新能源汽车轻量化加工的技术探索

新能源汽车轻量化加工的技术探索

沈涛,汪晓君

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摘要：近年来，随着我国综合国力的不断提升，国内的新兴技术也随之逐渐被人们重视起来，其中新能源汽车产业发展取得积极成效。在该产业发展过程中，绿色制造是其主要特征之一，节能降耗、减少排放以及提高安全性能成为汽车行业发展方向，汽车轻量化技术是促进节能环保的重要措施。其突出表现在：车身零部件材料由铸铁件、钢件向铝合金转变，特别是电池壳体和电机壳体等关键零部件的材料“瘦身”，加之壁薄、体积大及形状复杂，给加工制造带来了不小挑战。

关键词：新能源；汽车；轻量化加工；技术

引言

随着国家政策导向及大力推广，新能源汽车市场呈现出一片欣欣向荣的景象。据中国汽车工业协会发布的数据，2022年我国新能源汽车销量达到688.7万辆，同比增长93.4%，中国的新能源汽车市场已是全球第一大市场。电机壳作为新能源汽车电机驱动系统的重要零部件，具有尺寸精度高、表面质量要求严格和轮廓形状复杂等特点，直接影响新能源汽车的主要性能。因此，在加工电机壳时，如何实现较高的零件尺寸精度及形位公差，加工钢件轴承孔时如何选择刀片和切削参数，根据主轴尺寸如何选择加工策略和刀具结构等成为刀具企业重要的技术开发点。

1新能源汽车前盖内板冲压成形设计

1.1冲压工序设计

某新能源汽车前盖加强板零件的尺寸大、拉延深度小，冲压时易出现拉伸不足和发生开裂、回弹等缺陷。为避免这些缺陷的产生，根据零件的特点设置前盖加强板的冲压工序为拉延、切边、整形。

1.2拉延模型面设计

由前盖加强板的设计可知，汽车厂给出的是零件设计，该设计无法直接用于拉延工艺，需要按照拉延工艺模具的要求构建拉延模型面，构建的拉延模型面设计包括冲压方向选定、压边圈面设计、工艺补充面设计和拉延筋的设计。

1.2.1冲压方向选定

冲压方向的选定直接影响到拉延模型面的可行性。在设计汽车前盖内板时以车身坐标为参考，拉延设计时需要调整坐标方向以符合冲压设计规范。通过Dynaform对零件的冲压角进行分析，确保只需要一次完成拉延，最终获得冲压方向为-Z方向。

1.2.2压边圈面设计

压边圈面是零件轮廓外的型面，它是冲压成形重要部分，压边圈面的优劣对汽车冲压件的冲压成形有着十分重要的影响。设计压边圈面时应满足压边圈面变化均匀和平缓、形状简单、加工方便等要求。根据汽车前盖内板的特点，设计的压边圈面形状为矩形。

1.2.3工艺补充面设计

工艺补充面是零件外轮廓与压边圈面之间的过渡面和零件中间孔槽的填充面，主要起着零件外轮廓与压边圈面之间桥接作用，使板料更加充分成形。设计工艺补充面时需要考虑补充面的光顺性和对后续工序的影响。

1.2.4拉延筋设计

拉延筋的作用是增加拉延成形时板料在压边圈面和凹模之间的摩擦力，以及控制板料的流动性以提高板料的塑性变形。合理设计的拉延筋能改善零件成形质量、减少能量损耗。在仿真分析中，拉延筋有真实拉延筋和等效拉延筋2种，真实拉延筋需要在凹模和压边圈面中创建相应的造型，等效拉延筋是通过相同的约束条件完成相同的拉延效果。本实验利用Dynaform的DRAWBRADS模块在凹模中添加等效拉延筋。

2碳纤维复合材料车门的结构优化设计

2.1自由尺寸优化

通过自由尺寸优化对车门进行初步优化，形成设计优化方向。相比其他优化方式，自由尺寸优化消耗的时间更短，并且不会改变车门的三维结构，能够在满足约束条件的前提下，最大限度地减轻整体质量。设计变量设定为每个板件的厚度，约束条件根据前文中传统钢制车门的静力学分析结果，设定为Z方向上位移最大为±8.5mm，取1.5mm的裕度是为之后的进一步优化做铺垫，使车门始终满足最低的刚度要求。

2.2尺寸优化

尺寸优化是对模型具体细节参数的优化，在不改变模型形状和连接方式的基础上修正厚度、长宽等尺寸，使有限元分析结果能够满足静力学和模态频率要求。对自由尺寸优化后的迭代结果进行尺寸优化，车门的最大厚度在自由尺寸迭代结果的基础上由10.7mm减少到6.718mm。尺寸优化后的车门在垂直工况下最大变形位移出现在车门窗框上沿边缘处，数值为8.211mm，相比单纯的自由尺寸优化，刚度有所下降，但是仍然符合工程要求。在优化后，每一层从原有的4层增加到了48层，最终铺层数目为192层。

2.3铺层顺序优化

铺层顺序优化是在不改变铺层厚度、形貌和结构的前提下，对车门铺层的叠加顺序进行优化，目的是在原先的基础上改善刚度和模态频率。为了结构优化的方便，本文采用的初始铺层数目为4层。而在工程中对于4层的复合材料常用的铺层角度是0°、±45°和90°。进行静力学分析后发现，经过铺层顺序优化后的刚度性能表现更好，相比于优化之前的车门，变形也减少了很多。

3钢制前副车架性能分析

3.1挤压铝前副车架工艺简介

挤压铝前副车架工艺总共分为五大过程，即型材挤压、零件加工、零件时效、总成焊接和总成检测。挤压铝副车架选用铝材6082-T4态，强度低、夹具可压紧性好、T4态焊接变形小、热内应力小。根据零件的特性，选择数控加工（Computer Numerical Control,CNC），模弯成型等工艺。部分零件经过10小时170℃的时效处理，使得6082-T4达到T6状态，某些铝材供应商通过调节元素配比，可实现铝材6082-T6态屈服强度≥310MPa、抗拉强度≥330MPa；分总成采用手动熔化极惰性气体保护焊（Metal Inert Gas Weiding,MIG）或非熔化极惰性气体保护电弧焊（Tungsten Inert Gas Welding,TIG），辅以简易夹具，总成采用机器人冷金属过渡焊（Cold Metal Transfer,CMT），辅以自动化夹具，总成硬点100%质检，以便达到整车装车要求。

3.2挤压铝前副车架设计

基于同一款车钢制前副车架硬点优化设计的挤压铝前副车架总成装配，挤压铝前副车架总共分为16个零件，这16个零件的厚度作为离散变量，步长为0.1mm，以初始厚度的20%作为上下偏差，采用简单遗传算法（Genetic Algorithm,GA）进行优化求解，种群规模设置为200，最小迭代次数设置为25，迭代上限设置为50，变异率为0.01，以质量、强度、模态、动刚度作为综合评估指标，最终各零件厚度选择如表4所示，总重18.1kg，零件成本633元/件，重量相较于钢制前副车架减重34%。

3.3挤压铝前副车架性能对比分析及路试验证情况

采用与前述钢制前副车架同样的分析方法分别分析挤压铝前副车架强度、模态和动刚度，向前紧急制动工况、极限右转向、单侧过深坑工况强度应力云。经过优化设计的挤压铝前副车架已完成侧向、纵向和垂向台架耐久各20万次，挤压铝前副车架搭载至OTS1阶段路试车已完成44000km全里程路试考核，包含17000km强化坏路考核，满足设计要求。

结束语

伴随新能源汽车的不断发展，新能源汽车相关零部件企业在追求高效率和高品质的同时，还需要迎合整个制造业大势，在智能制造方面做出创新变革。行业专家指出，从智能化方向而言，即通过数字化技术，对一体化压铸流程与整车结构设计流程进行赋能，让系统对需要大量实验、验证和优化的过程进行深度学习，实现算法建模，仿真模拟和虚拟分析，主要用于降本增效，并提高实验数据的可靠性；从数据化方面来说，即联合产业上下游对实验数据，业务数据进行共同的定义，输出统一的衡量标准和数据模型体系，主要用于统一行业标准。此外，建立便捷、专业的沟通对接平台也非常重要，可使主机厂与上游厂家实现协同发展，保证高效生产。

参考文献

[1]常量,张建飞.碳纤维复合材料在航空领域应用初探[C]//2010全国机械装备先进制造技术(广州)高峰论坛论文汇编,中国广东广州:出版社不详,2010.

[2]樊伟.新能源汽车铝合金冲压轻量化技术[J].装备维修技术,2020(2):102-102.

［3］徐晶晶.新能源汽车铝合金板的冲压性能与微观组织研究［J］.湖南文理学院学报（自然科学版），2022，34（1）：56-60.