軋制差厚板在汽車零部件上的開發應用

佟海南，耿明亮，趙建朋

（長城汽車股份有限公司 生產技術開發中心，河北 保定 071000）

0 引 言

為滿足汽車工業節能和輕量化的需求，要求汽車零部件在滿足性能要求的同時盡可能實現質量的最輕化。實現汽車車身輕量化目前主要有2種常用途徑：①優化汽車結構，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，減輕零件質量；②使用高強度板材、復合材料、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量方案之一。以下結合某車型頂蓋后橫梁下板，對TRB應用于汽車零部件開發的成形性及工藝設計進行研究。

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實施柔性軋制獲得。在軋制過程中，借助特殊設計的軋機壓下厚度自動控制系統控制軋輥的位置，使其間距實時調整變化，使軋制的薄板在沿鋼板軋制方向上具有預先設定的變厚度分布。板料截面如圖1所示。目前國內已經批量生產TRB，多數TRB應用處于開發試驗階段，應用前景廣闊。

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，唯一區別在于過渡區的形式不同。通過對比，軋制差厚板的性能優勢如下。

（1）整車輕量化。激光拼焊板采用激光焊接技術將不同厚度、不同材料的金屬薄板焊接在一起，過渡區存在臺階，然后再沖壓成各種零件，與常規等厚度板料相比，其減輕效果可達20%；軋制差厚板則通過軋機實施柔性軋制獲得，過渡區無臺階圓滑過渡，與常規等厚度板料相比，其減輕效果可達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可以根據需要進行拼接，較靈活，但在板料的拼接處存在厚度突變，使回彈預測、模具設計制造、焊縫移動控制成為新的難題，且焊接引起的材料硬化現象影響后續成形，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技術沒有焊縫，表面質量好，可成形汽車覆蓋件，由于零件厚度連續變化，且用過渡區代替焊縫，連接強度大幅提升，均勻性好，強度分布連續，根據應力均衡原理，TRB零件的成形性能較優。

（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，可連續生產，效率高，且過渡區光滑連接，比拼焊板的模具設計簡單。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勢。

（4）TRB技術不足：①與激光拼焊板相比，TRB技術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技術是最佳選擇；④受技術條件制約，TRB只能實現900 mm以內的軋制寬度，應用范圍受限。

1.3 TRB應用范圍

綜合TRB性能的優、缺點，經過對國產某B級車的零件梳理，發現至少有近20個零件可以應用TRB技術，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，經統計零件總質量達75 kg。

2 零部件結構及工藝分析優化

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，材質為250P1，厚區料厚為1.2 mm，薄區料厚為0.8 mm，圖3框內白線位置為TRB過渡分界線，過渡區域長50 mm，存在孔特征。

圖3 TRB板材頂蓋后橫梁下板

結合沖壓工藝要求，為保證零件成形質量，需對零件結構進行優化。由于TRB存在料厚落差，過渡區間板料厚度不一致導致該區域沖孔間隙無法保證，零件沖孔容易出現毛刺，導致整車生銹，降低整車防腐品質。經過優化后，取消零件過渡區間的孔特征。

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

為保證TRB零件由設計到量產后的品質，需保證TRB過渡區域及過渡邊界15 mm以內不存在孔特征，防止后期零件在大批量生產過程中出現毛刺，降低整車防腐品質。TRB料厚差與過渡區長度比為（t2-t1)/L≤1∶100，過渡區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模擬仿真設置

為保證仿真分析結果與現場實際板料狀態更接近，TRB零件在AutoForm模擬仿真分析過程中，需區分采用與常規板料不同的設置方式，現對TRB、TWB和普通板料設置進行對比說明。

TRB設置存在料厚差，需設置2段過渡區，即從1.2 mm到0.8 mm和從0.8 mm到1.2 mm的均勻過渡區；TWB設置存在料厚差，無過渡區域，中間板料料厚為0.8 mm，兩側為1.2 mm；普通板材設置，無料厚差，無過渡區域，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，板料設置調整后進行工序排布規劃和成形性分析。依據零件狀態，工序設計為：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計

結合分析結果對零件材料流入量、開裂、起皺及回彈狀態進行評估，預測TRB零件成形風險。

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

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為250P1，據AutoForm分析判定標準，最大減薄率為23%，最大線性為失效0.8。減薄率分析結果如圖6所示，最大減薄為19.8%；線性失效分析結果如圖7所示，最大線性失效0.524，滿足判定標準，零件成形無開裂問題。成形性分析結果如圖8所示，結合成形極限圖確認頂蓋后橫梁下板無起皺風險，工藝補充存在輕微起皺風險，綜合確認零件無起皺缺陷。

圖6 TRB頂蓋后橫梁下板減薄率分析結果

圖7 TRB頂蓋后橫梁下板線性失效分析結果

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化工藝、細化補償之后，零件精度理論分析結果如圖9所示，僅局部（對總成搭接無影響位置）出現回彈，最大正回彈為0.646 mm，負回彈為0.525 mm。

圖9 TRB頂蓋后橫梁下板精度理論分析結果

3 現場驗證

根據以上工藝設計結果進行模具結構設計與現場實際生產，實物如圖10所示。零件無毛刺、起皺和開裂等表面質量缺陷，滿足零件技術要求。

圖10 現場驗證實物

4 結束語

通過對零件結構進行優化，利用AutoForm軟件對TRB頂蓋后橫梁下板模擬分析驗證，根據現場調試經驗和模擬結果預測TRB頂蓋后橫梁下板零件毛刺和開裂、起皺等表面質量問題。

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