武汉理工宋燕利：汽车轻量化材料高质量成形技术与装备
时间: 2023-11-13 01:28
来源: 中国汽车供应链大会
作者: editor
11月10日-12日，由中国汽车工业协会和武汉市人民政府共同主办的“2023中国汽车供应链大会暨第二届中国新能源智能网联汽车生态大会”在武汉经开区举办。本届供应链大会以“踔厉奋发，攻坚克难——打造安全、韧性、绿色汽车供应链”为主题，设置了“1场战略峰会、1场大会论坛、9场主题论坛”共11场会议，围绕供应链安全与布局、新型汽车供应链打造、传统供应链升级、全球化发展等热点话题进行深入交流与探讨，寻找构建世界一流汽车供应链的对策、方法和路径。
其中，在11月12日上午举办的“主题论坛七：新材料——新材料、新进展、新未来”上，武汉理工大学教授宋燕利发表精彩演讲。
以下内容为现场发言实录：
尊敬的各位专家、领导、同学们大家上午好！我今天给大家汇报的主要是汽车高质量轻量化成形技术与装备，主要从以下三个方面进行汇报。
首先是研究背景，前面几位专家已经讲过了，目前汽车产业是我们国家国民经济的主战场，2022年我们国家汽车的产销量分别超过了2700万台，新能源汽车呈现爆发式的增长，市场占有率已经达到了25%，，连续8年达到了世界第一。刚才看到东风李总介绍的，今年统计数据一到九月份销量达到了630万台左右。对于这样一个迅猛的发展趋势来说，这里面有一个非常重要的议题，就是汽车的轻量化。
正如刚才几位专家所介绍的，汽车重量每降低10%，那么传统的燃油车可以减重6%—8%，排放减少4%，那么对于新能源车，比如说像电动汽车，或者燃料电池汽车，里面最关键的一个问题就是续航里程，研究表明每减重10%，电动车续航里程提升5.5%，因此轻量化技术是整个汽车实现节能减排关键技术，这一点也获得了整个国际汽车行业的认可，美国出台的先进制造国家战略，欧洲的“地平线”政策，都把汽车轻量化当成非常重要的举措。
在实现汽车轻量化的过程中，材料是一个最重要的，而且很关键的举措，在这里传统的像金属材料比如高强钢、铝合金、镁合金，它们随着轻量化需求的扩大，不断地增加应用。高强钢能够达到的轻量化水平在10%—20%，对于铝合金来说，减重能够达到30%甚至50%，刚才几位院士专家提到的碳纤维复材，还可以达到更高减重的水平。
而我们团队所做的一些工作，主要是针对传统金属的材料进行塑性成形，就是传说中的打铁，但是我们认为它还是一个非常重要的方法。根据国际生产工程科学院的统计，世界上70%以上的金属材料，需要至少一次以上的塑性加工，2022年我国钢的产量13.44亿吨，塑性成形的钢占9.3亿吨，可以看出来，塑性成形占非常大的比重。可以说汽车零件中75%以上的都是需要塑性成形加工，这个地方列出来的这些图中，无论从我们的车身、车架、车厢、座椅、底盘、发动机等等里面关键的零部件，都是通过塑性成形来制造的。塑性成形制造中装备是必须的。我们知道，汽车制造里面1.2万吨的压力机，航空工业制造最大的装备8万吨的压力机，都是塑性成形的制造装备，这一点也突显了塑性加工的重要性。
为此，我们提出了高质量轻量化制造概念，它的内涵是要实现高性能、高效率、低成本、绿色低碳，这一点正如刚才东风和一汽的两位李总所介绍到的，汽车行业和航空航天行业有一个明显的不同，航空航天特别强调高性能，对效率、成本有一定的弹性，所以约束条件相对较少，对于我们汽车行业来说，不仅要实现高性能，而且要高效率，低成本，就是我们汽车行业一共有3个约束条件，所以说高性能轻量化的制造，就是要求要以高效率低成本的方法来成形制造高性能、高精度、轻量化的构件。
下面向各位汇报一下我们团队的几项研究工作，第一个是高强钢构件成形制造，高强钢成形抗力大、塑性低、回弹大，尽管纤维复合材料、铝合金、镁合金应用逐渐地扩大，但是钢始终是汽车用材里面占的比重最高，也是最经济的一种材料。强度的提升也会带来成形性能的下降，使构件难以成形。这里我们主要有两个方面的工作，一个是中厚板高强的复合精冲成形，另外一个是薄板超高强覆盖件高强韧热冲压成形，根据应用场合和材料厚度，从中厚板和薄板两个角度进行研究。首先是中厚板（中厚板厚度主要是2到20毫米）精冲件，它们不仅在汽车上得到广泛的应用，还是包括航空航天，高铁等重要装备支撑和运动核心的部件。
图中列出来很多如汽车、核电、航空、高铁上所用的中厚板的构件，它的结构特点就是非常复杂，有一些凸台、盲槽、转角，这种复杂的三维结构特征，给它的制造带来了很大的难处，同时要求高精度、高互换性。传统上首先通过冲压制坯，再焊接切削，带来的问题是工序多，流程少，对于450兆帕以上的就没办法成形了。为此，我们就提出了中厚板复合精冲成形，这种中厚板复合精冲成形就是在传统的基础上，给板料施加了反顶力，使它整体上处在三维的压力状态。在此基础上， 通过压边、反顶、精冲、冷锻等五联动，使二维的冲压和三维的锻造能够同步复合，从而提高精冲材料的强度，还有成形精度。还发现了一系列的规律，比如静水压应力下的增塑效应，这种技术用在高强度低塑性的材料上有非常明显的效果，对于1000兆帕以上的低塑性难变形材料，比如钛合金TC4、65锰钢，都得到了很好的实现。可以看一下右侧的图，可以看得出来，传统的冲材有很明显的撕裂带，但是通过复合精冲工艺，可以实现全光亮带的成形，这样免去后面的加工。
此外我们还发明了五联动复合精冲机抗偏载振动的方法，这是给出了联动过程的动画。另外我们也发明了复合精冲高频次重载的电液驱动和伺服控制方法，大家可以看到右侧图中摆放了一枚硬币在设备上，整个精冲过程中，硬币不倒，整个冲裁的频率达到每分钟40到75次，熟悉冲压的同事知道，这个频率是非常高的，也说明我们设备的稳定性还是很好。
此外联合我们的合作企业，开发了系列的全自动化数控的精冲装备，突破了从开卷、送料、出模，以及在线的智能控制和长寿命的模具等单元技术，实现复合精冲成套技术的开发。这是我们开发国内最大吨位1200吨的精冲压力机，建设了产线100多条，相关的产品用在国内，比如一汽东风，包括一汽、东风等企业，这个技术也获得了国家技术发明二等奖。
接下来是薄板超高强覆盖件高强韧热冲压成形。薄板覆盖件用量很大，2022年整个市场覆盖量达到2000亿，可以看得出来覆盖件结构非常复杂，而且对于表面质量和成形精度要求都非常高。
对于超高强钢来说，这里面有一个很头疼的问题，就是在成形的时候，因为需要加热固溶和淬火冷却，造成强度的激增和韧性的下降，这会导致碰撞时的安全性能差，我们知道，车辆发生碰撞的时候，很多情况下，因为能量没有办法吸收，发生了二次的碰撞，所以这个地方特别要求要有一定的韧性，我们在这里就提出了一种叫马/贝复相组织的超高强钢高强韧热冲压技术，围绕这项技术我们也建立了耦合位错密度演化的本构方程和成形极限模型，探求了马/贝复相的转变机理和转变条件。
这是实际测的一些力学性能，可以看到强韧化热冲压的构件，抗拉强度上提升了8%，断后伸长率和冲击韧性分别提升57%和27.9%，更重要的是在实现强韧化协同提升的同时，没有改变冲压的生产节拍，对我们现有热冲压的工艺生产，不会影响它的生产效率和增加它的成本。这种工艺已用在一些典型零部件上，实现了从1500到2000兆帕超高强钢的高强韧热冲压，相关的技术指标也得到了第三方的检测和认可。
除了这种等强度的热冲压以外，还做了变强度构件的热冲压。为了提高碰撞性能，要在构件局部制造性能“弱区”，就是软硬的协调，这儿除了变强度的中立柱，还有一体化的门环，这个就是我们和东风公司联合开发的一体化门环，在实车上得到了量产应用。我们还研究了闭式的双点伺服压力机，用在多工位连续热冲压自动化生产线上，这是整个生产制造过程，能够实现自动上下料加热，冲压成形，保压、淬火和冷却。相关的产品在我们国内各大主机厂得到了应用，获得了2020年的湖北省科技进步一等奖。
第三项技术是铝合金的构件成形制造，铝合金应用范围除了在车辆上，在航空航天和高铁上用得非常多，这里面有一个很重要的问题，就是传统的铝合金加工制造，通常需要加热固溶淬火，特别是人工时效，周期非常长，7000系铝合金时效周期能够达到24小时，6000系也在十几个小时左右，和整个冲压的节拍完全不匹配。针对这样的问题，我们做了一些思考，怎么样能够让它大幅缩短人工时效的时间？我们提出了一种短流程，高效率的热冲压的方法。
核心思想就是将传统的初始软态状态坯料，改成强化态坯料，就是对它进行一定的预处理，然后通过在形变过程中进行组织的调控，实现从欠时失效状态，达到最后峰时效状态。这是两个工艺流程对比，7000系铝合金传统制造过程，除了前面的固溶半个小时以外，还有24小时的时效处理，采用我们的技术，基本上在6分钟以内就能够达到峰值时效的状态。我们做了相关的一些力学性能和成形性能的研究测试，还包括时间的稳定性。这是我们在一些典型件上的应用，相关技术已经在这些中立柱、梯度性能纵梁及军车加强件上得到了一定的应用。
此外也做了一些航空航天上的缩比件，并且我们把这项技术和铝合金锻造结合在一起，开发了高性能短流程的锻造技术，比如说在转向节、装甲车三角臂等的应用，整体强度能不降低，最高达到700兆帕，但疲劳寿命能够提高1—2倍，效率提高1—2倍，能耗也得到明显的降低。
我的汇报完毕，谢谢大家！
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11月10日-12日，由中国汽车工业协会和武汉市人民政府共同主办的“2023中国汽车供应链大会暨第二届中国新能源智能网联汽车生态大会”在武汉经开区举办。本届供应链大会以“踔厉奋发，攻坚克难——打造安全、韧性、绿色汽车供应链”为主题，设置了“1场战略峰会、1场大会论坛、9场主题论坛”共11场会议，围绕供应链安全与布局、新型汽车供应链打造、传统供应链升级、全球化发展等热点话题进行深入交流与探讨，寻找构建世界一流汽车供应链的对策、方法和路径。
其中，在11月12日上午举办的“主题论坛七：新材料——新材料、新进展、新未来”上，武汉理工大学教授宋燕利发表精彩演讲。
以下内容为现场发言实录：
尊敬的各位专家、领导、同学们大家上午好！我今天给大家汇报的主要是汽车高质量轻量化成形技术与装备，主要从以下三个方面进行汇报。
首先是研究背景，前面几位专家已经讲过了，目前汽车产业是我们国家国民经济的主战场，2022年我们国家汽车的产销量分别超过了2700万台，新能源汽车呈现爆发式的增长，市场占有率已经达到了25%，，连续8年达到了世界第一。刚才看到东风李总介绍的，今年统计数据一到九月份销量达到了630万台左右。对于这样一个迅猛的发展趋势来说，这里面有一个非常重要的议题，就是汽车的轻量化。
正如刚才几位专家所介绍的，汽车重量每降低10%，那么传统的燃油车可以减重6%—8%，排放减少4%，那么对于新能源车，比如说像电动汽车，或者燃料电池汽车，里面最关键的一个问题就是续航里程，研究表明每减重10%，电动车续航里程提升5.5%，因此轻量化技术是整个汽车实现节能减排关键技术，这一点也获得了整个国际汽车行业的认可，美国出台的先进制造国家战略，欧洲的“地平线”政策，都把汽车轻量化当成非常重要的举措。
在实现汽车轻量化的过程中，材料是一个最重要的，而且很关键的举措，在这里传统的像金属材料比如高强钢、铝合金、镁合金，它们随着轻量化需求的扩大，不断地增加应用。高强钢能够达到的轻量化水平在10%—20%，对于铝合金来说，减重能够达到30%甚至50%，刚才几位院士专家提到的碳纤维复材，还可以达到更高减重的水平。
而我们团队所做的一些工作，主要是针对传统金属的材料进行塑性成形，就是传说中的打铁，但是我们认为它还是一个非常重要的方法。根据国际生产工程科学院的统计，世界上70%以上的金属材料，需要至少一次以上的塑性加工，2022年我国钢的产量13.44亿吨，塑性成形的钢占9.3亿吨，可以看出来，塑性成形占非常大的比重。可以说汽车零件中75%以上的都是需要塑性成形加工，这个地方列出来的这些图中，无论从我们的车身、车架、车厢、座椅、底盘、发动机等等里面关键的零部件，都是通过塑性成形来制造的。塑性成形制造中装备是必须的。我们知道，汽车制造里面1.2万吨的压力机，航空工业制造最大的装备8万吨的压力机，都是塑性成形的制造装备，这一点也突显了塑性加工的重要性。
为此，我们提出了高质量轻量化制造概念，它的内涵是要实现高性能、高效率、低成本、绿色低碳，这一点正如刚才东风和一汽的两位李总所介绍到的，汽车行业和航空航天行业有一个明显的不同，航空航天特别强调高性能，对效率、成本有一定的弹性，所以约束条件相对较少，对于我们汽车行业来说，不仅要实现高性能，而且要高效率，低成本，就是我们汽车行业一共有3个约束条件，所以说高性能轻量化的制造，就是要求要以高效率低成本的方法来成形制造高性能、高精度、轻量化的构件。
下面向各位汇报一下我们团队的几项研究工作，第一个是高强钢构件成形制造，高强钢成形抗力大、塑性低、回弹大，尽管纤维复合材料、铝合金、镁合金应用逐渐地扩大，但是钢始终是汽车用材里面占的比重最高，也是最经济的一种材料。强度的提升也会带来成形性能的下降，使构件难以成形。这里我们主要有两个方面的工作，一个是中厚板高强的复合精冲成形，另外一个是薄板超高强覆盖件高强韧热冲压成形，根据应用场合和材料厚度，从中厚板和薄板两个角度进行研究。首先是中厚板（中厚板厚度主要是2到20毫米）精冲件，它们不仅在汽车上得到广泛的应用，还是包括航空航天，高铁等重要装备支撑和运动核心的部件。
图中列出来很多如汽车、核电、航空、高铁上所用的中厚板的构件，它的结构特点就是非常复杂，有一些凸台、盲槽、转角，这种复杂的三维结构特征，给它的制造带来了很大的难处，同时要求高精度、高互换性。传统上首先通过冲压制坯，再焊接切削，带来的问题是工序多，流程少，对于450兆帕以上的就没办法成形了。为此，我们就提出了中厚板复合精冲成形，这种中厚板复合精冲成形就是在传统的基础上，给板料施加了反顶力，使它整体上处在三维的压力状态。在此基础上， 通过压边、反顶、精冲、冷锻等五联动，使二维的冲压和三维的锻造能够同步复合，从而提高精冲材料的强度，还有成形精度。还发现了一系列的规律，比如静水压应力下的增塑效应，这种技术用在高强度低塑性的材料上有非常明显的效果，对于1000兆帕以上的低塑性难变形材料，比如钛合金TC4、65锰钢，都得到了很好的实现。可以看一下右侧的图，可以看得出来，传统的冲材有很明显的撕裂带，但是通过复合精冲工艺，可以实现全光亮带的成形，这样免去后面的加工。
此外我们还发明了五联动复合精冲机抗偏载振动的方法，这是给出了联动过程的动画。另外我们也发明了复合精冲高频次重载的电液驱动和伺服控制方法，大家可以看到右侧图中摆放了一枚硬币在设备上，整个精冲过程中，硬币不倒，整个冲裁的频率达到每分钟40到75次，熟悉冲压的同事知道，这个频率是非常高的，也说明我们设备的稳定性还是很好。
此外联合我们的合作企业，开发了系列的全自动化数控的精冲装备，突破了从开卷、送料、出模，以及在线的智能控制和长寿命的模具等单元技术，实现复合精冲成套技术的开发。这是我们开发国内最大吨位1200吨的精冲压力机，建设了产线100多条，相关的产品用在国内，比如一汽东风，包括一汽、东风等企业，这个技术也获得了国家技术发明二等奖。
接下来是薄板超高强覆盖件高强韧热冲压成形。薄板覆盖件用量很大，2022年整个市场覆盖量达到2000亿，可以看得出来覆盖件结构非常复杂，而且对于表面质量和成形精度要求都非常高。
对于超高强钢来说，这里面有一个很头疼的问题，就是在成形的时候，因为需要加热固溶和淬火冷却，造成强度的激增和韧性的下降，这会导致碰撞时的安全性能差，我们知道，车辆发生碰撞的时候，很多情况下，因为能量没有办法吸收，发生了二次的碰撞，所以这个地方特别要求要有一定的韧性，我们在这里就提出了一种叫马/贝复相组织的超高强钢高强韧热冲压技术，围绕这项技术我们也建立了耦合位错密度演化的本构方程和成形极限模型，探求了马/贝复相的转变机理和转变条件。
这是实际测的一些力学性能，可以看到强韧化热冲压的构件，抗拉强度上提升了8%，断后伸长率和冲击韧性分别提升57%和27.9%，更重要的是在实现强韧化协同提升的同时，没有改变冲压的生产节拍，对我们现有热冲压的工艺生产，不会影响它的生产效率和增加它的成本。这种工艺已用在一些典型零部件上，实现了从1500到2000兆帕超高强钢的高强韧热冲压，相关的技术指标也得到了第三方的检测和认可。
除了这种等强度的热冲压以外，还做了变强度构件的热冲压。为了提高碰撞性能，要在构件局部制造性能“弱区”，就是软硬的协调，这儿除了变强度的中立柱，还有一体化的门环，这个就是我们和东风公司联合开发的一体化门环，在实车上得到了量产应用。我们还研究了闭式的双点伺服压力机，用在多工位连续热冲压自动化生产线上，这是整个生产制造过程，能够实现自动上下料加热，冲压成形，保压、淬火和冷却。相关的产品在我们国内各大主机厂得到了应用，获得了2020年的湖北省科技进步一等奖。
第三项技术是铝合金的构件成形制造，铝合金应用范围除了在车辆上，在航空航天和高铁上用得非常多，这里面有一个很重要的问题，就是传统的铝合金加工制造，通常需要加热固溶淬火，特别是人工时效，周期非常长，7000系铝合金时效周期能够达到24小时，6000系也在十几个小时左右，和整个冲压的节拍完全不匹配。针对这样的问题，我们做了一些思考，怎么样能够让它大幅缩短人工时效的时间？我们提出了一种短流程，高效率的热冲压的方法。
核心思想就是将传统的初始软态状态坯料，改成强化态坯料，就是对它进行一定的预处理，然后通过在形变过程中进行组织的调控，实现从欠时失效状态，达到最后峰时效状态。这是两个工艺流程对比，7000系铝合金传统制造过程，除了前面的固溶半个小时以外，还有24小时的时效处理，采用我们的技术，基本上在6分钟以内就能够达到峰值时效的状态。我们做了相关的一些力学性能和成形性能的研究测试，还包括时间的稳定性。这是我们在一些典型件上的应用，相关技术已经在这些中立柱、梯度性能纵梁及军车加强件上得到了一定的应用。
此外也做了一些航空航天上的缩比件，并且我们把这项技术和铝合金锻造结合在一起，开发了高性能短流程的锻造技术，比如说在转向节、装甲车三角臂等的应用，整体强度能不降低，最高达到700兆帕，但疲劳寿命能够提高1—2倍，效率提高1—2倍，能耗也得到明显的降低。
我的汇报完毕，谢谢大家！
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