车身冲压

近几年, 为了满足较高的安全标准和乘坐的舒适性,汽车加装了空调和绝热隔音等装置;为了达到尾气排放标准, 又增加了废气净化装置。这些措施势必会增加整车的重量。因此汽车必须向着轻量化方向发展,以此增加市场竞争能力、提高车速和节约能源。减轻汽车重量主要有以下两方面措施： 一方面要改进车身结构, 努力采用轻型结构来减轻汽车重量； 另一方面大量应用轻质材料达到减重的目的。

不同的车身结构对减轻车身重量的潜在能力起决定性作用。目前车身结构主要有两种类型，即承载式车身结构和非承载式车身结构。承载式结构的车身采用金属板材或复合材料,没有车架;非承载式结构由独立的车身和自支撑底盘, 或独立的车身和承载构架组成。轿车在大批量生产中广泛采用承载式车身结构。在大批量生产中，中型轿车用的材料中钢材占车重的50 %～60 % , 全世界每年约有3 500 万吨钢材用于轿车制造, 占轿车重量的20 %～25 %的白车身是最大的总成部件,无疑具有很大的减重潜力。目前汽车工业发达国家的汽车车身用材料除采用传统的普通低碳钢外, 还采用高强度钢板、塑料、复合材料及铝、钛、镁等合金材料。

因为用钢板冲压汽车零件具有材料利用率高、生产效率高、便于组织流水生产、可冲制出形状复杂的零件和零件互换性好等优点, 因此现代汽车工业广泛采用冲压工艺制造汽车车身和车架等零部件。汽车冲压件品种繁多、形状复杂,因此要求钢板材料不仅冲压加工成形性要好，还要满足零件的性能(刚性、强度和防锈蚀能力等) 要求。汽车冲压使用的钢材按生产方式分为冷轧钢板和热轧钢板。冷轧钢板表面质量好,多用于制造车身冲压件；热轧钢板多用于车架、底盘及车轮等要求一定强度的冲压件。按钢板特点分为普通低碳钢板和特殊钢板，特殊钢板包括高强度低合金钢板、表面处理钢板及高强度拼焊钢板等。

目前大批量生产中使用最多的就是冷轧钢板。冷轧钢板的厚度在0. 15～3. 2 mm之间,汽车车身多采用0. 6～0. 8 mm的薄板。这种薄钢板尺寸精度非常高, 表面光滑, 具有良好的力学性能和加工性, 主要用于车身侧围板、顶盖、发动机罩、翼子板、行李箱盖、车门板和仪表板等外覆盖件,这些零件要求材料具有高的成形性能、良好的表面质量和焊接性能。由于我国钢厂生产的产品质量同国外有一定的差距, 因此我国汽车厂生产的引进品牌的轿车车身零件材料大约有一半需要进口。深拉延钢板一般采用铝镇静钢, 目前为适应汽车设计和制造工艺的要求,除继续使用铝镇静钢外,又研制、开发了低屈服点钢板和超深冲钢板等新品种。超深冲钢板( IF 钢板) 具有低的屈服强度、高的伸长率、低的屈强比、高的塑性应变比( r 值) 和高加工硬化指数( n 值) 等特点。

一般普通低碳钢板的拉伸强度为280～320MPa , 高强度钢板的拉伸强度在350 MPa 以上。高强度钢板的特点是不但具有较高的拉伸强度, 同时也具有较高的屈服点,利用其特点可以减少外表面件的厚度,达到减重的目的。由于其屈服点高, 因此降低板厚对于冲压件的质量不会造成太大的影响; 高强度钢板的缺点是冲压成形性比普通低碳钢板差, 容易产生成形不良现象,冲压时回弹较大,价格也较高。高强度钢板主要有含磷高强度钢板、微合金高强度钢板、双相钢板及烘烤硬化钢板等。含磷高强度钢板是在铝镇静钢中添加一定量的磷作为强化元素而成的; 微合金高强度钢板是因其中含有元素铌、钛或钒等微合金元素而提高强度;双相钢板是以铁素体为基本相, 与马氏体均匀混合而成的。随着整车轻量化和安全法规的碰撞安全性要求提高，冲压材料向着高强度方向发展。高强度钢板在汽车应用上发展很快，目前在欧洲轻量化概念化车的用材中,高强度钢板约占用80%左右。强度在270—780MPa应用的最多。

根据美国钢铁学院能量部的研究，即使高强度钢降低部分数值其拉伸还是要比传统的冷板困难得多。高强钢的延展率只有普通钢材的一半 。

同时，当材料被冲压成形时，会变硬，不同的钢材，变硬的程度不同（如下表2）。一般高强度低合金钢只略有20MPa增加，不到10%。注意：双相钢的屈服强度有140MPa增加，增加了40%多！金属在成形过程中，会变得完全不同，完全不像冲压加工开始之前。这些钢材在受力后，屈服强度增加很多。材料较高的屈服应力加上加工硬化，等于流动应力的大大增加。因此，开裂、回弹、起皱、工件尺寸、模具磨损、微焊接磨损（如下图3）等成为了高强钢成型过程中的问题焦点。

高强钢屈服强度（表2）：

粘着摩擦

基于高强钢的特点和特性，如果不能改变金属流动和减少摩擦，那么高强度钢（HSS）的开裂和质地不均性都可能引起部件报废率的上升。这种材料所具有的高千磅力每平方英寸(KSI)（测量屈变力的单位）、增强的回弹、加工硬化的倾向以及在升高的成型温度下运行对于模具来说都是一个挑战。

要解决高强度钢板冲压成形性的问题可以选择高性能润滑剂，它可提供一种更高性能的膜以保护金属免于断裂、压裂或被焊接到模具上。好的润滑剂还能够减少摩擦热量，使金属流动不间断并能控制起皱或断。IRMCO高性能环保润滑剂不仅可以解决高强钢、重冲、深拉伸等的成型问题，而且可以减少润滑油50%-75%的用量，更重要的是它可以对目前冲压行业的生产工艺带来重大改善和优化，以减少更多能源、资源的消耗和对环境的污染。

在北美和欧洲等寒冷地区, 冬季为防止冰雪冻结,道路撒盐情况越来越多,在沿海地区和酸雨严重的工业区, 车身裸露部分的零件, 特别是车架、底板和挡泥板等腐蚀情况愈益严重。为防止腐蚀, 提高抗高温氧化能力, 世界各汽车公司纷纷采用表面处理钢板生产汽车零部件, 并通过提高防锈蚀来延长其使用寿命,以便推动销售工作。汽车用表面处理钢板的种类有镀锌钢板、镀铝钢板、镀铜钢板、镀铅锡合金钢板和复层钢板。目前车身和底盘零件采用的表面处理钢板主要为镀锌钢板, 从镀锌钢板表面可分为单面镀锌钢板和双面镀锌钢板; 从制造工艺上可分为热镀锌钢板和电镀锌钢板。采用热镀锌钢板制造的车身件有底板、门槛、发动机罩内板等;因为电镀锌钢板的涂漆工艺性好,所以车身外覆盖件大多采用电镀锌钢板制造, 包括侧围外板、顶盖、车门外板、发动机罩外板及行李箱盖外板。轿车的抗腐蚀性能指标越高, 要求镀锌板的镀层就越厚,但是却降低了钢板的工艺性能(成形性和可焊接性) 。

高强度拼焊钢板是在冲压前按车型设计, 将不同厚度和不同性能的钢板剪裁后拼焊起来的一种钢板。使用拼焊钢板坯料可以在汽车最敏感部位使用涂镀层钢板,便于更好地发挥其耐蚀性,而在其他的部位则使用较薄的高强度钢板。拼焊钢板不仅能进行优质组装, 还能减轻重量, 提高机械强度, 实现抗扭刚性、抗冲撞性与提高材料收缩率和降低生产成本的最佳组合; 另外, 使用拼焊钢板可减少零件数量, 简化生产工艺, 从而降低模具成本、焊接夹具成本、材料和组装成本,改善零件性能稳定性和疲劳破断性。采用拼焊钢板生产的汽车零部件具有最合理的尺寸公差和结构。汽车用拼焊钢板最初在80 年代中期, 由德国蒂森钢公司使用激光焊技术将两个或更多的坯料连接成一个部件, 称为拼焊钢板。蒂森钢公司最初生产的大规格镀锌钢板剪裁坯料用于奥迪100 车型。90 年代以来,随着社会对汽车安全、节能、耐蚀等要求的不断提高, 拼焊钢板在欧洲、美国和日本等汽车工业发达国家得到飞速发展。

铝合金材料：目前铝合金车身覆盖件和底盘结构件大量增加, 其目的是减少整车重量。汽车上每使用1 kg 铝代替钢,可减轻零件重量1. 5 kg ,另外可使支撑部件减轻0. 75 kg ,这样共减轻重量2. 25 kg。铝合金材料具有耐腐蚀性好、表面美观和传热性优良等特点。铝合金作为汽车材料已经应用多年, 数量在不断增加, 例如美国福特汽车公司在芝加哥冲压厂已经生产了20 年铝发动机罩。

塑料及复合材料：汽车车身采用塑料材料具有重量轻和防锈蚀的特点，目前汽车的保险杠几乎都是塑料。近年来塑料在汽车车身上的使用大量增加, 目前约占车身重量的10 %～15 %。大型塑料零件的发展也是实现汽车轻量化的重要途径之一, 虽然许多汽车制造厂宣称采用塑料车身、发动机罩等,但多数是小批量生产的车型。美国和欧洲的汽车制造商采用塑料车身比较多。

塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。热固性塑料力学性能好, 强度高, 表面质量好, 多作为外表面件生产用;热塑性塑料强度和刚度高，可用于生产内部结构件。

冲模的种类一般分为成形膜、冲裁模、弯曲模3种，模具结构可根据压力使用情况做更详细的划分。成形模的种类有拉延、成形、整形的压印等；冲裁模的种类有落料、冲孔、修边、切断和切废料等；弯曲模的种类有翻边、弯曲、折弯和卷边等。

冲模设计在新冲压件定型后才能进行。通常是根据冲压件的形状、冲模所用的材料进行详细设计。模具设计者除了要考虑零件的质量、生产性能、成本等主要因素外，还要考虑零件制造的工艺性。

车身冲压件工序数是衡量冲压工艺水平的重要标志之一。工序数的多少将直接影响到压力机数量、工装数量、传送装置数量、占地面积、人员及动能消耗等。所以冲压件工序数是影响冲压厂投资规模和冲压件制造成本的关键因素。

汽车车身总成分块的大小，将影响冲压件数量的多少及冲压件尺寸的大小。总成分块小，冲压件数量多，相应冲压线数量及冲模数量增多，焊接工作量增大，制造成本相应增高，并增加了生产管理的难度。总成分块大，不但汽车外形美观，而且冲压件数量、冲压线数量、工装数量少，焊接工作量相应减少，生产组织方便，制造成本低网。

国外档次较高的轿车都采用了整体侧围、整体顶盖等较大的总成分块。我国目前引起技术生产的轿车中，整体侧围、整体顶盖等先进设计已经被采用，这是今后轿车车身的发展方向。

左右件对称设计，不仅使整车外形美观，而且在制造过程中可以减少设备、工装、劳动人员及降低成本。大型覆盖件在工艺设计时，左右件对称冲压件一般分别拉延成形，单独生产。中小型左右对称冲压件一般采用成双拉延、成双生产工艺。

拉延工艺、修边、冲孔工艺、凸缘工艺

润滑影响成型性这是不争的事实。因此，高性能润滑剂可提供一种更高性能的膜以保护金属免于断裂、压裂或被焊接到模具上。好的润滑剂还能够减少摩擦热量，使金属流动不间断并能控制起皱或断裂。

针对这一问题，美国IRMCO公司作为世界知名从事润滑研究制造的专业公司，自三十年前就已成功研发的新型水基润滑技术解决了高强钢的成型问题。下面，结合多年来的研究和使用从润滑角度并结合该润滑技术的特点谈一下看法和意见。如下：

其一，严酷条件下的润滑保障。

1、由于高强钢的屈服力大，要屈服它比一般板材需要更多的能量，这种能量除了变形以外，很大程度上是板材与模具间推撞（摩擦）。因此，随着金属在冲压模具中变形温度会不断升高，油基润滑油都会变薄，有些情况下会达到闪点或者烧着（冒烟），润滑失效。而IRMCO高分子聚合物极温润滑剂中含有抗极压物并具有“热寻性”而且会粘到金属上，随着温度的升高在模具和板材表面形成一个坚韧的保护屏障，从而降低摩擦和温度，以帮助工件更好的延展，以此来控制摩擦和金属流动；同时保护金属不会过热，发黑而拉裂和粘接。（如下图4）

冲压润滑

同时，根据实际试验中的问题，我们在实验室里复制现场试验的结果。不同配方的油基和常规（肥皂）为基础的合成润滑剂，在高强钢上不能正常工作。废品率和模具磨损（擦伤）失控。（如下图5）

双相钢DP600-UHSS超高强钢试验报告

美国绿叶技术实验室对IRMCO产品和汽车行业通过认证的拉伸油以及合成润滑剂，在美国DP780超高强度钢上进行了成型对比实验。采用了俄亥俄州立大学的茵特拉根(Interlaken)拉伸成型测试法。这种方法被证实用于测试实际结果非常准确。IRMCO达到的数值是145 比汽车行业通过认证的拉伸油的115和合成润滑剂的110 超过了25%。数值越大说明成型能力越好（如下图6）。

拉伸成型测试

2、由于冲压过程中会产生温度，同时由于油的热容量比较大，热扩散比较差。而IRMCO水基润滑剂因温度产生形成水蒸气带走热量，不但有效的降低了温度，保护了模具，而且因温度所产生的微焊接磨损将得到有效的控制。同时还可以提高冲次。

其二、工具涂层的性能与润滑剂质量紧密联系。

传统的物理气相沉淀（PVD）和化学气相沉淀涂层（CVD）外部需要润滑发挥最大性能。IRMCO指出：“热扩艺可以减少摩擦磨损的问题。通过热扩散所产生的碳化钒可以形成耐久性、坚硬的表面，在苛刻的成形和冲压模面时，会极大的提高工具的使用寿命。如果使用的润滑剂无法承受高温、磨损和先进高强钢的加工硬化性，价值会大幅降低。因此，使用可满足高强钢需求的润滑剂，是达到涂层使用寿命最大化的关键。”

根据IRMCO技术的先进行及多年的应用经验，高强钢冲压模具无需花费高昂的涂层费用，就可以满足生产需要，并可以延长模具寿命。从（下图7）可以看出IRMCO润滑技术对模具的保护作用。冲压三千个工件后，工件表面质量及模具表面得到明显的改观（表面划痕明显减少）。IRMCO润滑技术对模具的保护

其三、高性能润滑可以使工件质量更加稳定。

模具间隙及模具的几何设计等是实现工件尺寸精度的重要内容。因此，这直接关系到对金属材料和润滑剂技术要求。如果间隙越小、越紧摩擦力越大，对润滑剂的要求也越高，但工件的成型精度也相对越高。由于IRMCO可以较好的控制摩擦和金属流动，所以可以保证工件质量更加稳定。

1、冲压成型：IRMCO产品和渗碳模具兼容，所含聚合物的热寻性在冲压温度升高时强力保证润滑膜层。降低了模具的工作温度，延长了模具寿命，同时可有效提高冲次和工件表面质量。

2、焊点焊接：不需任何处理就可以直接进行焊接，不但不会产生虚焊、假焊，而且不会产生有毒油烟和刺激异味，同时可以减少至少25%的焊接烟雾，不仅极大提高了工作效率的，而且保证了工人的安全和工件洁净并利于搬运，节省手套、棉纱等用量。

3、常温水洗：可以使用26.7~43℃清水进行清洗，大幅度降低能耗；可以使清洁池内沉淀物减少75%和75%的清洗用水；可直接排放，并达到对鱼类无害的标准，污水排放量的减少使处理费用降低。

4、磷化处理：由于易于清洗，可以使工件达到高清洁度，全面提高磷化效果。

5、电泳涂装：IRMCO 产品和电泳漆兼容，同时工件高清洁度增强了电泳涂装的质量。

6、面漆喷漆：IRMCO 产品可以与电烤漆和粉漆完全兼容。工件的高清洁度提高了喷漆附着力，漆可以喷得更薄，同时喷漆表面无气孔、流淌现象。^[1]

IRMCO热聚合无油金属成型润滑技术在车顶盖外板件的冲压测试：

测试背景:

随着环保限制的增加，冲压车间在变化、世界科技在变化，很多使用了多年的金属冲压原则都已经在变化，管理使用化学品的法律也在变化。金属冲压润滑剂已经发生了革命性的变化，要求其在不增加费用和废水处理设备的情况下，既要保证模具的高效能，生产过程低成本，又要达到环保规定。

当对整个生产过程进行测算时，润滑剂的性能呈现出了一种全新的意义。生产中所有影响环境的问题，似乎都是由润滑剂引起的：地板上的脏物、焊接油烟、手套、工作服的污染、工件的清洗以及喷漆系统、废水处理系统。

如果把环境责任定为一种标准，那么这些在将来的问题挑战都可以避免。方便的清洗以及与新喷漆工艺的兼容性都是值得去考虑的。环保意识的增强，同时带来了其他方面的改变。现在的冲压润滑剂必须具备完全的环保性能，保证用户的安全操作、高效生产、喷漆质量以及车间环境的清洁。

测试目的:

IRMCO (音译：爱美可)无油冲压润滑技术具备多性能，低成本，高环保等先进性能，可以帮助用户实现整个生产过程中无油化。在取得最高的产品质量和生产效率的同时获得更多附加值，有效地降低整体成本和加快生产进程，对环境的持续改善起到积极作用。为此，IRMCO与用户对实现上述愿景达成一致共识，期望通过一系列性能测试和经济测算的认证合作，以推动和实现IRMCO无油润滑技术的全面持续应用并达到上述之目的。

测试资讯:

一、测试合作的共识及意义

美嘉华国际与某重型卡车集团就美国爱美可高性能环保水基润滑技术的合作意义达成了共识，于2013年10月29日，美嘉华国际派工作人员前往该司进行现场测试，通过对车顶盖外板件约5000件冲压生产，现场检验达到了协议要求的预期测试目标。

依靠爱美可的技术特性和对冲压，焊接，涂装三大生产环节所带来的价值，通过与该司管理人员的沟通，他们意识到了爱美可对企业的重大意义。

1、IRMCO( 爱美可)水基润滑技术项目所倡导的无油化生产不仅局限在冲压环节本身，如果将其多元价值与整个生产过程进行关联时，其释放的效应和意义也势必超越生产过程本身，包括在产品品质、工艺流程、生产成本、工作效率以及节能环保等方面实现全面的优化提高。

2、“精益生产、绿色生态”是未来汽车制造的发展趋势，爱美可无油润滑技术是这一进程中不可或缺的重要组成部分。爱美可可以识别生产过程中的浪费，是生产管理的优化者。同时爱美可又不止步于企业生产管理本身，延伸还有社会效益，并符合公共利益，对提升企业品牌形象、实现可持续发展极具战略意义。

冲压工件情况描述

测试过程图片：

综合价值评估：