佟海南，耿明亮，趙建朋

（長城汽車股份有限公司 生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)中心，河北 保定 071000）

0 引 言

為滿足汽車工業(yè)節(jié)能和輕量化的需求，要求汽車零部件在滿足性能要求的同時盡可能實現(xiàn)質(zhì)量的最輕化。實現(xiàn)汽車車身輕量化目前主要有2種常用途徑：①優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)，在不減弱有效工作部分強度的情況下，最大程度地縮小零部件尺寸，減輕零件質(zhì)量；②使用高強度板材、復(fù)合材料、合金材料等輕量化材料成形汽車零部件。軋制差厚板（tailor rolled blanks，TRB）應(yīng)用于整車零部件將會成為各汽車廠逐步采納和利用的減輕質(zhì)量方案之一。以下結(jié)合某車型頂蓋后橫梁下板，對TRB應(yīng)用于汽車零部件開發(fā)的成形性及工藝設(shè)計進(jìn)行研究。

1 TRB簡介

1.1 TRB的定義

汽車同一零件的不同位置要求不同承載能力的差異化，稱為零部件的性能柔性分布，軋制差厚板（TRB）可以滿足這一要求，也稱為變厚板（variable-thickness rolled blanks，VRB）。

軋制差厚板通過軋機(jī)實施柔性軋制獲得。在軋制過程中，借助特殊設(shè)計的軋機(jī)壓下厚度自動控制系統(tǒng)控制軋輥的位置，使其間距實時調(diào)整變化，使軋制的薄板在沿鋼板軋制方向上具有預(yù)先設(shè)定的變厚度分布。板料截面如圖1所示。目前國內(nèi)已經(jīng)批量生產(chǎn)TRB，多數(shù)TRB應(yīng)用處于開發(fā)試驗階段，應(yīng)用前景廣闊。

圖1 TRB截面

1.2 TRB的性能

軋制差厚板（TRB）與激光拼焊板（tailor welded blanks，TWB）同為不等料厚板料，唯一區(qū)別在于過渡區(qū)的形式不同。通過對比，軋制差厚板的性能優(yōu)勢如下。

（1）整車輕量化。激光拼焊板采用激光焊接技術(shù)將不同厚度、不同材料的金屬薄板焊接在一起，過渡區(qū)存在臺階，然后再沖壓成各種零件，與常規(guī)等厚度板料相比，其減輕效果可達(dá)20%；軋制差厚板則通過軋機(jī)實施柔性軋制獲得，過渡區(qū)無臺階圓滑過渡，與常規(guī)等厚度板料相比，其減輕效果可達(dá)40%。板料截面效果對比如圖2所示。

圖2 不同板料形式

（2）板料工藝成形性。由于TWB可以根據(jù)需要進(jìn)行拼接，較靈活，但在板料的拼接處存在厚度突變，使回彈預(yù)測、模具設(shè)計制造、焊縫移動控制成為新的難題，且焊接引起的材料硬化現(xiàn)象影響后續(xù)成形，因此，TWB不適宜成形車身外覆蓋件。另外，激光拼焊板對焊縫的質(zhì)量要求高，焊縫開裂也是影響拼焊板成品率的因素之一。相比之下，TRB技術(shù)沒有焊縫，表面質(zhì)量好，可成形汽車覆蓋件，由于零件厚度連續(xù)變化，且用過渡區(qū)代替焊縫，連接強度大幅提升，均勻性好，強度分布連續(xù)，根據(jù)應(yīng)力均衡原理，TRB零件的成形性能較優(yōu)。

（3）制作工藝及成本。TRB工藝操作與普通等厚度板的成形基本相同，可連續(xù)生產(chǎn)，效率高，且過渡區(qū)光滑連接，比拼焊板的模具設(shè)計簡單。在成本方面，相比多條焊縫的TWB板，TRB板材具有明顯的競爭優(yōu)勢。

（4）TRB技術(shù)不足：①與激光拼焊板相比，TRB技術(shù)的板料僅是單一材料牌號，因而零件拼接時靈活性不足；②差厚板由整塊板料軋制而成，不能將不同材質(zhì)的鋼板拼接；③對于中空的零件，TRB的材料利用率比TWB低，因此，類似車身側(cè)圍外板的中空零件，差厚板的材料利用率比激光拼焊板低；而對于實心零件，TRB技術(shù)是最佳選擇；④受技術(shù)條件制約，TRB只能實現(xiàn)900 mm以內(nèi)的軋制寬度，應(yīng)用范圍受限。

1.3 TRB應(yīng)用范圍

綜合TRB性能的優(yōu)、缺點，經(jīng)過對國產(chǎn)某B級車的零件梳理，發(fā)現(xiàn)至少有近20個零件可以應(yīng)用TRB技術(shù)，包括前后地板縱梁、B柱和門檻加強板、頂蓋各個橫梁、儀表盤支架、中通道加強板等，經(jīng)統(tǒng)計零件總質(zhì)量達(dá)75 kg。

2 零部件結(jié)構(gòu)及工藝分析優(yōu)化

2.1 前期同步工程（SE）對TRB零件分析

某車型頂蓋后橫梁下板，如圖3所示，材質(zhì)為250P1，厚區(qū)料厚為1.2 mm，薄區(qū)料厚為0.8 mm，圖3框內(nèi)白線位置為TRB過渡分界線，過渡區(qū)域長50 mm，存在孔特征。

圖3 TRB板材頂蓋后橫梁下板

結(jié)合沖壓工藝要求，為保證零件成形質(zhì)量，需對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于TRB存在料厚落差，過渡區(qū)間板料厚度不一致導(dǎo)致該區(qū)域沖孔間隙無法保證，零件沖孔容易出現(xiàn)毛刺，導(dǎo)致整車生銹，降低整車防腐品質(zhì)。經(jīng)過優(yōu)化后，取消零件過渡區(qū)間的孔特征。

驗證減輕效果?，F(xiàn)采用TRB成形零件，板材厚區(qū)料厚為1.2 mm，薄區(qū)料厚為0.8 mm，零件質(zhì)量為2.479 kg；若采取常規(guī)板料，料厚為1.2 mm，零件實際質(zhì)量為2.707 kg。采用TRB后零件減輕0.228 kg，減輕效果顯著。

為保證TRB零件由設(shè)計到量產(chǎn)后的品質(zhì)，需保證TRB過渡區(qū)域及過渡邊界15 mm以內(nèi)不存在孔特征，防止后期零件在大批量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)毛刺，降低整車防腐品質(zhì)。TRB料厚差與過渡區(qū)長度比為（t2-t1)/L≤1∶100，過渡區(qū)間長度對零件成形有重要影響。

2.2 TRB零件AutoForm模擬分析

2.2.1 AutoForm模擬仿真設(shè)置

為保證仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場實際板料狀態(tài)更接近，TRB零件在AutoForm模擬仿真分析過程中，需區(qū)分采用與常規(guī)板料不同的設(shè)置方式，現(xiàn)對TRB、TWB和普通板料設(shè)置進(jìn)行對比說明。

TRB設(shè)置存在料厚差，需設(shè)置2段過渡區(qū)，即從1.2 mm到0.8 mm和從0.8 mm到1.2 mm的均勻過渡區(qū)；TWB設(shè)置存在料厚差，無過渡區(qū)域，中間板料料厚為0.8 mm，兩側(cè)為1.2 mm；普通板材設(shè)置，無料厚差，無過渡區(qū)域，板料料厚一致。

2.2.2 AutoForm模擬仿真成形

TRB零件在AutoForm仿真分析過程中，板料設(shè)置調(diào)整后進(jìn)行工序排布規(guī)劃和成形性分析。依據(jù)零件狀態(tài)，工序設(shè)計為：①拉深；②修邊沖孔；③修邊沖孔，如圖4所示。

圖4 TRB頂蓋后橫梁下板工序設(shè)計

結(jié)合分析結(jié)果對零件材料流入量、開裂、起皺及回彈狀態(tài)進(jìn)行評估，預(yù)測TRB零件成形風(fēng)險。

（1）TRB頂蓋后橫梁下板材料流入量分析結(jié)果如圖5所示，TRB過渡區(qū)域材料流入均勻，對零件成形未產(chǎn)生不良影響。

圖5 TRB板材頂蓋后橫梁下板AutoFom分析材料流入量

（2）TRB頂蓋后橫梁下板材質(zhì)為250P1，據(jù)AutoForm分析判定標(biāo)準(zhǔn)，最大減薄率為23%，最大線性為失效0.8。減薄率分析結(jié)果如圖6所示，最大減薄為19.8%；線性失效分析結(jié)果如圖7所示，最大線性失效0.524，滿足判定標(biāo)準(zhǔn)，零件成形無開裂問題。成形性分析結(jié)果如圖8所示，結(jié)合成形極限圖確認(rèn)頂蓋后橫梁下板無起皺風(fēng)險，工藝補充存在輕微起皺風(fēng)險，綜合確認(rèn)零件無起皺缺陷。

圖6 TRB頂蓋后橫梁下板減薄率分析結(jié)果

圖7 TRB頂蓋后橫梁下板線性失效分析結(jié)果

圖8 TRB板材頂蓋后橫梁下板成形極限

（3）TRB頂蓋后橫梁下板通過優(yōu)化工藝、細(xì)化補償之后，零件精度理論分析結(jié)果如圖9所示，僅局部（對總成搭接無影響位置）出現(xiàn)回彈，最大正回彈為0.646 mm，負(fù)回彈為0.525 mm。

圖9 TRB頂蓋后橫梁下板精度理論分析結(jié)果

3 現(xiàn)場驗證

根據(jù)以上工藝設(shè)計結(jié)果進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與現(xiàn)場實際生產(chǎn)，實物如圖10所示。零件無毛刺、起皺和開裂等表面質(zhì)量缺陷，滿足零件技術(shù)要求。

圖10 現(xiàn)場驗證實物

4 結(jié)束語

通過對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用AutoForm軟件對TRB頂蓋后橫梁下板模擬分析驗證，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗和模擬結(jié)果預(yù)測TRB頂蓋后橫梁下板零件毛刺和開裂、起皺等表面質(zhì)量問題。

研究表明，TRB可用于汽車零部件開發(fā)，建議保證TRB板料過渡區(qū)及板料過渡邊界15 mm內(nèi)不設(shè)計孔特征，避免出現(xiàn)沖孔毛刺，降低整車防腐品質(zhì)；TRB料厚差與過渡區(qū)長度比為（t2-t1）/L≤1:100，避免出現(xiàn)材料流動不均導(dǎo)致成形困難，提高零件成形性能。AutoForm仿真分析過程中，板料設(shè)置需改為TRB均勻過渡板料，與現(xiàn)場實際更接近，避免出現(xiàn)理論分析與現(xiàn)場實際不符的問題，提高設(shè)計準(zhǔn)確性。