第三节 汽车制造的新技术新工艺

近二十年来是汽车产业技术高速发展的时期，汽车制造技术和制造工艺已有了显著的进步。在此不可能涉及汽车制造新技术新工艺的全部，只举几个典型的示例。

一、高速干式切削加工工艺

高速干式切削加工是在无冷却、无润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。它采用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。实践证明，当切削参数设置正确时，切削所产生热量的80%可被切屑带走。

高速干式切削加工已成为各类齿轮制造工艺发展的新趋势。只要工艺参数选择合理，并采用新型的硬质合金刀具高速切削，可使加工时间大大缩短，刀具寿命更长。日本三菱公司、美国格里森公司等都在这方面开展了卓有成效的研究，而且已在汽车产业开始应用。

日本三菱公司推出了世界上第一套干式滚切系统。它采用的切削速度是传统滚切速度的若干倍，可达到200m/min。干式滚切对滚刀有特殊的要求，三菱公司设计的专用干式滚刀，采用MACH7高速钢，表面涂有专用涂层，有助于散热并减少刀具损耗，其寿命可延长到一般湿切方式的5倍。这一系统在加工汽车末级传动齿轮、大型载重齿轮、汽车小齿轮及行星齿轮时效果都很理想，生产成本至少降低40%。

美国格里森公司用硬质合金滚刀在Phoenix机床上用干式切削法加工锥齿轮，与传统的高速钢刀具湿式切削法相比，可减少切削时间50%，而且齿轮的表面粗糙度显著降低，几何精度大大提高。床身内部采用循环冷却方式，以利于维持热平衡。此外，机床还配有一套真空除屑除尘系统。这一系列滚齿机滚切转速可达3000r/min。

美国费特公司（LMT-Fette）采用硬质合金刀具干式滚切齿轮，使齿轮单件加工时间和成本明显降低。日本坚藤铁工所开发的KC250H型干式滚齿机，采用硬质合金滚刀、冷风冷却和微量润滑进行高速滚齿，由于供给的是温度稳定的冷风，工件的热变形极小。

高速干式切削法有如下优点：首先，由于它省去了油屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，机床结构紧凑；其次，这种方法极大地改善了加工环境，加工费用大大降低。为进一步延长刀具寿命、提高工件质量，可在齿轮干式切削过程中，每小时使用10～1000mL润滑油进行微量润滑。这种方法产生的切屑可以认为是干切屑，工件的精度、表面质量和内应力不受微量润滑油的负面影响。

干式切削与湿式切削相比，不但极大地提高了机床生产效率，降低了工件加工成本，而且有利于保护环境，节约自然资源。在国外，干式切削的研究和应用已比较广泛，据有关部门统计，目前在西欧已有近一半企业采用干式切削加工。国内虽有部分机构在从事这方面的研究，但在齿轮加工领域的应用还是空白。

二、无屑加工工艺

无屑加工的内容较丰富，且应用范围呈现出逐渐扩大的趋势。目前，汽车产业应用无屑加工工艺最成功的案例是利用摆动辗压成形工艺加工汽车齿轮、离合器盘毂、轴承、万向节等。

摆动辗压加工又称旋转锻造（Rotaryforging）、轨道成形（Orbitalforging）、摇动锻造等，是当今世界上迅速发展起来的一种新型高精度、高效率、无切削金属成形工艺。美国、瑞士、德国、日本等工业发达国家已广泛将其应用于汽车、摩托车、电器等相关产业。我国在20世纪90年代开始引进具有国际先进水平的摆辗设备，如瑞士SCHMID公司的T200、T400、T630冷成形摆辗机等。

摆动辗压加工采用连续局部加载成形的方法生产锻件，与其他生产工艺中锻件成形方法相比具有如下诸多优点：

1）锻件成形的变形力仅为常规锻造方法变形力的1／20～1／5，因此加工过程的能耗小。

2）锻件可在冷态、温态或热态下成形，摆动辗压能使锻件毛坯变形均匀，金属纤维流向更趋合理，提高尺寸精度并降低表面粗糙度，实现无屑加工，节省原材料。

3）可单机也可组线生产，易实现生产过程的机械化和自动化。

4）特别适合于其他锻造工艺难以生产的薄且形状复杂的盘饼或半轴法兰类锻件的生产。

5）采用非冲击性锻压加工方式，运行中振动和噪声小，易于创造良好的工作条件，对车间厂房及动力供应设施均无特殊要求。

6）设备结构简单、体积小、重量轻、操作简便、使用可靠、价格便宜、一次性投资少。

7）可采用镶块模，模座模套可通用，生产不同产品时，只需更换模芯（镶块），模具结构简单、体积小、易造易装、节约模具用钢。

8）锻件生产成本低，企业经济效益和社会效益高。

鉴于此，摆动辗压生产工艺与设备受到世界各国的重视，尤其是近十几年来得到了迅速发展和广泛应用。

三、激光焊接工艺

激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶实现焊接。激光焊接的机理有两种：

1.热传导焊接

当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，另一部分被材料吸收，将光能转化为热能而使材料受热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。

2.激光深熔焊

当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸气，在蒸气退出表面时产生的反作用力作用下，熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在一起。

此两种焊接机理可根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊接参数得到不同的焊接机理。这两种方式最基本的区别在于：前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，因为激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换，由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能量密度和激光脉冲持续时间。

激光焊接与其他传统焊接技术相比，具有许多独特的优点：

1）速度快、深度大、变形小。

2）能在室温或特殊条件下进行焊接，激光通过电磁场时，光束不会偏移，焊接设备简单。

3）激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

4）可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。

5）激光聚焦后，功率密度高，当采用高功率器件焊接时，深宽比可达5:1，最高可达10:1。

6）可进行微型焊接，激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。

7）可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，尤其是近几年，由于在YAG激光加工中采用了光纤传输技术，使激光焊接获得了更为广泛的推广和应用。

8）激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。

由于激光焊接具有上述诸多优点，因此已在汽车、电子、生物医学、机械制造、粉末冶金等多领域得到了广泛应用。激光焊接在汽车产业中应用最多的是对聚合物工件及车身覆盖件与结构件的焊接，如图1-16和图1-17所示。

四、超声波焊接

超声波焊接的原理是将由超声发生器产生的20kHz（或15kHz）高压、高频信号，经换能系统将其转换为高频机械振动施加到工件上，通过工件表面及内在分子间的摩擦使接口的温度升高，当温度达到工件自身的熔点时，接口处迅速熔化，继而填充于接口间的空隙，当振动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便形成完美的焊接。超声波焊接是一种较新的焊接工艺，由于其具有如下诸多优点，因此在各工业领域的应用日渐广泛。

1）可焊接的材料范围广，可用于同种金属材料，特别是高导电、高导热性的材料（如金、银、铜、铝等）和一些难熔金属的焊接；也可用于性能相差悬殊的异种金属材料（如导热、硬度、熔点等特性差别较大的材料）、金属与非金属、塑料等材料的焊接；还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。

2）焊件不通电，不需要外加热源，接头中不出现宏观的气孔等缺陷，不生成脆性金属化合物，不会出现像电阻焊容易出现的熔融金属喷溅等现象。

3）焊缝金属的物理和力学性能不发生宏观变化，其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头高，稳定性好。

4）被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件表面的处理简单。

5）形成接头所需电能少，仅为电阻焊的5%；焊件变形小。

6）不需要添加任何黏结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。

超声波焊接的主要缺点是受现有设备功率的限制，因而焊件的厚度不能太厚，接头形式只能采用搭接接头，尚无法实现对接接头的焊接。

在汽车产业，超声波焊接主要用于塑料件及内外装饰件的焊接，如汽车保险杠、门内板和电线束等。超声波焊接设备如图1-18所示。

五、激光热处理工艺

激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属表面进行强化处理的方法，它可以对金属实现相变硬化（或称表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火）、表面合金化等表面改性处理，达到用传统表面淬火方式所达不到的良好力学性能。经激光处理的金属表面硬度，对于铸铁可以达到60HRC以上，中、高碳钢可达70HRC以上。激光热处理技术与其他热处理如高频淬火、渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：

1）无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面的组织结构，处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅（一般可达0.1～0.8mm）。

2）处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，处理层表面是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。

3）被处理工件的变形极小。由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-7～10-3s），零件的热变形区和整体变化都很小，故特别适合于高精度零件的处理。

4）加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向任何处理部位，从而可方便地实现对深孔、内孔、盲孔和凹槽等的处理和选择性的局部处理。

激光热处理已在汽车产业得到了较广泛的应用，如发动机缸体缸套、曲轴轴颈、齿轮与齿轮轴的热处理等，如图1-19和图1-20所示。

六、车身铝合金压铸成型工艺

为了降低汽车的燃料消耗、提高电动汽车的续驶里程，轻量化是最有效的方法之一。实现汽车的轻量化，现阶段最常用且有效的方法就是选用轻质高强度材料和对产品结构进行优化。车身是汽车各总成部件中尺寸与质量最大的部件，选用轻质材料能达到良好的轻量化效果。尽管选用碳纤维制造汽车车身其减重效果会明显优于铝合金及铝镁合金，但由于碳纤维的成本太高，对于中低档汽车仍不太现实。正因为如此，全铝合金车身及铝镁合金车身已在多车型中开始应用。由于铝合金、铝镁合金板材的成本远比钢板贵，且铝合金、铝镁合金的焊接性能远比钢材差，为了降低全铝车身的成本，车身铝合金、铝镁合金压铸成型备受业内重视，并已开始在少数车型中得到应用。现阶段，铝合金、铝镁合金压铸车身有压铸大片构件焊合车身和车身整体压铸成型两种不同的技术路径，如图1-21和图1-22所示。当然，整体压铸成型车身具有工艺环节少、生产效率高、车身强度高等诸多明显的优势，但压铸设备十分庞大，设备一次性投入大。