伴隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程，汽車工業(yè)的發(fā)展將會(huì)有著更為強(qiáng)勁的勢頭。汽車工業(yè)已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，據(jù)最新統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國已成為世界第4大汽車生產(chǎn)國。然而，汽車在帶給人們迅捷與方便的同時(shí)，也帶來很多負(fù)面的影響，其中最令人關(guān)注的就是由汽車引來的全球能源短缺和尾氣排放對人類生存環(huán)境的污染問題。針對汽車工業(yè)面臨的可持續(xù)發(fā)展問題，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)等來達(dá)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(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（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。具體說來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）是通過更換車身材料種類來達(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（Tailor Welded Blanks，TWB），另一種是通過柔性軋制工藝生產(chǎn)的連續(xù)變截面板（Tailor Rolling Blanks，TRB）。下面分別介紹這兩種變截面板的制作工藝。
2.1 TWB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)一些原來是等厚度的車身零部件，并進(jìn)而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。
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消除這種硬化效應(yīng)。
2.2 TRB的柔性軋制工藝
TRB是通過一種新的軋制工藝——柔性軋制技術(shù)而獲得的連續(xù)變截面薄板。即在鋼板軋制過程中，可以通過計(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。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。
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。在柔性軋制過程中，可以通過計(jì)算機(jī)對軋機(jī)的實(shí)時(shí)控制來自動(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，然后再通過柔性軋制工藝將其軋制出來。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)。
2.3 TWB與TRB的比較
可以從以下幾個(gè)方面對二者進(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。
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，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在沿長度方向上的硬度也會(huì)發(fā)生跳躍式的變化。
這將為后續(xù)的成型加工帶來極為不利的影響。再就是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，而一般用來制作內(nèi)覆蓋件或支承結(jié)構(gòu)件。相比之下，TRB具有較好的機(jī)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。
3）工藝復(fù)雜程度 TWB可以通過激光焊接工藝進(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(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(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)來看，TRB具有更大的優(yōu)勢。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”（Tailored Blanks）。優(yōu)勢互補(bǔ)，從而得到一種新型的汽車輕量化用材。
3 TWB/TRB在汽車車身制造中的應(yīng)用及研究重點(diǎn)
3.1 TWB/TRB為汽車輕量化帶來的好處
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（如德國），TWB和TRB已經(jīng)開始投入汽車工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用之中。
這個(gè)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(shí)的敏感部位，中間區(qū)域板料厚度均勻過渡。如此設(shè)計(jì)制造，匠心之所在不言而喻。
另外兩個(gè)TRB在汽車車身零部件制造中的應(yīng)用實(shí)例。零件是“克萊斯勒”轎車上的一個(gè)橫梁，用TRB代替原來的等厚度板料，零件重量減輕25％，而且承載性能得到了提高。 “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％。
3.3 TRB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題和技術(shù)問題有待研究。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τ谧兘孛姹“鍋碚f，原來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）變截面薄板沖壓過程中的變形 學(xué)術(shù)界和工業(yè)界通過有限元分析及數(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，成形過程控制更難；必須建立新的數(shù)學(xué)模型，開展以高性能計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的三維數(shù)值模擬來營造“虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Real）”環(huán)境，以預(yù)測變截面薄板在沖壓過程中的變形和材料流動(dòng)情況，從而找出相應(yīng)的對策。
3）板料回彈 對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)場實(shí)驗(yàn)來獲取一些數(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)值模擬的手段來進(jìn)行預(yù)測，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(jī)械性能的非均一化，將會(huì)使工件回彈問題變得更為復(fù)雜。顯然，要真正使TRB獲得大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，必須對TRB的回彈問題進(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，以德國亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成型研究所（IBF of Aachen University）Reiner Kopp為首的研究隊(duì)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；我國上海交通大學(xué)模具技術(shù)研究所也在開展類似的研究[4、5]。
4 結(jié)論
1）汽車輕量化對于汽車工業(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?，以擴(kuò)大變截面薄板在汽車白車身制造中的應(yīng)用空間。
（轉(zhuǎn)載）
