不等厚板在車頂橫梁上的應用

王光，李雙一，魏元生

(1.長城汽車股份有限公司技術中心,河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心, 河北保定 071000)

不等厚板在車頂橫梁上的應用

王光1，2，李雙一1,2，魏元生1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心,河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心, 河北保定 071000)

不等厚技術是在軋制過程中，利用計算機實時控制來自動和連續(xù)地調節(jié)軋輥間距，從而獲取軋制方向板材厚度均勻變化的板材。主要針對某汽車公司某車型車頂橫梁應用差厚板材料以及沖壓模具的開發(fā)進行研究，試制成功不等厚頂蓋橫梁零件，驗證了不等厚板成形工藝及模具設計方法的有效性。

不等厚板；過渡區(qū)；車頂橫梁；模具設計；回彈補償

0 引言

不等厚軋制板( Tailored Rolled Blanks， TRB) 在國內常被稱為差厚板。它是20 世紀90 年代初，由德國亞琛工業(yè)大學金屬研究所最早開發(fā)出來的[1]，其核心是“柔性軋制技術”，即在鋼板軋制過程中通過計算機實時控制軋輥的間距，以獲取沿軋制方向預先定制的截面厚度[2]。TRB板由于其厚度組合的靈活性，開始被應用到汽車零件中，是實現(xiàn)汽車輕量化的一種先進材料工藝[3-4]。

差厚板過渡區(qū)板材厚度非均一性的特點，使得過渡區(qū)材料模型的確定成為差厚板利用的前提。國內差厚板研究中，包向軍研究了差厚板的回彈，對差厚板的材料模型采用插值分區(qū)描述，討論了不同插值方法對于離散結果的影響。楊兵等人通過拉伸實驗和圓筒拉深實驗確定了采用插值法進行過渡區(qū)模型構建，為建立相對準確的差厚度板的材料模型提供了參照。

文中針對差厚板材質進行了不同厚度機械性能差異分析，基于車頂橫梁沖壓模具分別進行了仿真和實際沖壓結果的對比分析。

1 材料性能研究

1.1 實驗材料和方法

實驗材料選擇為340LA，化學成分見表1，針對不同厚度進行取樣，測得力學性能見表2。考慮到軋輥壓下量對沖壓零件的影響，Mubea公司指出，差厚板最為經(jīng)濟的過渡區(qū)坡度比為1∶100[5]，因此此次板材為1.4 mm-0.7 mm-1.4 mm，過渡區(qū)長度為70 mm(見圖1)。

表1 HC340LA材料的化學成分(質量分數(shù))

表2 HC340LA等厚度區(qū)材料力學性能

圖1 差厚板板材示意圖

1.2 晶粒度和硬度檢測

維氏硬度和金相組織的觀察分別按照GB/T 4340.1和GB/T 13298執(zhí)行。圖2為經(jīng)過退火后、厚區(qū)到薄區(qū)的金相組織，合金基體為鐵素體+碳化物，隨著厚區(qū)到薄區(qū)，晶粒度增大明顯，晶粒變細。圖3為不同厚度區(qū)域硬度以及晶粒度測量數(shù)據(jù)，可以推斷：由于薄區(qū)軋輥壓下量的增大，畸變能增大，碎晶增多，晶粒度變大。

圖2 金相組織

圖3 不同厚度晶粒度以及硬度

1.3 拉伸實驗

材料力學性能實驗按照GB/T 228-2010進行，針對差厚板等厚度區(qū)進行性能分析，采用A80試樣(圖4)，測試薄區(qū)和厚區(qū)基本力學性能，詳見表2。

圖4 拉伸試樣(A80)

(1)差厚板隨著厚度的增加屈服強度和抗拉強度均降低，延伸率有所上升。由于薄區(qū)和厚區(qū)軋制壓下量不同，致使厚、薄區(qū)域具有不同的加工硬化程度。

(2)要達到同樣的機械特性，厚區(qū)和薄區(qū)應該采用不同的退火工藝。但對同一板料鋼帶進行退火，針對連續(xù)變化的不同厚度區(qū)采用不同的退火工藝難度很大。

綜合考慮厚區(qū)和薄區(qū)，采用一種特定退火工藝使各厚度區(qū)材料力學特性達到相對最優(yōu)且滿足標準要求。

2 零件沖壓

此次試沖的零件為某款車型的車頂橫梁，零件結構如圖5所示。材質為HC340LA；厚度為1.4 mm-0.7 mm-1.4 mm。

圖5 頂蓋橫梁示意

2.1 差厚板過渡區(qū)模擬

差厚板與一般等厚度鋼板的區(qū)別在于板料在軋制過程中存在一個連續(xù)厚度變化的過渡區(qū)，這種厚度上的連續(xù)變化也導致了板料在材料性能上的非均一性，從而導致常規(guī)用于成形模擬單一材料模型參數(shù)不能直接用于差厚板的成形仿真。一方面利用分區(qū)離散的方法，將過渡區(qū)分區(qū)離散為由不同厚度的板料(見圖6)連接而成，在等厚度區(qū)采用同一材料性能，從而可以有效地實現(xiàn)對差厚板過渡區(qū)域材料特性的模擬[6]，其中不同厚度離散區(qū)域的材料參數(shù)通過2個厚度區(qū)域材料參數(shù)插值得到。

圖6 差厚板過渡區(qū)離散化示意圖

2.2 Autoform成形分析

結合Autoform提供的數(shù)據(jù)構建CAD數(shù)模。根據(jù)頂蓋橫梁確定模具設計的相關要求，完成該零件的壓料面及工藝補充設計。拉延筋設計如圖7所示。

圖7 頂蓋橫梁拉延筋設計

減薄率分析結果如圖8所示。Autoform分析中通常需要結合FLD圖和減薄率對板料是否開裂進行分析，該零件兩端減薄率大于中間部位，整體減薄率小于20%，在安全裕度以內。

圖8 減薄率分析

通過以上關于差厚板板料特性的表征方法及成形工藝進行成形仿真參數(shù)設置和分析，如圖9、圖10所示。結果表明：該材料特性表征方法用于TRB零件沖壓成形數(shù)值模擬過程穩(wěn)定，精度高，結果可靠，該零件采用差厚板方案時的拉伸成形性能良好，在拉伸件上無開裂現(xiàn)象。零件起皺可以通過起皺準則進行評判，表面起伏高度大于0.03 mm時可視為該區(qū)域有起皺風險。從仿真分析結果看，此零件在零件切邊區(qū)域內的起皺情況符合要求。

圖9 FLD圖

圖10 起皺分析

2.3 回彈工藝處理

當零件成型穩(wěn)定后，將零件回彈計算加入到后期模擬過程中，邊界條件采用支撐回彈，計算結果如圖11所示。

圖11 局部回彈補償方案

零件兩頭基本上為負值，最大量0.6 mm左右，零件中間基本上沒有超差或局部超差不超過0.3 mm左右，因此可以根據(jù)模擬結果判定：零件在脫離模具后，表現(xiàn)出來的狀態(tài)是：在沖壓方向上，兩邊向下彎曲，中間向上翹起。

回彈補償?shù)姆绞街饕袃煞N：一種是全局補償，一種是局部補償。由于不等料厚板材的特殊性，并且回彈區(qū)域較明顯，故采用局部補償?shù)姆绞絹磉M行回彈處理。選擇了端頭到接近過渡區(qū)域的型面進行回彈補償，型面最大更改量為0.6 mm。

2.4 樣模模面設計

通常情況下，模具的凸凹模和壓邊圈的加工都位于參考面的同一側，初始凸凹模型面是重合的，利用參考模面偏移，偏移位移為材料的料厚，從而加工出凸凹面和壓邊圈。

針對差厚板材，由于過渡區(qū)域和不同厚度的存在，直接采用料厚偏置的方法不適用，因此加工差厚板沖壓模具時需要針對凸凹模和壓邊圈的型面進行單獨制作。

以此項目為例，設計工藝階段，參考型面為上型面(凹模)，該型面不變，針對沖壓零件，位于等厚區(qū)域的工藝凸模型面直接通過偏移料厚獲得，不同厚度之間通過橋接方式連接。

2.5 樣模結構設計

拉延方式采用常用的單動拉延。根據(jù)成型模擬反饋的結果，將模具受力和運動的基本參數(shù)設置如下：壓邊圈的壓邊力為80×104N，模具成型力為4 MN，壓邊圈行程為30 mm，選定6.3 MN的機床為生產(chǎn)設備。

下模座材質選用灰鐵HT300，凸模、壓邊圈和上模用合金鑄鐵。

單動拉延分為內導向、盒式導向和四角導向，考慮到頂蓋第二號橫梁是細長型且是差厚板，需要模具導向穩(wěn)定，所以作者選擇了四角導向方式。

樣模結構如圖12所示。

圖12 開發(fā)模具

2.6 結果分析

對實際沖壓部件進行白光掃描，檢測位置42處，合格數(shù)40處(與數(shù)模偏差±0.5 mm)，合格率95%，沖壓結果良好。

3 結論

(1)差厚板隨著厚度的增加屈服強度和抗拉強度均降低，延伸率有所上升。

(2)結合零部件特征和板料厚度分布采用局部補償回彈。

(3)由于頂蓋橫梁成形過程不存在明顯的過渡區(qū)偏移，因此過渡區(qū)不用特殊處理，結合零部件和板材進行橋接過渡即可。

(4)差厚板在厚度方面的非均一性要求模具零件加工工藝需要相應改變，必須對模具加工進行分區(qū)偏置處理。

(5)采用上述成形工藝及模具設計方法，經(jīng)試模順利生產(chǎn)出滿足尺寸精度要求的零件。

【1】HAUGER.Tailor Rolled Blanks for Automotive Lightweight Engineering[C]//Automotive Circle International Conference,Frankfurd,2008.

【2】杜繼濤.TRB軋制建模及其在汽車覆蓋件上應用的關鍵技術[D].上海：同濟大學，2008.

【3】楊兵,高永生,張文,等.基于變厚板(VRB)的汽車前縱梁內板開發(fā)[J].塑性工程學報,2014,21(2):76-80. YANG B,GAO Y S,ZHANG W,et al.Development of Vehicle Front Side Member Based on Variable-thickness Rolled Blank[J].Journal of Plasticity Engineering,2014,21(2):76-80.

【4】姜銀方,王勇良,袁國定,等.連續(xù)變截面橫梁回彈特性及控制[J].機械設計，2010,27(1):10-13. JIANG Y F,WANG Y L,YUAN G D,et al.Research on Resilience Characteristics and Control of Continuous Variable Cross Section Beams[J].Journal of Machine Design,2010,27(1):10-13.

【5】MEYER A,WIETBROCK B,HIRT G.Increasing of the Drawing Depth Using Tailor Rolled Blanks-numerical and Experimental Analysis[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2008,48:522-531.

【6】吳昊,楊兵,高永生,等.變厚板材料模型表征方法的比較研究[J].鍛壓技術,2014,39(6):37-44. WU H,YANG B,GAO Y S,et al.Comparison Study of Description Methods for Material Model of Variable-thickness Rolled Blank[J].Forging & Stamping Technology,2014,39(6):37-44.

Application of Tailor Rolled Blanks on Roof Cross Beam

WANG Guang1,2, LI Shuangyi1,2,WEI Yuansheng1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China；2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

Tailor rolling blank(TRB)is also called flexible rolling blank, by changing the roll gap during rolling which is characterized by a controlled online adjustment based on a target thickness profile, longitudinal thickness transitions are produced. Characteristics of TRB material and development of stamping die for a roof cross beam were focused on. Finally, the prototype of the TRB roof cross beam was accomplished. The results show that the forming process of TRB and the forming die design method are available.

Tailored rolled blanks; Transition area; Roof cross beam; Die design; Springback compensation

2016-11-05

王光(1988—)，男，工學學士，研究方向為汽車輕量化，新材料應用。E-mail:michealwang2011@me.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.008

U465.1+1

B

1674-1986(2017)03-033-04