性。再有，在制造成本方面，首先是在吹塑成形部件上，根据缩短成形周期和适当使用通用材料来降低材料费用。在进一步，也是研究连续铸造

3、轧制材料对冷冲压件的适用性，其目的在于削减材料费用。特别是针对利用本制造方法当中较为出色的凝固速度，根据金属间化合物无害化，来降低基体金属费用的这种连续铸造轧制材料也进行了开发。2.2 高速吹塑成形技术（1）高速吹塑成形法 原来的吹塑成形法周期长，在中等规模以上生产台数的情况时，其制造成本大幅度增加。因此，如图2所示那样，将材料在成形之前进行了急速地预加热之后，投入根据加热体保持了高温了的模具中，然后，再以原来3倍的成形压力加压成形，以此来缩短材料以及模具的加热时间和吹塑成形的时间。除此之外，再根据模具并列配置等，使生产性比原来提高了12倍。图2 高速吹塑成形法的概要（2）塑成形用材料 在表皮

4、上，开发了廉价的Al-Mg系列的吹塑用材料。原来的材料是如图3所示那样，经过16道工序的热处理和冷轧，使结晶颗粒细微化，以此来创造出超塑性特性，和根据控制吹塑成形时的气穴和结晶颗粒的粗大化，来确保其机械特性。在本开发当中，把在吹塑成形时的热塑性变形工序当中所引起的组织变化动态，考虑为板制造工艺流程的一个工序，在吹塑成形结束之后，为了获得健全的材料组织，省略或者废除热轧以及冷轧工序和最终的调质处理。通过以上的材料制造工艺流程和材料成形工艺流程的综合性合理化，可以达到降低成本的目的。在车架方面上，新开发了以具有与表皮材料同等镁含量的JIS 5182-H18为基础的、廉价化了的材料，并且进行了运用。

5、原来的JIS材料，如图4所示那样，在吹塑成形时，结晶颗粒粗大，机械特性控制十分困难。开发的材料，在合金规格内，可以使锰和铬的成分量最佳化，控制气穴和结晶颗粒粗大化，能够获得健全的组织。图3 吹塑成形用表皮材料的比较图4 吹塑成形用车架材料的比较2.3 连续铸造轧制技术在加强板方面，采用了新开发的连续铸造轧制AI-Mg系列的合金，降低了材料制造费用和基体金属费用。连续铸造轧制法与从原来的大型扁坯铸造块，经过轧制工序而制造的Direct Chill slab轧制法（DC）不同，它是经过从铝熔融金属连续地直接铸造了约6mm的铝薄板铸造板之后的轧制工序而获得产品。因此，可以将制造工序由原来的11道工序

6、减少到5道工序，这样的话就可以降低制造费用。基体金属费用由于材料含铁量的增大而降低了。但是，一般来说，铁的含有量增大之后，延伸率下降，可是，按照连续铸造轧制法，根据特有的快速凝固速度，使结晶颗粒以及金属间化合物细微化，再进一步使锰的含有量最佳化，以此来确保了延伸率。具体来说，即使是在铁多，锰少的情况下，也观察不到粗大的金属间化合物，只是细微的铁系列金属间化合物结晶，能够维持延伸率。但是，随着锰的减少，材料的强度也会随之下降，因此，再进一步地增添铁，来改善强度。正如图5所示那样，可以清楚地知道，结晶了的金属间化合物比DC材料更加细微化。表1当中表示的是主要开发材料的机械特性。根据上述开发，在闭合

7、板类上，通过提高成形性和提高生产性，削减制造费用和基体金属费用，可以获得合理化的效果，能够实现整体较高的构思。图5 金属间化合物的比较表1 开发材料的特性项目吹塑成形用冷冲压成形表皮用材料车架用材料车架用材料工艺流程DC法DC法连续铸造轧制法组成相当AL-4.5wt%MgJIS 5182-H18AL-3.3wt%Mg-0.5wt%Fe机械特性耐力（MPa）抗拉强度（MPa）延伸率（%）疲劳强度（MPa）125以上275以上16以上-80以上200以上12以上-11923927118（w:107）适用部位TrunkFenderTrunkStiffner(Hood,Trunk)3 副车架的铝制化3

8、.1 努力的思路在副车架上将材料和制造方法最佳化了的构成部件，配置在适合该材料的适当部位，采用铝混合构造，目的在于实现提高产品性能和部件的综合化这一双重目的。具体的是，当为横置发动机用浮动悬置形式的前副车架的情况时，外形尺寸和投影面积极其的大，用压铸制造方法等的整体成形极其困难。因此，采用连接车架结构，在车架纵梁采用热膨胀制造方法，以此来持续维持伸展材料的较高韧性，目的在于部件的统一化。在后车身龙骨架上采用高真空压铸，以此来实现部件的集中和断面系数的增大。图6以及表2上表示的是构成部件的制造方法和材料。图6 前副车架 表2 前副车架构成部件的制造方法和材料构成部件制造方法材料Front mem

9、berRear memberLeft memberRight memberBrackets挤压高真空压铸热膨胀挤压压铸A5052Al-Si-Mg系列开发合金Al-Mg系列开发合金AC4CH-T63.2 热膨胀制造法对副车架，作为膨胀制造方法之一的液压成形制造法，从原来一直沿用至今。本制造方法由于是成形自由度比较高的常温塑性加工，因此，作为成形性能指标的周长变化率（针对管坯周长的成形后的周长比率）为30%左右。为了构造的更加合理化，需要增大周长变化率。在解决本课题时，如图7所示那样，注重铝热时的特性（1）-（3），新开发了在热间的扩管成形法。它的工序是如图8所示，首先利用管坯的内部阻力，根据直流

10、电流的通电，来急速加热管坯。接下来是，用扩管和成形的的多道工艺，进行扩管成形。特别是扩管时，用根据轴推动的材料供给，可以控制板厚。其结果是周长变化率提高到了90%。再有，用气压的成形成为了可能，其压力与液压挤压成形相比，为1/100以下，因此生产设备可以小型化。针对热间大变形加工当中，作为所特有的材料质量缺陷的颗粒粗大和气穴，以新调制了材料成分的材料开发和成形条件的最佳化，来控制这些情况的发生，确保材料特性。图7 材料温度对耐力和延伸率的影响图8 热膨胀工序的概要3.3 高真空压铸技术本开发追求的是使用通用高速型压铸机，制造出高韧性、可焊接这种质量的产品系统。提高韧性主要是靠压铸合金的开发来加

11、以解决。压铸合金作为机械特性和铸造性出色Al-Si-Mg系列的合金，热处理为T5，以此，废除了热处理后的应变矫正工序。另外，原来的Al-10Si-Mg共晶系列合金，再T5热处理下，除了韧性下降之外，还存在在焊接时的施工条件管理范围狭窄的问题。研究的结果是，将材料基本成分作为Al-8Si-Mg亚共晶系列合金，然后，使微量添加合金最佳化，以此可以减少Al-Si共晶组织，进而提高在合金熔化状态下的粘性，这样的话就可以解决上述的问题了。图9表示的是在产品当中的金属组织的确认结果。由此可以确认，针对原来合金，Al-Si共晶组织和Al-Mn-Si金属间化合物的析出量减少了。机械特性如图10所示，其延伸率和

12、摆锤冲击值，与原来合金相比，得到了提高。图9 开发合金的金属组织图10 开发合金的材料特性可焊接的质量靠降低含有的气体量来加以解决。具体的情况是，首先是用铸造模拟对模具方案和铸造条件的最佳化进行了讨论。另外，减少了造成气体发生原因的离模剂和润滑剂的涂布量。再对模内进行减压，高真空化，以此来吸引除去气体。真空吸引位置布置在了其效果最高的熔融的最终填充部分（4）等几处。根据采取了这些的努力，在压铸件中的气体含有量达到了5cm3/100gAl以下，另外，其成分，85-95%为H2、残余部分为N2和其它气体。其结果是能够获得了充分的MIG焊接质量。压铸焊接质量，如图11所示那样，随着气体含有量的增大，

13、气穴也随之增大，而造成明显的质量恶化。本开发是，在降低气体含有量的基础上，确保焊接部分表面的清洁度和使焊接时入热量的最佳化，以此，可以实现在工序上的管理。图11 气体含有量对焊接缝断面质量的影响根据以上结果，与原来的铝制前副车架相比，分别可以减少了部件件数67%、焊接长度55%、质量10%、制造成本20%，除此之外，还使刚性和尺寸精度得到了大幅度地提高。4 悬架的铝制化4.1 努力的思路作为汽车用铝制悬架臂制造方法之一的就是从原来就被广泛应用的热锻造制造方法。锻造材料使用的是连续铸造铁坯的情况时，以去除铁坯表面质量不良部分为目的，需要铁坯的去皮（脱层）。本工序，由于材料利用率低下、制造工艺以及

14、设备的投资增大等原因，造成产品制造成本上升。本开发根据废除了该脱层工序来将低了成本。图12表示的是适用部件的外观。图12 前下悬臂（制造方法：热锻造 材料：A6061-T6）4.2 无脱层连续铸造铁坯技术作为连续铸造铁坯的铸造方法，有从原来就被广泛使用的DC铸造法。该铸造法由于是由铸型和冷却水的二道冷却工序，因此，铁坯表面质量下降。作为解决的方法就是，采用断热铸型（5），成为只是冷却水的一道冷却工序。如图13所示，在铸型材料中采用热传导性优良的石墨，以降低熔融中心部和铸型附近部分的温度梯度。铸型固定在陶瓷制的托架上，以确保断热性。（见原稿图）图13 利用了断热铸型了的连续铸造方法的概要为了再进

15、一步地获得稳定的平滑表面，因此，强化了铁坯凝固开始时的凝固皮膜。强化在A6061合金的情况时，添加了100ppm左右的钙。其结果是如图14所示那样，开发的铁坯表面质量比原来的材料还要平滑，其内部质量也得到了改善。在原来材料上所看见的7mm粗大的晶粒层，在开发的材料上得到了解决。只能确认到150µm左右的冷硬层。除此之外，由于采用了根据直接水冷的急速冷却，结晶颗粒也细微了，也消除了镁浓度偏析。图14 铁坯表面质量的比较在确认开发的铁坯上特有的冷硬层以及添加钙所产生影响的时候，不仅只是首先看了有无冷硬层，主要的机械特性也是同等的，但是，开发材料的疲劳强度比原来的材料提高了约20%。其主要

16、的原因可以考虑为，根据冷硬层的表面强化和急速冷却的结晶颗粒的细微化所实现的。另外，在从锻造悬臂制件内部切取采用的试片来确认钙的添加所产生影响的时候，如图15所示那样，主要的机械特性与原来的材料是同等的。但是，摆锤冲击值比原来提高了25%。这可以考虑为主要是根据结晶颗粒的细微化所产生的效果，同时也没有确认到在开发当初所担心的，由于钙的添加而造成的Mg2Si析出量降低，随之材料强度降低的现象（6）。图15 添加钙对机械特性所带来的影响除了上述的材料评价之外，还对耐腐蚀性和强度、耐久性等进行了评价，确认了它具有与原来材料同等部件适合性。而根据本开发可以降低部件材料费20%。5 总结根据上述的技术开发，可以大幅度地减少由于小型化而带来成本增加。它也是十分有效的，适用于车身和底盘的轻合金材料，在车辆质量上所占的比例如图16所示，与原来型车辆相比的话，增大到了3.7倍。图16 在车辆质量中轻合金材料所占比率本结果是，在较高的运动性能和舒适性的基础上，可以实现在外板部件上原来钢板所难以实现的较高的思路创意，大幅度地提高商品性，与此同时，还能够达到与原型车辆同等的燃油经济性。6 今后的努力方向预计，今后对提高汽车燃油经济性、提高舒适性等