14R44.超轻量汽车用TRB板及柔性轧制技术研究－北科董帝

2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳75超轻量汽车用TRB板及柔性轧制技术研究董帝，韩静涛，刘靖北京科技大学材料科学与工程学院,北京摘要分析了汽车轻量化的由来、技术内涵和途径，指出使用轧制变厚度板可以在保证原有性能不受影响的条件下有效的减轻汽车的重量。重点介绍了轧制变厚度板的特点、生产过程和柔性轧制技术。关键词汽车轻量化；轧制变厚度板；柔性轧制技术RESEARCHONTRBFORULTRALIGHTAUTOANDFLEXIBLEROLLINGDONGDI，HANJINGTAO，LIUJINGSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING,UNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYBEIJINGABSTRACTDEVELOPINGPROCESS、TECHNOLOGIESANDPRIMARYMETHODSOFAUTOLIGHTWEIGHTAREANALYZEDITISPOINTEDOUTTHATUSINGTAILORROLLINGBLANKSINAUTOBODYISTHEEFFICIENTMEASUREFORTHEREDUCTIONOFAUTOWEIGHTWITHAUTOCAPABILITIESFREEOFINFLUENCEFEATUREANDPRODUCTIONPROCESSOFTAILORROLLINGBLANKSANDFLEXIBLEROLLINGAREINTRODUCEDKEYWORDSAUTOLIGHTWEIGHT；TAILORROLLINGBLANKS；FLEXIBLEROLLING1ULSAB计划1上世纪末，由来自于18个国家的35个钢材生产商联合组成了ULSAB（ULTRALIGHTSTEELAUTOBODY，超轻钢结构汽车车身）联盟，并联合制订了新的汽车车身设计的业界标准。“ULSAB计划”旨在以钢铁为基本材料，通过对结构设计的革新、制造技术的优化及零部件形状的改变等多种手段、方法，最终开发一种自重量轻达35且低成本、安全可靠的21世纪超轻量型汽车车体。汽车轻量化不但可以提高车速，还能降低油耗、减少废气排放量和改善安全性（缩短刹车距离和减少碰撞惯性）。然而，汽车轻量化绝对不是汽车小型化而已，汽车轻量化首应保持汽车原有的安全性、耐撞性、抗震性及舒适性等性能不受影响，在此基础上有目的的减轻重量，同时也不能以牺牲造价为代价，以免使轻量化汽车失去价格竞争优势。2汽车轻量化技术汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面2。在结构设计方面，比如可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，在轻量化材料方面，可以通过采用新材料或材料替代来达到轻量化的目的3。其中通过更换材料来实现汽车轻量化的途径主要有以下三种4（1）使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；（2）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的材料，最典型的就是高强度钢；（3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳76其中，前两个方案是通过更换车身材料种类来达到汽车轻量化的目的，而第三个方案是从材料加工的角度出发，使经过特殊加工后的材料的承载性能、成形性能或者其它方面的性能大大提高。对于方案（1），镁铝合金具有高强度、耐腐蚀、热稳定性好、易成形等很多优点，已经在车身、底盘及悬挂系统和车轮等部件的制造上得到了成功应用，但是铝合金中有较高含量的铁和硅，导致其回收再利用成为一个新的难题。镁比铝更轻，可以视为铝的最佳替代品，然而铝合金价格昂贵，而且加工成形方面也比较困难，限制了其被广泛的应用。对于塑料聚合物，由于其质量较轻、耐腐蚀、加工容易等特性，目前在汽车车身零部件的制造上得到广泛的应用，但是，不同塑料聚合物材料的性能差别很大，其强度、耐冲击性、耐热性、耐蠕变形以及抗老化性等方面难以在实际生产应用兼顾周全，是其难以克服的弱点。对于方案（2），将导致汽车车身造价被提高很多。尽管汽车轻量化推动了大量新材料被使用，但是由于钢材具有优异的性价比，以及长期积累起来的成熟的冶金技术和丰富的成形加工经验，就决定了在今后相当长的一段时期内，钢仍然在汽车车身制造领域内的霸主地位不可动摇。无论使用新型的轻质材料还是传统的钢材，对新材料加工技术的研究将是汽车轻量化技术研究的重要内容。3轧制变厚度板（TRB）目前，在汽车制造行业中，拼焊板（TAILORWELDEDBLANKS简称TWB）已经获得了一定的应用，主要应用在汽车车身侧框、车门门内板、车身底盘、马达间隔导轨、中间立柱内板、挡泥板和防撞箱等。TWB的生产工艺是根据车身部件设计的强度和刚度的要求，把不同厚度、不同表面镀层甚至是不同原材料的金属板焊接在一起，然后再进行冲压5。这样，根据汽车结构和受力情况，合理使用不同厚度、不同材料的拼焊板可以达到降低车重、降低油耗的目的，同时该技术还可使车身整体刚度增强、抗冲击性更强，汽车的操作更加灵活、更安全。但是，TWB也有不足之处，焊缝区域有明显的加工硬化现象，不宜承受大的变形，在后续冲压工序中容易产生裂纹，另外焊缝也是一个难以弥盖的缺陷，影响外观，并且其制造成本也会随着焊缝数量的增加而增加。从上世纪90年代初开始，一种生产连续变厚度薄板的新工艺，即由轧制工艺生产的变厚度薄板（TAILORROLLEDBLANKS简称TRB）最早在德国亚琛工业大学金属成形研究所（IBF）被开发出来，北京科技大学材料科学与工程学院的韩静涛教授也参与了该项技术的研究开发工作。它的核心技术是“柔性轧制”（FLEXIBLEROLLING），采用这一全新的工艺可以在轧制过程中实时控制轧辊间距以获取沿轧制方向板材的预先定制的变厚度形状。这样的变厚度薄板经成形加工后制成的结构具备更好的承载能力。从最开始在实验室TRB板被开发出来，现在，不同规格的TRB板已经被工业化的生产出来。通过和IBF的技术合作，德国MUBEA公司生产TRB板的规模，目前可以达到年产量7万吨，最大宽度为750MM。柔性轧制后的TRB板，经过特殊的热处理后，能过获得一个独特的材料特性。例如，特殊热处理后的TRB在薄的区域能过获得一个比厚的区域具有更高或者相等的强度，甚至更低的强度6。图1为经过不同特殊热处理后的TRB板各个部分所具有的不同材料特性示意图。总之，相对于TWB来说，TRB具有下列优点（1）TRB零件的厚度是连续变化，比TWB零件具有更好的减重性能；图2是以等厚度梁作为标准，使用TWB和TRB获得的减重效果。（2）TRB零件厚度的变化是连续的，不像TWB存在厚度突变和焊缝的影响，这样就消除了厚2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳77度突变处的应力峰值和因焊缝引起的热影响区域，因此具有良好的成形性能。图3为沿板料长度方向上TWB和TRB硬度分布变化的比较。（3）TRB没有焊缝难以弥盖的缺陷，表面质量好，可以作为汽车车身的外覆盖件使用。另外TRB的制造成本不受厚度过渡区数量的影响，而TWB的制造成本则随着焊缝数量的增加而增加。缺点是（1）TRB的厚度变化只能发生在板料的初始轧制方向并且厚度变化也只能在一定范围。（2）现今还没有办法将不同材料的板子拼接在一块板中，在灵活性远远不如TWB。（3）目前的生产能力，只能生产出最大宽度为750MM的板子，更宽的板子还没有能力生产。图1经过特殊热处理的TRB板具有不同的材料特性F等厚度梁（减重0）TWB梁（减重20）FTRB梁（减重40）F图2相同刚度下不同梁的减重效果比较2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳78图3沿板料长度方向TWB和TRB硬度变化的比较4TRB的工业应用目前，在汽车制造强国德国，TRB已经投入到了汽车工业的实际应用中。图4所示为一个被用在梅赛德斯奔驰E级别的轿车上的TRB原型零件。这个由TRB冲压制成的连接件位于轿车后部，左右对称。前端板料厚度为088MM，后端板料厚度为115MM，中间区域板料厚度均匀过渡，和以前由等厚度板冲压制成的同一零件相比，采用TRB制成的零件不仅重量轻而且零件经受碰撞时各个部位的受力更加均匀。图5为另外两个TRB在汽车制造工业上的应用实例。图5A所示的零件为“克莱斯勒”轿车车身上的一个横梁，使用TRB来代替原来的等厚度板料后，零件的重量降低了25，并且零件的承载性能获得了提高。图5（B）为“大众”轿车车身上的一个边梁，其承受最大载荷中间部位的厚度为30MM，两端的厚度分别为15MM和20MM，减重幅度高达45。图4第一个TRB零件原型（A）“克莱斯勒”轿车车身横梁（B）“大众”轿车车身边梁图5两个TRB在汽车工业应用实例2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳795柔性轧制技术轧制有三种常见形式即纵轧、横轧和斜轧。三种基本轧制形式主要区别于在轧制过程中坯料的轴线方向和轧辊轴线方向的相对位置纵轧时板料的轴线方向垂直于轧辊轴线方向；横轧时坯料与轧辊轴线互相平行；斜轧时坯料轴线则与轧辊轴线相交成一定角度。柔性轧制技术，实质上类似于传统轧制加工方法中的纵轧工艺。但其最大不同之处是在轧制过程中，轧辊的间距可以实时地调整变化，从而使轧制出的薄板在沿着初始轧制方向上具有预先定制的变截面形状。图6为柔性轧制生产轧制变厚度薄板（TRB）的示意图。图6柔性轧制过程示意图在柔性轧制过程中，轧辊的间距是通过计算机对轧机的实时控制来自动和连续地调整的，从而实现由等厚度板卷到TRB板卷的轧制。图7为柔性轧制系统布置的示意图。柔性轧制出的TRB板经过热处理、酸洗等一系列的工序后，就可以裁成所需要的坯料进行冲压，制成零件了。图8为从柔性轧制到冲压制成零件整个过程的示意图。图7柔性轧制系统由于柔性轧制工艺轧出的TRB板的截面变化的特殊性，就要求在设计车身时必须预先考虑到后2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳80续成形加工中钢板各个部位的实际受力和变形以及整个车身的承载情况，然后在轧制之前选定有利于后续加工的板料型面，再通过柔性轧制工艺将其轧制出来。不过当前设计领域中，已经具备了相当成熟和功能强大的CAD/CAM/CAE软件，这种优化设计可以通过DFM/DFA（面向制造的设计和面向装配的设计）等手段予以实现7。图8TRB板深加工流程图最近几年，IBF通过和德国工业界的密切合作开发了“卷到卷“COILTOCOIL的柔性轧制连续自动化生产线，大大提高了TRB板生产的自动化程度，并降低了生产成本。随着对TRB板后续加工方法研究的深入，TRB板的大规模产业化已经指日可待8。参考文献1吴伯清世界钢铁企业集团的ULSAB计划，金属世界，1998，（5）10112MGEIGERMANUFACTURINGSCIENCEDRIVINGFORCEFORINNOVATION,PROCEEDINGSOFTHE7THICTP,1（10）2831,2002,YOKOHAMA,JAPAN,17303刘建华，胡伦骥，熊建钢，等汽车用薄钢板的激光拼焊，中国机械工程，1996，（4）95974杜继涛，齐从谦变截面薄板在车身制造中