汽车车身制造工艺学论文|变截面薄板在车身制造中的应用研究
【论文摘要】分析了汽车轻量化的技术内涵和主要途径，指出在车身制造中采用变截面薄板是汽车自身减重且能够提高汽车性能的有效措施。重点介绍了激光拼焊板和柔性轧制技术，着重讨论了连续变截面辊轧板（TRB）在汽车轻量化中的应用，并给出了TRB在车身制造应用中尚需深入研究的重点。
0前言
汽车工业已经成为我国国民经济的支柱产业之一，据最新统计资料显示，我国已成为世界第4大汽车生产国。伴随着我国现代化进程，汽车工业的发展将会有着更为强劲的势头。然而，汽车在带给人们迅捷与方便的同时，也带来很多负面的影响，其中最令人关注的就是由汽车引来的全球能源短缺和尾气排放对人类生存环境的污染问题。针对汽车工业面临的可持续发展问题，本文首先分析汽车轻量化的技术内涵和实现途径，进而介绍变截面薄板及其在汽车白车身制造中的应用。
1汽车轻量化的内涵和途径
1.1汽车轻量化的技术内涵
不论是以内燃机为动力的燃油车，还是以新型燃料电池为动力的电动车或者混合动力汽车，减轻汽车自身的重量——汽车轻量化问题应该是消除上述负面影响的一剂良方。因为汽车自重越轻，需要的引擎也就越轻，耗油或耗电就会更低，同时尾气排放量（对于燃油车）也越小。汽车轻量化将成为汽车工业发展中的一项关键性研究课题。
然而，汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响，即既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。
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[1]。在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的[2、3]。
1.2实现汽车轻量化的主要途径
据统计，汽车车身、底盘（含悬挂系统）、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65％以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应，是汽车轻量化的重要途径。
为减轻白车身的重量，首先应在白车身制造材料方面寻找突破口。具体说来可以有如下几种方案：
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。
方案1）和2）是通过更换车身材料种类来达到汽车轻量化的目的。而方案3）是从材料加工的角度出发，使经过特殊加工后的钢板材料的承载性能、成形性能或者其他方面的性能大大提高。这就是本文进一步要探讨的车用变截面薄板。
2变截面薄板
用于车身制造的变截面薄板分为两种，一种是激光拼焊板（TailorWeldedBlanks，TWB），另一种是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面板（TailorRollingBlanks，TRB）。下面分别介绍这两种变截面板的制作工艺。
2.1TWB生产工艺
TWB是根据车身设计的强度和刚度要求，采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，其加工过程如同裁缝在缝制衣服，用于冲压成形的金属板就像服装面料那样被随心所欲地裁减和拼接，然后再进行冲压。这样，冲压工程师可以根据车身各个部位的实际受力和变形的大小，预先为某车身部件定制一块理想的拼接板料，从而达到节省材料、减轻重量且提高车身零部件性能的目的。由于TWB可以根据需要任意进行拼接，因而具有极大的灵活性，并且能按照等强度的概念优化设计一些原来是等厚度的车身零部件，并进而把它们由原来的锻造加工转换为冲压加工，既提高加工效率，又节省加工能源。
但是，TWB也有它的不足之处，一是在板料的拼接处存在着板料厚度的突然变化，这给冲压模具的设计、制造带来新的难题；二是在拼接焊缝及其附近区域有比较明显的加工硬化现象，使在后续的冲压过程中容易产生裂纹，造成隐患，往往不得不增加一道热处理工艺来消除这种硬化效应。
2.2TRB的柔性轧制工艺
TRB是通过一种新的轧制工艺——柔性轧制技术而获得的连续变截面薄板。即在钢板轧制过程中，可以通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材，参见图1。这样的变截面薄板经加工后制成的汽车零部件将具备更好的承载能力，且明显的减轻了重量。
图1TRB柔性轧制工艺
Fig.1TRBflexiblerollingtcchnology
柔性轧制技术是TRB的核心。其实质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轧制方向上具有预先定制的变截面形状。在柔性轧制过程中，可以通过计算机对轧机的实时控制来自动和连续地调整轧辊的间距，从而实现由等厚度板卷到TRB板卷的轧制。这还要求在设计车身时必须预先考虑到后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，在轧制之前选定有利于后续加工的板料型面，然后再通过柔性轧制工艺将其轧制出来。当前设计领域中，已经具备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。
2.3TWB与TRB的比较 《汽车车身制造工艺学论文|变截面薄板在车身制造中的应用研究》
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0前言
汽车工业已经成为我国国民经济的支柱产业之一，据最新统计资料显示，我国已成为世界第4大汽车生产国。伴随着我国现代化进程，汽车工业的发展将会有着更为强劲的势头。然而，汽车在带给人们迅捷与方便的同时，也带来很多负面的影响，其中最令人关注的就是由汽车引来的全球能源短缺和尾气排放对人类生存环境的污染问题。针对汽车工业面临的可持续发展问题，本文首先分析汽车轻量化的技术内涵和实现途径，进而介绍变截面薄板及其在汽车白车身制造中的应用。
1汽车轻量化的内涵和途径
1.1汽车轻量化的技术内涵
不论是以内燃机为动力的燃油车，还是以新型燃料电池为动力的电动车或者混合动力汽车，减轻汽车自身的重量——汽车轻量化问题应该是消除上述负面影响的一剂良方。因为汽车自重越轻，需要的引擎也就越轻，耗油或耗电就会更低，同时尾气排放量（对于燃油车）也越小。汽车轻量化将成为汽车工业发展中的一项关键性研究课题。
然而，汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响，即既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。
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[1]。在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的[2、3]。
1.2实现汽车轻量化的主要途径
据统计，汽车车身、底盘（含悬挂系统）、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65％以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应，是汽车轻量化的重要途径。
为减轻白车身的重量，首先应在白车身制造材料方面寻找突破口。具体说来可以有如下几种方案：
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。
方案1）和2）是通过更换车身材料种类来达到汽车轻量化的目的。而方案3）是从材料加工的角度出发，使经过特殊加工后的钢板材料的承载性能、成形性能或者其他方面的性能大大提高。这就是本文进一步要探讨的车用变截面薄板。
2变截面薄板
用于车身制造的变截面薄板分为两种，一种是激光拼焊板（TailorWeldedBlanks，TWB），另一种是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面板（TailorRollingBlanks，TRB）。下面分别介绍这两种变截面板的制作工艺。
2.1TWB生产工艺
TWB是根据车身设计的强度和刚度要求，采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，其加工过程如同裁缝在缝制衣服，用于冲压成形的金属板就像服装面料那样被随心所欲地裁减和拼接，然后再进行冲压。这样，冲压工程师可以根据车身各个部位的实际受力和变形的大小，预先为某车身部件定制一块理想的拼接板料，从而达到节省材料、减轻重量且提高车身零部件性能的目的。由于TWB可以根据需要任意进行拼接，因而具有极大的灵活性，并且能按照等强度的概念优化设计一些原来是等厚度的车身零部件，并进而把它们由原来的锻造加工转换为冲压加工，既提高加工效率，又节省加工能源。
但是，TWB也有它的不足之处，一是在板料的拼接处存在着板料厚度的突然变化，这给冲压模具的设计、制造带来新的难题；二是在拼接焊缝及其附近区域有比较明显的加工硬化现象，使在后续的冲压过程中容易产生裂纹，造成隐患，往往不得不增加一道热处理工艺来消除这种硬化效应。
2.2TRB的柔性轧制工艺
TRB是通过一种新的轧制工艺——柔性轧制技术而获得的连续变截面薄板。即在钢板轧制过程中，可以通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材，参见图1。这样的变截面薄板经加工后制成的汽车零部件将具备更好的承载能力，且明显的减轻了重量。
图1TRB柔性轧制工艺
Fig.1TRBflexiblerollingtcchnology
柔性轧制技术是TRB的核心。其实质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轧制方向上具有预先定制的变截面形状。在柔性轧制过程中，可以通过计算机对轧机的实时控制来自动和连续地调整轧辊的间距，从而实现由等厚度板卷到TRB板卷的轧制。这还要求在设计车身时必须预先考虑到后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，在轧制之前选定有利于后续加工的板料型面，然后再通过柔性轧制工艺将其轧制出来。当前设计领域中，已经具备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。
2.3TWB与TRB的比较
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