汽車輕量化與變截面薄板的應(yīng)用
- 2016-03-14 14:28:00
- 同濟大學 齊從謙 原創(chuàng)
- 10148
汽車輕量化不但可以提高車速，還能降低油耗、減少廢氣排放量和改善安全性（縮短剎車距離和減少碰撞慣性）。然而，汽車輕量化絕非是簡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，既要有目標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，同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經(jīng)濟上的壓力。
汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和輕量化材料的使用兩大方面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面可以采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達到輕量化的目的，在用材方面可以通過材料替代或采用新材料來達到汽車輕量化的目的。世界各汽車生產(chǎn)強國都十分重視并競相開展了各種形式的汽車輕量化研究計劃和合作研究。
上個世紀末，由來自18個國家的35個鋼材生產(chǎn)商組成的“超輕鋼結(jié)構(gòu)汽車車身”聯(lián)盟（Ultra Light Steel Auto Body，ULSAB），聯(lián)合制定了新的汽車車身設(shè)計業(yè)界標準，其目標是減少汽車鋼結(jié)構(gòu)車身的重量并且維持汽車的性能和造價不變。有些研究計劃還致力于提出新的輕量化設(shè)計概念，其中包括超輕的鋼車架（ULSAC）及超輕的鋼懸掛系統(tǒng)（ULSAS）等研究項目；中國一些科研部門和高校也在研究激光拼焊板制造車身零部件、用變截面彈簧鋼梁設(shè)計、制造車身懸架系統(tǒng)迭板彈簧，以達到保持車身抗振性能、節(jié)省材料、降低造價的目的。
實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑
據(jù)統(tǒng)計，汽車車身、底盤（含懸掛系統(tǒng)）、發(fā)動機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降低發(fā)動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。為此，首先應(yīng)該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體說來可以有如下幾種方案：
1）使用密度小、強度高的輕質(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、金屬基復合材料板、激光焊接板材等。
方案1）和2）是通過更換車身材料種類來達到汽車輕量化的目的。其中鋁合金具有高強度、耐侵蝕、熱穩(wěn)定性好、易成型等一系列優(yōu)點，已經(jīng)在車身、底盤及懸掛系統(tǒng)、發(fā)動機和車輪等部件的制造上得到成功地應(yīng)用，但是由于鋁合金中有較高含量的硅和鐵，使之回收再利用成為新的難題，從而影響鋁合金的更大規(guī)模使用。鎂比鋁更輕，可以作為鋁的最佳替代用品，隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，已有60多種汽車零部件開始用鎂合金制造，世界上鎂材料的消耗日益攀升，然而在地球上，鎂恰恰是一種比較稀缺的金屬，其價格昂貴自不待說，再加上鎂合金在加工成型方面的困難，更限制了其被廣泛應(yīng)用。塑料聚合物，如連續(xù)玻璃纖維與熱塑性樹脂改性聚丙烯復合材料（Glass Mat Reinforced Thermoplastics，GMT）是最佳的車用輕質(zhì)材料，其密度僅為金屬的1/5。用塑料制造汽車零部件所消耗的能量僅為鋼材能耗的1/2，還具有加工容易、成型性好、耐腐蝕等特性。目前轎車上使用GMT材料的零部件有800多種，主要有發(fā)動機罩、儀表板骨架、蓄電池托架、座椅骨架、轎車前端模塊、保險杠、行李架、備胎盤、擋泥板、風扇葉片、發(fā)動機底盤、車頂棚襯架等。除了可用來制造零部件之外，還有望應(yīng)用在整個車身制造上，即所謂“全塑車身”。但是，不同種類的塑料聚合物材料的性能千差萬別，塑料的強度、耐沖擊性、耐蠕變性及抗老化性也是其難以克服的弱點；且方案2）還將導致車身造價提高。
相比之下，至少在目前及至今后相當長的一段時期內(nèi)，鋼仍然是汽車車身制造用材的最佳選擇：鋼材不僅具有優(yōu)異的性能價格比，還有長期積累起來的冶金技術(shù)和成型加工經(jīng)驗，使之在汽車行業(yè)中仍然坐擁不可撼動的霸主地位。而方案3）正是從材料加工的角度出發(fā)，使經(jīng)過特殊加工后的鋼板材料的承載性能、成型性能或者其他方面的性能大大提高。
變截面薄板及其在車身制造中的應(yīng)用
用于車身制造的變截面薄板分為兩種，一種是激光拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB），另一種是通過柔性軋制生產(chǎn)工藝得到的連續(xù)變截面板（Tailor Rolling Blanks，TRB）。
TWB生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用
TWB是根據(jù)車身設(shè)計的強度和剛度要求，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，然后再進行沖壓。這樣，沖壓工程師可以根據(jù)車身各個部位的實際受力和變形的大小，預先為某車身部件定制一塊理想的拼接板料，從而達到節(jié)省材料、減輕重量且提高車身零部件性能的目的。在一些汽車制造強國，TWB已經(jīng)成為汽車制造業(yè)中的標準工藝，主要用來制造汽車車身側(cè)框、車門內(nèi)板、車身底盤、電機間隔導軌、中間立柱內(nèi)板、擋泥板和防撞箱之類的車身零部件。
由于TWB可以根據(jù)需要任意進行拼接，因而具有極大的靈活性，并且能按照等強度的概念優(yōu)化設(shè)計一些原來是等厚度的車身零部件，把它們由原來的鍛造加工轉(zhuǎn)換為沖壓加工，既提高加工效率，又節(jié)省加工能源。
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程中可能出現(xiàn)拉裂或材料流動性較大的部位，那幺，在車身設(shè)計階段就可以為某一部件的某個部位預先分配較大的板料厚度，從而有效地避免廢品的發(fā)生。
TWB與TRB的比較
減重效果
TWB和TRB 的應(yīng)用都是為了達到汽車輕量化的目的。基于工程力學中薄壁梁承載性能的基本理論，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。
機械性能和應(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在沿長度方向上的硬度也會發(fā)生跳躍式的變化，如圖3 a）所示。這將為后續(xù)的成型加工帶來極為不利的影響。再者，TWB的焊縫從外觀上來說即使采用任何涂裝措施也無法徹底掩蓋，因此它不適宜用作車身外覆蓋件材料，一般只用來制作內(nèi)覆蓋件或支承結(jié)構(gòu)件。相比之下，TRB具有較好的機械性能，其在沿長度方向上的硬度變化比較平緩，沒有TWB那樣的硬度和應(yīng)力波峰，具有更佳的成型性能；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。參見圖3 b）。
TWB可以通過激光焊接工藝進行任意拼接，具有很大的靈活性。但由于它用不同厚度板材的對接或搭接，拼接處板料厚度有突變；此外焊縫及其附近會產(chǎn)生局部硬化，需要一道熱處理工藝來消除硬化效應(yīng)，從而加大了工藝復雜程度。TRB則是靠柔性軋制工藝在不同厚度的板料之間形成一個連續(xù)的、緩變的過渡區(qū)，不存在TWB的焊縫問題。但它的不足之處是受軋制工藝和軋機設(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。
由以上對比分析可知，TWB和TRB在減重、機械性能、制造工藝等方面各有自己的特色和不足之處，從綜合指標來看，TRB具有更大的優(yōu)勢。因此，為達到汽車輕量化的目的，似有一種更好的方案提出：即把TRB與TWB組合在一起，制成真正意義上的“任意拼接板”（Tailored Blanks），從而得到一種新型的汽車輕量化用材。
TRB應(yīng)用實例
在一些汽車制造強國（如德國），TRB已經(jīng)開始投入汽車工業(yè)的實際應(yīng)用之中。圖4 a）所示為一個用在“奔馳”E級轎車上的TRB原型零件。這個由TRB沖壓成型的“側(cè)框”位于轎車后部，左右對稱。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，恰是汽車追尾時的敏感部位，中間區(qū)域板料厚度均勻過渡。
圖5為用TRB沖壓的車身覆蓋件組裝的白車身整車，注意到其前部發(fā)動機蓋板的兩側(cè)要求有足夠好的剛性，板料厚度為1.25mm，中間部位幾乎不承受任何外力，僅需防止高速行駛中可能出現(xiàn)的顫振即可，板料厚度為0.88mm；兩側(cè)到中部為連續(xù)、光滑過渡，保證了車身的美觀和良好的空氣動力學特性。
TRB軋制工藝及其應(yīng)用給汽車輕量化開創(chuàng)了一個良好的途徑，還將給航空航天、軌道交通車輛等輕量化結(jié)構(gòu)零部件帶來了巨大的潛力和誘人的前景。然而，TRB的概念從提出至今也不過10年左右的時間，其加工和應(yīng)用的研究還不是十分成熟，還有不少深層次的理論問題和技術(shù)問題有待解決。比較突出的問題表現(xiàn)在如下幾個方面。
車身覆蓋件壓模具的設(shè)計
普通等厚度板材沖壓成型的車身覆蓋件模具的設(shè)計，是復雜程度和難度相當高的工作，更何況變截面薄板的沖壓成型模具設(shè)計。因為對于變截面薄板來說，原來基于等厚度板材所建立的力學本征模型、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，針對變截面薄板的具體變化特征來重新設(shè)計車身覆蓋件沖壓模具。
變截面薄板在沖壓過程中的變形和材料流動性
變截面薄板的引入使車身覆蓋件的沖壓成型過程變得更為復雜，在同樣的壓邊力和拉伸力條件下，板料各部位的變形不均勻，覆蓋件的成型更難以控制。需要進一步建立新的數(shù)學模型，開展以高性能計算機為基礎(chǔ)的三維數(shù)值模擬來營造“虛擬現(xiàn)實（Virtual Real）”環(huán)境，以預測變截面薄板在沖壓過程中的變形和材料流動情況，從而找出相應(yīng)的對策。
板料回彈問題
對于等厚度薄板沖壓卸載后工件回彈量的精確補償，與材料本身的物理非線性、力學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)場實驗來獲取一些數(shù)據(jù)，再進行工程分析，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)值模擬的手段來進行預測，修改原覆蓋件三維設(shè)計模型，最終獲得一個與所要求的工件模型不同的模具型腔模型，以比較理想地解決回彈量的補償。而對于TRB來說，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械性能的非均一化，將會使工件回彈問題變得更為復雜。在這一方面，以德國亞琛工業(yè)大學金屬成型研究所（IBF of Aachen University）Reiner Kopp為首的研究隊伍與工業(yè)界密切合作，已經(jīng)開始了一些探索性的研究工作，并取得初步的成果；中國上海交通大學模具技術(shù)研究所也在開展類似的研究。
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