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。
关键词： 变截面薄板 拼焊板（TWB） 变截面辊轧板（TRB） 车身制造
中图分类号：TG310，U463
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（Tailor Welded Blanks，TWB），另一种是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面板（Tailor Rolling Blanks，TRB）。下面分别介绍这两种变截面板的制作工艺。
2.1 TWB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。
2.2 TRB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1 TRB柔性轧制工艺
Fig. 1 TRB flexible rolling tcchnology 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。
2.3 TWB与TRB的比较
可以从以下几个方面对二者进行比较：
1）减重效果 TWB和TRB 的应用都是为了达到汽车轻量化的目的。基于工程力学中薄壁梁承载性能的基本理论，并以等厚度薄板作为参照，若由等厚度板、TWB及TRB三种板材制成的结构件具有同样的刚度，则其减重效果如图2所示。
图2 等刚度条件下不同截面厚度的薄板减重效果
Fig 2 Lose-weight effect of variable section thickness blanks in intrinsic rigidity TRB 之所以具有极佳的减重效果归功于它的连续变化的截面形状，也就是说，用最少重量的TRB材料制成的车身结构件能达到其他两种板料一样的刚度。
2）机械性能和应用效果 由于TWB存在厚度突变和焊缝的影响，且焊接添加金属材料与被焊接基材在材料特性上必然有一定差异，致使TWB在沿长度方向上的硬度也会发生跳跃式的变化，如图3 a）所示。
这将为后续的成型加工带来极为不利的影响。再就是TWB的焊缝从外观上来说即使采用任何涂装措施也无法彻底掩盖，因此它不适宜用作车身外覆盖件材料，而一般用来制作内覆盖件或支承结构件。相比之下，TRB具有较好的机械性能，其在沿长度方向上的硬度变化比较平缓，没有TWB那样的硬度和应力波峰，具有更佳的成形性能；TRB所制成的零部件厚度可以连续变化，以适应车身各部位的承载要求；其表面变化是连续、光滑的，因而可以制作各种车身外覆盖件。参见图3 b）。
3）工艺复杂程度 TWB可以通过激光焊接工艺进行任意拼接，因此具有很大的灵活性。但由于它是不同厚度板材的对接或搭接，致使在拼接处板料厚度有突变，此外在焊缝及其附近会产生局部硬化，所以不得不增加一道热处理工艺来消除硬化效应，从而加大了工艺复杂程度。TRB则是靠柔性轧制工艺在不同厚度的板料之间形成一个连续的、缓变的过渡区，不存在TWB的焊缝问题。但它的不足之处是受轧制工艺和轧机设备的限制，其厚度变化只能发生在板料的初始轧制方向上；此外，现有的轧制工艺还无法把不同金属材料的板料“轧制”在一块整板上；即在灵活性上不如TWB。
由以上对比分析可知，TWB和TRB在减重、机械性能、制造工艺等方面各有自己的特色和不足之处；从综合指标来看，TRB具有更大的优势。因此，为达到汽车轻量化的目的，似有一种更好的方案：即把TRB与TWB组合在一起，制成真正意义上的“任意拼接板”（Tailored Blanks）。优势互补，从而得到一种新型的汽车轻量化用材。
图3 沿板料长度方向TWB与TRB硬度变化比较
Fig.3 compare variation of hardness TWB with TRB along longness of sheet materials 3 TWB/TRB在汽车车身制造中的应用及研究重点
3.1 TWB/TRB为汽车轻量化带来的好处
鉴于TWB/TRB具有上述一系列的优良特性，采用TWB/TRB制造轻量化的车身零部件，能够带来如下一些好处：
1）TWB/TRB的厚度分布可以根据车身零部件所受到的载荷来调整，即所谓“度身定做”，使车身零部件的重量大大减轻，且性能得以提高。
2）TWB/TRB的截面形状可以预先选择，使采用TWB/TRB冲压成型的车身零部件具有更好的抵抗变形的能力。
3）TRB连续变化的截面提供了有利于后续成型加工的可能性。比如，事先运用有限元分析或数字模拟技术判断车身覆盖件在冲压过程中可能出现拉裂或材料流动性较大的部位，那么，在车身设计阶段就可以为某一部件的某个部位预先分配较大的板料厚度，从而有效地避免废品的发生。
3.2 应用实例
在一些汽车制造强国（如德国），TWB和TRB已经开始投入汽车工业的实际应用之中。
图4 a）所示为一个用在“奔驰”E级轿车上的TRB原型零件[4]。这个由TRB冲压成型的“侧框”位于轿车后部，左右对称。前端板料厚度为0.88mm，与左右侧围相接，后端板料厚度为1.15mm，恰是汽车追尾时的敏感部位，中间区域板料厚度均匀过渡。如此设计制造，匠心之所在不言而喻。
图4 b）和图4 c）所示为另外两个TRB在汽车车身零部件制造中的应用实例。图4 b）所示的零件是“克莱斯勒”轿车上的一个横梁，用TRB代替原来的等厚度板料，零件重量减轻25％，而且承载性能得到了提高。图4 c）所示是“大众”轿车上的一个边梁，其承受较大载荷的弯曲部位的板料厚度为3.0mm，而两端的板料厚度仅分别为2.0mm和1.5mm，减重幅度达到45％。 
a) 后左（右）侧框 b) “克莱斯勒”轿车车身横梁c) “大众”轿车车身边梁
图4 用TRB冲压成形的车身零部件
Fig .4 auto-body parts of stamping in TRB 3.3 TRB应用中的研究重点
目前,围绕着TRB的加工和应用方面的研究还不是十分成熟，还有不少深层次的理论问题和技术问题有待研究。比较突出的重点有以下几个方面：
1）车身覆盖件冲压模具的设计 用普通等厚度板材冲压成型的车身覆盖件模具的设计已经是相当复杂的工作，更何况变截面薄板的冲压成形的模具设计。因为对于变截面薄板来说，原来基于等厚度板材所建立的力学本征模型、数值仿真模型及三维几何模型都不再完全适用了。需要花大力气重建这些模型和设计覆盖件模具。但可以借鉴学术界和工业界已经在车身模具设计、制造方面积累了大量的知识和经验，从中再挖掘其不同之处定能找到新的出路。
2）变截面薄板冲压过程中的变形 学术界和工业界通过有限元分析及数值模拟等手段已经基本上摸索出等厚度薄板冲压成形和材料流动的规律，并成功应用于生产实践。变截面薄板的引入使车身覆盖件的冲压成形过程变得更为复杂，在同样的压边力和拉伸力下，板料各个部位的变形都不均匀，成形过程控制更难；必须建立新的数学模型，开展以高性能计算机为基础的三维数值模拟来营造“虚拟现实（Virtual Real）”环境，以预测变截面薄板在冲压过程中的变形和材料流动情况，从而找出相应的对策。
3）板料回弹 对于等厚度薄板冲压卸载后工件回弹量的精确补偿，与材料本身的物理非线性、力学上的边界非线性和模具型腔的几何非线性等密切相关，工程上往往是结合现场实验来获取一些数据，再进行工程分析，即确定材料的弹塑性本构关系、各种应力应变曲线及材料的各相异性等参数，以有限元仿真、数值模拟的手段来进行预测，修改原覆盖件三维设计模型，最终获得一个与所要求的工件模型不同的模具型腔模型，以解决回弹量的补偿。而对于TRB来说，由于其本身结构的特殊性，即沿轧制方向连续变化的截面形状及由此引出的材料机械性能的非均一化，将会使工件回弹问题变得更为复杂。显然，要真正使TRB获得大规模工业应用，必须对TRB的回弹问题进行深入的研究，以冀掌握TRB回弹的机制、比较精确地控制和补偿回弹量，最终获得令人满意的TRB材料车身零部件。在这一方面，以德国亚琛工业大学金属成型研究所（IBF of Aachen University）Reiner Kopp为首的研究队伍与工业界密切合作，已经开始了一些探索性的研究工作，并取得初步的成果；我国上海交通大学模具技术研究所也在开展类似的研究[4、5]。
4 结论
1）汽车轻量化对于汽车工业的进一步发展具有十分重要的意义。
2）在汽车车身制造中采用变截面薄板以减轻车身自重，并提高车身抗振性能和承载性能，是汽车轻量化的重要途径之一。
3）应当进一步地在车身设计中深入开展变截面薄板（TRB、TWB）的应用、柔性轧制工艺以及相应的冲压模具设计、探索变截面薄板在冲压过程中的变形规律及工件回弹机理、回弹量控制、补偿等方面的研究，以扩大变截面薄板在汽车白车身制造中的应用空间。
参 考 文 献
1 M.Geiger, Manufacturing science-Driving Force for Innovation, Proceedings of the 7th ICTP, Vol.1, Oct. 28～31, 2002, Yokohama, Japan, p. 17～30
2 黄良驹、杨慎华、寇淑清等，汽车变截面板簧精密辊锻工艺及自动化装置，锻压机械 2001.6，p. 30～35
3 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. p. 95～97
4 R.Kopp, P. Boehlke, Ch. Wieedner, A.Erbert, Weiterverarbeitung von Tailor Rolled Blanks Akutuelle Forschung am IBF, 16. Aachener Stahlkolloquium Umformtechnik, 2001
5 包向军. 变截面薄板弯曲成形回弹的试验研究和数值模拟，上海交通大学博士论文，2003.6
Research on Applications of Variable Section Blanks in the Auto-body Manufacturing
Du Ji-tao1,2 QI Cong-qian1
(1. Tongji University Shanghai 200331; 2. University of Shanghai for Science and Technology Shanghai，200093)
Abstract：The important signification of the auto-lightweight for auto-industrial is discussed,. Its technologies and primary methods are analyzed, pointed out that using variable section blanks in auto-body manufacturing is the efficient measure for the reduction of auto-weight and improvement of auto-capabilities. The applications of TWB(tailor welded blanks) and TRB(tailor rolling blanks) are focused for auto-lightweight and a few of researching keys of the TRB’s applications in auto-body manufacturing aregiven.
Key words： variational section blanks; tailor welded blanks（TWB）; tailor rolling blanks（TRB）; auto-body manufacturing
作者简介：杜继涛，男，1967年5月生。在职博士研究生，上海理工大学机械学院副教授。研究方向：模具设计制造技术、板料成形理论。发表论文20余篇，主编教材1部。
齐从谦，男，1945年4月生。同济大学机械工程学院教授、博士生导师。主要研究方向：先进制造技术, CAD/CAM,车身设计与制造。发表论文100余篇，出版专著2部，主编高校教材5部。
联系地址：上海市军工路516号259信箱（模具教研室）
邮政编码：200093
E-mail: djtjaster@263.net
联系电话：13651807800，021-65681052
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