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汽車車身制造工藝學(xué)論文|變截面薄板在車身制造中的應(yīng)用研究
【論文摘要】分析了汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵和主要途徑，指出在車身制造中采用變截面薄板是汽車自身減重且能夠提高汽車性能的有效措施。重點(diǎn)介紹了激光拼焊板和柔性軋制技術(shù)，著重討論了連續(xù)變截面輥軋板（TRB）在汽車輕量化中的應(yīng)用，并給出了TRB在車身制造應(yīng)用中尚需深入研究的重點(diǎn)。0前言
汽車工業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，據(jù)最新統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)已成為世界第4大汽車生產(chǎn)國(guó)。伴隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程，汽車工業(yè)的發(fā)展將會(huì)有著更為強(qiáng)勁的勢(shì)頭。然而，汽車在帶給人們迅捷與方便的同時(shí)，也帶來(lái)很多負(fù)面的影響，其中最令人關(guān)注的就是由汽車引來(lái)的全球能源短缺和尾氣排放對(duì)人類生存環(huán)境的污染問(wèn)題。針對(duì)汽車工業(yè)面臨的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，本文首先分析汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵和實(shí)現(xiàn)途徑，進(jìn)而介紹變截面薄板及其在汽車白車身制造中的應(yīng)用。
1汽車輕量化的內(nèi)涵和途徑
1.1汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵
不論是以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的燃油車，還是以新型燃料電池為動(dòng)力的電動(dòng)車或者混合動(dòng)力汽車，減輕汽車自身的重量——汽車輕量化問(wèn)題應(yīng)該是消除上述負(fù)面影響的一劑良方。因?yàn)槠囎灾卦捷p，需要的引擎也就越輕，耗油或耗電就會(huì)更低，同時(shí)尾氣排放量（對(duì)于燃油車）也越小。汽車輕量化將成為汽車工業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題。
然而，汽車輕量化絕非是簡(jiǎn)單地將其小型化而已。首先應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響，即既要有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時(shí)汽車本身的造價(jià)不被提高，以免給客戶造成經(jīng)濟(jì)上的壓力。
汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和輕量化材料的使用兩大方面[1]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可以采用前輪驅(qū)動(dòng)、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來(lái)達(dá)到輕量化的目的，在用材方面可以通過(guò)材料替代或采用新材料來(lái)達(dá)到汽車輕量化的目的[2、3]。
1.2實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑
據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車車身、底盤(pán)（含懸掛系統(tǒng)）、發(fā)動(dòng)機(jī)三大件約占一輛轎車總重量的65％以上。其中車身外、內(nèi)覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)，是汽車輕量化的重要途徑。
為減輕白車身的重量，首先應(yīng)在白車身制造材料方面尋找突破口。具體說(shuō)來(lái)可以有如下幾種方案：
1）使用密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料，像鋁鎂輕合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；
2）使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強(qiáng)度鋼；
3）使用基于新材料加工技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等。
方案1）和2）是通過(guò)更換車身材料種類來(lái)達(dá)到汽車輕量化的目的。而方案3）是從材料加工的角度出發(fā)，使經(jīng)過(guò)特殊加工后的鋼板材料的承載性能、成形性能或者其他方面的性能大大提高。這就是本文進(jìn)一步要探討的車用變截面薄板。
2變截面薄板
用于車身制造的變截面薄板分為兩種，一種是激光拼焊板（TailorWeldedBlanks，TWB），另一種是通過(guò)柔性軋制工藝生產(chǎn)的連續(xù)變截面板（TailorRollingBlanks，TRB）。下面分別介紹這兩種變截面板的制作工藝。
2.1TWB生產(chǎn)工藝
TWB是根據(jù)車身設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求，采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至不同原材料的金屬薄板焊接在一起，其加工過(guò)程如同裁縫在縫制衣服，用于沖壓成形的金屬板就像服裝面料那樣被隨心所欲地裁減和拼接，然后再進(jìn)行沖壓。這樣，沖壓工程師可以根據(jù)車身各個(gè)部位的實(shí)際受力和變形的大小，預(yù)先為某車身部件定制一塊理想的拼接板料，從而達(dá)到節(jié)省材料、減輕重量且提高車身零部件性能的目的。由于TWB可以根據(jù)需要任意進(jìn)行拼接，因而具有極大的靈活性，并且能按照等強(qiáng)度的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)一些原來(lái)是等厚度的車身零部件，并進(jìn)而把它們由原來(lái)的鍛造加工轉(zhuǎn)換為沖壓加工，既提高加工效率，又節(jié)省加工能源。
但是，TWB也有它的不足之處，一是在板料的拼接處存在著板料厚度的突然變化，這給沖壓模具的設(shè)計(jì)、制造帶來(lái)新的難題；二是在拼接焊縫及其附近區(qū)域有比較明顯的加工硬化現(xiàn)象，使在后續(xù)的沖壓過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，造成隱患，往往不得不增加一道熱處理工藝來(lái)消除這種硬化效應(yīng)。
2.2TRB的柔性軋制工藝
TRB是通過(guò)一種新的軋制工藝——柔性軋制技術(shù)而獲得的連續(xù)變截面薄板。即在鋼板軋制過(guò)程中，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整軋輥的間距，以獲取沿軋制方向上按預(yù)先定制的厚度連續(xù)變化的板材，參見(jiàn)圖1。這樣的變截面薄板經(jīng)加工后制成的汽車零部件將具備更好的承載能力，且明顯的減輕了重量。
圖1TRB柔性軋制工藝
Fig.1TRBflexiblerollingtcchnology
柔性軋制技術(shù)是TRB的核心。其實(shí)質(zhì)類似于傳統(tǒng)軋制加工方法中的縱軋工藝，但其最大不同之處是在軋制過(guò)程中，軋輥的間距可以實(shí)時(shí)地調(diào)整變化，從而使軋制出的薄板在沿著軋制方向上具有預(yù)先定制的變截面形狀。在柔性軋制過(guò)程中，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)軋機(jī)的實(shí)時(shí)控制來(lái)自動(dòng)和連續(xù)地調(diào)整軋輥的間距，從而實(shí)現(xiàn)由等厚度板卷到TRB板卷的軋制。這還要求在設(shè)計(jì)車身時(shí)必須預(yù)先考慮到后續(xù)成形加工中鋼板各個(gè)部位的實(shí)際受力和變形以及整個(gè)車身的承載情況，在軋制之前選定有利于后續(xù)加工的板料型面，然后再通過(guò)柔性軋制工藝將其軋制出來(lái)。當(dāng)前設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，已經(jīng)具備相當(dāng)成熟和功能強(qiáng)大的CAD/CAM/CAE軟件，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過(guò)DFM/DFA（面向制造的設(shè)計(jì)和面向裝配的設(shè)計(jì)）等手段予以實(shí)現(xiàn)。
2.3TWB與TRB的比較
可以從以下幾個(gè)方面對(duì)二者進(jìn)行比較：
1）減重效果TWB和TRB的應(yīng)用都是為了達(dá)到汽車輕量化的目的�；诠こ塘W(xué)中薄壁梁承載性能的基本理論，并以等厚度薄板作為參照，若由等厚度板、TWB及TRB三種板材制成的結(jié)構(gòu)件具有同樣的剛度，則其減重效果如圖2所示。
圖2等剛度條件下不同截面厚度的薄板減重效果
Fig2Lose-weighteffectofvariablesectionthicknessblanksinintrinsicrigidity
TRB之所以具有極佳的減重效果歸功于它的連續(xù)變化的截面形狀，也就是說(shuō)，用最少重量的TRB材料制成的車身結(jié)構(gòu)件能達(dá)到其他兩種板料一樣的剛度。
2）機(jī)械性能和應(yīng)用效果由于TWB存在厚度突變和焊縫的影響，且焊接添加金屬材料與被焊接基材在材料特性上必然有一定差異，致使TWB在沿長(zhǎng)度方向上的硬度也會(huì)發(fā)生跳躍式的變化，如圖3a）所示。
這將為后續(xù)的成型加工帶來(lái)極為不利的影響。再就是TWB的焊縫從外觀上來(lái)說(shuō)即使采用任何涂裝措施也無(wú)法徹底掩蓋，因此它不適宜用作車身外覆蓋件材料，而一般用來(lái)制作內(nèi)覆蓋件或支承結(jié)構(gòu)件。相比之下，TRB具有較好的機(jī)械性能，其在沿長(zhǎng)度方向上的硬度變化比較平緩，沒(méi)有TWB那樣的硬度和應(yīng)力波峰，具有更佳的成形性能；TRB所制成的零部件厚度可以連續(xù)變化，以適應(yīng)車身各部位的承載要求；其表面變化是連續(xù)、光滑的，因而可以制作各種車身外覆蓋件。參見(jiàn)圖3b）。
3）工藝復(fù)雜程度TWB可以通過(guò)激光焊接工藝進(jìn)行任意拼接，因此具有很大的靈活性。但由于它是不同厚度板材的對(duì)接或搭接，致使在拼接處板料厚度有突變，此外在焊縫及其附近會(huì)產(chǎn)生局部硬化，所以不得不增加一道熱處理工藝來(lái)消除硬化效應(yīng)，從而加大了工藝復(fù)雜程度。TRB則是靠柔性軋制工藝在不同厚度的板料之間形成一個(gè)連續(xù)的、緩變的過(guò)渡區(qū)，不存在TWB的焊縫問(wèn)題。但它的不足之處是受軋制工藝和軋機(jī)設(shè)備的限制，其厚度變化只能發(fā)生在板料的初始軋制方向上；此外，現(xiàn)有的軋制工藝還無(wú)法把不同金屬材料的板料“軋制”在一塊整板上；即在靈活性上不如TWB。
由以上對(duì)比分析可知，TWB和TRB在減重、機(jī)械性能、制造工藝等方面各有自己的特色和不足之處；從綜合指標(biāo)來(lái)看，TRB具有更大的優(yōu)勢(shì)。因此，為達(dá)到汽車輕量化的目的，似有一種更好的方案：即把TRB與TWB組合在一起，制成真正意義上的“任意拼接板”（TailoredBlanks）。優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而得到一種新型的汽車輕量化用材。
圖3沿板料長(zhǎng)度方向TWB與TRB硬度變化比較
Fig.3comparevariationofhardnessTWBwithTRBalonglongnessofsheetmaterials
3TWB/TRB在汽車車身制造中的應(yīng)用及研究重點(diǎn)
3.1TWB/TRB為汽車輕量化帶來(lái)的好處
鑒于TWB/TRB具有上述一系列的優(yōu)良特性，采用TWB/TRB制造輕量化的車身零部件，能夠帶來(lái)如下一些好處：
1）TWB/TRB的厚度分布可以根據(jù)車身零部件所受到的載荷來(lái)調(diào)整，即所謂“度身定做”，使車身零部件的重量大大減輕，且性能得以提高。
2）TWB/TRB的截面形狀可以預(yù)先選擇，使采用TWB/TRB沖壓成型的車身零部件具有更好的抵抗變形的能力。
3）TRB連續(xù)變化的截面提供了有利于后續(xù)成型加工的可能性。比如，事先運(yùn)用有限元分析或數(shù)字模擬技術(shù)判斷車身覆蓋件在沖壓過(guò)程中可能出現(xiàn)拉裂或材料流動(dòng)性較大的部位，那么，在車身設(shè)計(jì)階段就可以為某一部件的某個(gè)部位預(yù)先分配較大的板料厚度，從而有效地避免廢品的發(fā)生。
3.2應(yīng)用實(shí)例
在一些汽車制造強(qiáng)國(guó)（如德國(guó)），TWB和TRB已經(jīng)開(kāi)始投入汽車工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用之中。
圖4a）所示為一個(gè)用在“奔馳”E級(jí)轎車上的TRB原型零件[4]。這個(gè)由TRB沖壓成型的“側(cè)框”位于轎車后部，左右對(duì)稱。前端板料厚度為0.88mm，與左右側(cè)圍相接，后端板料厚度為1.15mm，恰是汽車追尾時(shí)的敏感部位，中間區(qū)域板料厚度均勻過(guò)渡。如此設(shè)計(jì)制造，匠心之所在不言而喻。
圖4b）和圖4c）所示為另外兩個(gè)TRB在汽車車身零部件制造中的應(yīng)用實(shí)例。圖4b）所示的零件是“克萊斯勒”轎車上的一個(gè)橫梁，用TRB代替原來(lái)的等厚度板料，零件重量減輕25％，而且承載性能得到了提高。圖4c）所示是“大眾”轎車上的一個(gè)邊梁，其承受較大載荷的彎曲部位的板料厚度為3.0mm，而兩端的板料厚度僅分別為2.0mm和1.5mm，減重幅度達(dá)到45％。
a)后左（右）側(cè)框b)“克萊斯勒”轎車車身橫梁c)“大眾”轎車車身邊梁
圖4用TRB沖壓成形的車身零部件
Fig.4auto-bodypartsofstampinginTRB
3.3TRB應(yīng)用中的研究重點(diǎn)
目前,圍繞著TRB的加工和應(yīng)用方面的研究還不是十分成熟，還有不少深層次的理論問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題有待研究。比較突出的重點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：
1）車身覆蓋件沖壓模具的設(shè)計(jì)用普通等厚度板材沖壓成型的車身覆蓋件模具的設(shè)計(jì)已經(jīng)是相當(dāng)復(fù)雜的工作，更何況變截面薄板的沖壓成形的模具設(shè)計(jì)。因?yàn)閷?duì)于變截面薄板來(lái)說(shuō)，原來(lái)基于等厚度板材所建立的力學(xué)本征模型、數(shù)值仿真模型及三維幾何模型都不再完全適用了。需要花大力氣重建這些模型和設(shè)計(jì)覆蓋件模具。但可以借鑒學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)在車身模具設(shè)計(jì)、制造方面積累了大量的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，從中再挖掘其不同之處定能找到新的出路。
2）變截面薄板沖壓過(guò)程中的變形學(xué)術(shù)界和工業(yè)界通過(guò)有限元分析及數(shù)值模擬等手段已經(jīng)基本上摸索出等厚度薄板沖壓成形和材料流動(dòng)的規(guī)律，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。變截面薄板的引入使車身覆蓋件的沖壓成形過(guò)程變得更為復(fù)雜，在同樣的壓邊力和拉伸力下，板料各個(gè)部位的變形都不均勻，成形過(guò)程控制更難；必須建立新的數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展以高性能計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的三維數(shù)值模擬來(lái)營(yíng)造“虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReal）”環(huán)境，以預(yù)測(cè)變截面薄板在沖壓過(guò)程中的變形和材料流動(dòng)情況，從而找出相應(yīng)的對(duì)策。
3）板料回彈對(duì)于等厚度薄板沖壓卸載后工件回彈量的精確補(bǔ)償，與材料本身的物理非線性、力學(xué)上的邊界非線性和模具型腔的幾何非線性等密切相關(guān)，工程上往往是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取一些數(shù)據(jù)，再進(jìn)行工程分析，即確定材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系、各種應(yīng)力應(yīng)變曲線及材料的各相異性等參數(shù)，以有限元仿真、數(shù)值模擬的手段來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，修改原覆蓋件三維設(shè)計(jì)模型，最終獲得一個(gè)與所要求的工件模型不同的模具型腔模型，以解決回彈量的補(bǔ)償。而對(duì)于TRB來(lái)說(shuō)，由于其本身結(jié)構(gòu)的特殊性，即沿軋制方向連續(xù)變化的截面形狀及由此引出的材料機(jī)械性能的非均一化，將會(huì)使工件回彈問(wèn)題變得更為復(fù)雜。顯然，要真正使TRB獲得大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，必須對(duì)TRB的回彈問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，以冀掌握TRB回彈的機(jī)制、比較精確地控制和補(bǔ)償回彈量，最終獲得令人滿意的TRB材料車身零部件。在這一方面，以德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成型研究所（IBFofAachenUniversity）ReinerKopp為首的研究隊(duì)伍與工業(yè)界密切合作，已經(jīng)開(kāi)始了一些探索性的研究工作，并取得初步的成果；我國(guó)上海交通大學(xué)模具技術(shù)研究所也在開(kāi)展類似的研究[4、5]。
4結(jié)論
1）汽車輕量化對(duì)于汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有十分重要的意義。
2）在汽車車身制造中采用變截面薄板以減輕車身自重，并提高車身抗振性能和承載性能，是汽車輕量化的重要途徑之一。
3）應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步地在車身設(shè)計(jì)中深入開(kāi)展變截面薄板（TRB、TWB）的應(yīng)用、柔性軋制工藝以及相應(yīng)的沖壓模具設(shè)計(jì)、探索變截面薄板在沖壓過(guò)程中的變形規(guī)律及工件回彈機(jī)理、回彈量控制、補(bǔ)償?shù)确矫娴难芯浚詳U(kuò)大變截面薄板在汽車白車身制造中的應(yīng)用空間。
參考文獻(xiàn)
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