新材料在模具设计和汽车制造工艺中的应用分析刘平宇

新材料在模具设计和汽车制造工艺中的应用分析刘平宇

刘平宇

关键词：新材料；模具设计；汽车制造；应用

1新材料在模具设计中的应用

模具产业是实现我国国民经济发展的基础产业，大多数工业产品的设计质量取决于基础模具的制造水平。新材料的出现给模具制造业带来了新的灵感。模具的设计不仅需要考虑材料的选取及制造工艺，还需要考虑模具的运输及使用寿命等因素。目前模具设计发展的方向为：减轻模具质量、优化模具变形设计以及增强模具设计的人性化等。随着新材料的不断研发以及广泛应用，新材料势必会在模具设计中发挥不可替代的作用。新材料大都具有很强的灵活性及耐腐蚀性，应用于模具设计中的复合材料主要包括普通钢、INVAR钢、环氧树脂、稀土高强锌基合金以及铝合金等。普通钢拥有较好的力学性能，成本较低，但热膨胀系数较大，只适用于型面曲率要求较小的模具。INVAR钢材作为一种应用较为广泛的新材料，同样拥有良好的力学性能，但其热膨胀系数相比普通钢要低（2.2*10-t/℃，200℃），可完全满足于于结构复杂、尺寸大及曲率要求大的模具设计需求。新材料应用于模具设计制作中一般均采用数控加工技术。数控加工技术在生产新材料模具时能够有效的保证模具的精确度，并能提高模具生产效率。新型材料的模具设计过程中还应讲究对模具表面的处理，传统的钢性材料由于抗腐蚀性的缺失，模具使用过程一长便不可避免的导致模具出现不同程度的腐蚀，而由新材料设计而成的模具，在进行模具设计中对模具表面进行了激光处理、化学处理、表面覆盖等工艺，可保证模具表面即能光滑无痕，同时又增强了模具的抗腐蚀性。

2新材料在汽车制造工艺中的应用

2.1碳纤维材料在汽车制造工艺中的应用

碳纤维材料，简称CF，是一种具有高强度的、高模量纤维的新型纤维材料，材料本身的含碳量达到95%以上。碳纤维具有外柔内刚的特性，质量要比铝合金更轻，但是强度又要远高于钢铁，同时具有极佳的耐腐蚀性，因此被广泛应用于国防、军事、民用等领域。最早在汽车制造中使用碳纤维的，是赛车领域，但是因为碳纤维的造价极高，因此直到现在也只有那些超级跑车才会使用碳纤维作为制造材料，包括整个车身的发动机罩、车顶、两侧翼子板、车门、行李箱甚至是底盘、发动机舱的集气箱、车内饰板等，都可以采用碳纤维进行制造。总体来说，碳纤维的应用非常广泛，几乎包含了强度、刚性、轻量等各种优点，随着科技的不断发展，碳纤维材料将在汽车制造中被广泛应用。

2.2高强度钢板在汽车制造工艺中的应用

与传统的高强度钢板相比，新型的钢板是在低碳钢的基础上，融入了适量的微量元素，经过复杂的工序而成，具有较好的抗拉强度和深拉延性能，是车身轻量化的重要组成材料，能大大减轻整车重量，改善车身性能。新型钢板具有多种类型，其中低合金高强度钢板主要有含磷冷轧钢板，此外还有冷轧双向钢板和烘烤硬化冷轧钢板，不同新型钢板都有其自身优势，一般汽车外板、顶盖和车门等主要是用含磷冷轧钢板，具有较高的强度和耐腐蚀性特点，此外点焊性能也较高。另外冷轧双向钢板能很好满足车身零件的要求，特别是形状较复杂和强度要求高的零件。

2.3塑料在汽车制造工艺中的应用

塑料质量轻，耐腐蚀，成型工艺简单，而其低廉的价格更具有显著的优势。当前在汽车工业领域已大量使用塑料以代替各种昂贵的有色金属和合金钢材料，提高了汽车造型的美观与设计的灵活性，降低了零部件加工、装配与维修的费用，同时降低了汽车质量，减少了汽车的使用能耗。汽车的塑料化程度已成为衡量汽车工业发展水平的标志之一。汽车的轻量化趋势加快了塑料在汽车领域的应用，油箱、水箱、发动机盖等组件越来越多地使用塑料，而汽车的内饰化则加快了汽车塑料化的进程。此外，汽车的高科技化诸如防撞系统、导航系统、安全气囊等的应用使塑料在汽车上的应用范围日益广阔。在汽车用塑料中，聚丙烯（PP）逐渐成为用量最大的品种，在欧洲、美国和日本的汽车用塑料中都居首位。聚丙烯（PP）材料密度小，易成型，耐热性和耐化学腐蚀性强，尤其是近年来，随着共聚、合金化、共混、复合、动态硫化等改性技术的发展，高流动性、超高韧性、高刚性、高耐热等各种高性能PP相继问世，PP作为一种重要的新型结构材料，在汽车上的应用越来越广泛，用以替代较为昂贵的工程塑料。此外，出于对环保和便于回收循环使用的考虑，汽车工业更强调使用互相兼容的塑料，车用塑料的种类趋向统一化，而PP利于回收再利用，而且综合性能/价格比高，逐渐成为汽车用塑料的主导产品。汽车用PP零部件主要有保险杠、仪表板、门内饰板、空调系统部件、蓄电池外壳等，这5种应用占全车PP用量的一半以上，其他应用还包括冷却风扇、方向盘、各种壳体等。

2.4钛镁合金材料在汽车制造工艺中的应用

钛合金的质量轻、强度大，耐酸碱腐蚀性极佳，是一种非常理想的汽车制造材料。但是因为钛合金的造价非常昂贵，因此不可能大量使用，只能应用于汽车的节气门等关键性部件制造中。镁合金，顾名思义就是以金属镁为主要原料，加入其他微量元素形成的合金，具有密度小、强度大、弹性好、减震性能佳的特点，同时镁合金承受冲击载荷的能力要优于铝合金，耐有机物和抗碱耐蚀性更好，因此也是一种极佳的汽车制造材料。镁合金的质量大约只相当于铝合金的三分之一，因此使用镁合金更能够实现车身的轻量化，实现节能减排的目的。镁合金的强度要比钢材和铝合金材料更好，几乎相当于工程塑料；刚度几乎和钢材以及铝合金持平，又比工程塑料高出一个档次。镁合金具有十分优秀的抗冲击性能，可以大大降低汽车在行驶过程中产生的风噪、胎噪和路噪，提升车内的静谧性。镁合金具有良好的吸能效用，一旦发生意外，可以瞬间吸收大量的特高能量，保证驾乘者的安全。但是镁合金同样造价极高，一般只能用于高端汽车的制造。

3结束语

社会经济的高速发展必然带来新科技的发展，模具设计和汽车制造工业是我国行业发展的重要部分，传统材料显然不能很好满足现代化发展需求，所以新材料在模具设计和汽车制造中的应用尤为重要，关乎着我国整体经济的发展。在汽车制造业中广泛使用新材料，实现了人们对节能环保、舒适安全、低成本核算等方面的要求，使汽车在坚固性越来越强、重量越来越轻的基础上还能保证更多的功能使用，为人们带来更好的驾驶质感和乘坐体验。我国的汽车工业还处在一个发展时期，未来的路还很长，这就需要我国的汽车研究人员和工程师要努力攻关、勇于创新，将更多的新材料应用到汽车制造业当中来，推动我国汽车工业的更大进步和更好发展。

参考文献：

[1]材料成型与控制工程模具制造技术分析[J].胡嵩晗，李鑫，周志豪.四川水泥.2017（03）

[2]梁乾.浅析新材料在汽车轻量化中的应用[J].现代企业文化，2015，（6）：125.

[3]汽车轻量化材料技术综述[J].赵宇龙.汽车工艺师.2018（02）