轧制差厚板在汽车零部件上的开发应用

佟海南，耿明亮，赵建朋

（长城汽车股份有限公司 生产技术开发中心，河北 保定 071000）

0 引 言

为满足汽车工业节能和轻量化的需求，要求汽车零部件在满足性能要求的同时尽可能实现质量的最轻化。实现汽车车身轻量化目前主要有2种常用途径：①优化汽车结构，在不减弱有效工作部分强度的情况下，最大程度地缩小零部件尺寸，减轻零件质量；②使用高强度板材、复合材料、合金材料等轻量化材料成形汽车零部件。轧制差厚板（tailor rolled blanks，TRB）应用于整车零部件将会成为各汽车厂逐步采纳和利用的减轻质量方案之一。以下结合某车型顶盖后横梁下板，对TRB应用于汽车零部件开发的成形性及工艺设计进行研究。

1 TRB简介

1.1 TRB的定义

汽车同一零件的不同位置要求不同承载能力的差异化，称为零部件的性能柔性分布，轧制差厚板（TRB）可以满足这一要求，也称为变厚板（variable-thickness rolled blanks，VRB）。

轧制差厚板通过轧机实施柔性轧制获得。在轧制过程中，借助特殊设计的轧机压下厚度自动控制系统控制轧辊的位置，使其间距实时调整变化，使轧制的薄板在沿钢板轧制方向上具有预先设定的变厚度分布。板料截面如图1所示。目前国内已经批量生产TRB，多数TRB应用处于开发试验阶段，应用前景广阔。

图1 TRB截面

1.2 TRB的性能

轧制差厚板（TRB）与激光拼焊板（tailor welded blanks，TWB）同为不等料厚板料，唯一区别在于过渡区的形式不同。通过对比，轧制差厚板的性能优势如下。

（1）整车轻量化。激光拼焊板采用激光焊接技术将不同厚度、不同材料的金属薄板焊接在一起，过渡区存在台阶，然后再冲压成各种零件，与常规等厚度板料相比，其减轻效果可达20%；轧制差厚板则通过轧机实施柔性轧制获得，过渡区无台阶圆滑过渡，与常规等厚度板料相比，其减轻效果可达40%。板料截面效果对比如图2所示。

图2 不同板料形式

（2）板料工艺成形性。由于TWB可以根据需要进行拼接，较灵活，但在板料的拼接处存在厚度突变，使回弹预测、模具设计制造、焊缝移动控制成为新的难题，且焊接引起的材料硬化现象影响后续成形，因此，TWB不适宜成形车身外覆盖件。另外，激光拼焊板对焊缝的质量要求高，焊缝开裂也是影响拼焊板成品率的因素之一。相比之下，TRB技术没有焊缝，表面质量好，可成形汽车覆盖件，由于零件厚度连续变化，且用过渡区代替焊缝，连接强度大幅提升，均匀性好，强度分布连续，根据应力均衡原理，TRB零件的成形性能较优。

（3）制作工艺及成本。TRB工艺操作与普通等厚度板的成形基本相同，可连续生产，效率高，且过渡区光滑连接，比拼焊板的模具设计简单。在成本方面，相比多条焊缝的TWB板，TRB板材具有明显的竞争优势。

（4）TRB技术不足：①与激光拼焊板相比，TRB技术的板料仅是单一材料牌号，因而零件拼接时灵活性不足；②差厚板由整块板料轧制而成，不能将不同材质的钢板拼接；③对于中空的零件，TRB的材料利用率比TWB低，因此，类似车身侧围外板的中空零件，差厚板的材料利用率比激光拼焊板低；而对于实心零件，TRB技术是最佳选择；④受技术条件制约，TRB只能实现900 mm以内的轧制宽度，应用范围受限。

1.3 TRB应用范围

综合TRB性能的优、缺点，经过对国产某B级车的零件梳理，发现至少有近20个零件可以应用TRB技术，包括前后地板纵梁、B柱和门槛加强板、顶盖各个横梁、仪表盘支架、中通道加强板等，经统计零件总质量达75 kg。

2 零部件结构及工艺分析优化

2.1 前期同步工程（SE）对TRB零件分析

某车型顶盖后横梁下板，如图3所示，材质为250P1，厚区料厚为1.2 mm，薄区料厚为0.8 mm，图3框内白线位置为TRB过渡分界线，过渡区域长50 mm，存在孔特征。

图3 TRB板材顶盖后横梁下板

结合冲压工艺要求，为保证零件成形质量，需对零件结构进行优化。由于TRB存在料厚落差，过渡区间板料厚度不一致导致该区域冲孔间隙无法保证，零件冲孔容易出现毛刺，导致整车生锈，降低整车防腐品质。经过优化后，取消零件过渡区间的孔特征。

验证减轻效果。现采用TRB成形零件，板材厚区料厚为1.2 mm，薄区料厚为0.8 mm，零件质量为2.479 kg；若采取常规板料，料厚为1.2 mm，零件实际质量为2.707 kg。采用TRB后零件减轻0.228 kg，减轻效果显著。

为保证TRB零件由设计到量产后的品质，需保证TRB过渡区域及过渡边界15 mm以内不存在孔特征，防止后期零件在大批量生产过程中出现毛刺，降低整车防腐品质。TRB料厚差与过渡区长度比为（t2-t1)/L≤1∶100，过渡区间长度对零件成形有重要影响。

2.2 TRB零件AutoForm模拟分析

2.2.1 AutoForm模拟仿真设置

为保证仿真分析结果与现场实际板料状态更接近，TRB零件在AutoForm模拟仿真分析过程中，需区分采用与常规板料不同的设置方式，现对TRB、TWB和普通板料设置进行对比说明。

TRB设置存在料厚差，需设置2段过渡区，即从1.2 mm到0.8 mm和从0.8 mm到1.2 mm的均匀过渡区；TWB设置存在料厚差，无过渡区域，中间板料料厚为0.8 mm，两侧为1.2 mm；普通板材设置，无料厚差，无过渡区域，板料料厚一致。

2.2.2 AutoForm模拟仿真成形

TRB零件在AutoForm仿真分析过程中，板料设置调整后进行工序排布规划和成形性分析。依据零件状态，工序设计为：①拉深；②修边冲孔；③修边冲孔，如图4所示。

图4 TRB顶盖后横梁下板工序设计

结合分析结果对零件材料流入量、开裂、起皱及回弹状态进行评估，预测TRB零件成形风险。

（1）TRB顶盖后横梁下板材料流入量分析结果如图5所示，TRB过渡区域材料流入均匀，对零件成形未产生不良影响。

图5 TRB板材顶盖后横梁下板AutoFom分析材料流入量

（2）TRB顶盖后横梁下板材质为250P1，据AutoForm分析判定标准，最大减薄率为23%，最大线性为失效0.8。减薄率分析结果如图6所示，最大减薄为19.8%；线性失效分析结果如图7所示，最大线性失效0.524，满足判定标准，零件成形无开裂问题。成形性分析结果如图8所示，结合成形极限图确认顶盖后横梁下板无起皱风险，工艺补充存在轻微起皱风险，综合确认零件无起皱缺陷。

图6 TRB顶盖后横梁下板减薄率分析结果

图7 TRB顶盖后横梁下板线性失效分析结果

图8 TRB板材顶盖后横梁下板成形极限

（3）TRB顶盖后横梁下板通过优化工艺、细化补偿之后，零件精度理论分析结果如图9所示，仅局部（对总成搭接无影响位置）出现回弹，最大正回弹为0.646 mm，负回弹为0.525 mm。

图9 TRB顶盖后横梁下板精度理论分析结果

3 现场验证

根据以上工艺设计结果进行模具结构设计与现场实际生产，实物如图10所示。零件无毛刺、起皱和开裂等表面质量缺陷，满足零件技术要求。

图10 现场验证实物

4 结束语

通过对零件结构进行优化，利用AutoForm软件对TRB顶盖后横梁下板模拟分析验证，根据现场调试经验和模拟结果预测TRB顶盖后横梁下板零件毛刺和开裂、起皱等表面质量问题。

研究表明，TRB可用于汽车零部件开发，建议保证TRB板料过渡区及板料过渡边界15 mm内不设计孔特征，避免出现冲孔毛刺，降低整车防腐品质；TRB料厚差与过渡区长度比为（t2-t1）/L≤1:100，避免出现材料流动不均导致成形困难，提高零件成形性能。AutoForm仿真分析过程中，板料设置需改为TRB均匀过渡板料，与现场实际更接近，避免出现理论分析与现场实际不符的问题，提高设计准确性。