集成式輥壓型材在客車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

酒軍亮，詹國臣，王小偉，劉永博，梁奇?zhèn)?/p>

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215026)

客車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中常用的手段主要有材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、整車和零部件拓?fù)鋬?yōu)化等。本文提出一種集成整合的輕量化設(shè)計(jì)思路，即集成式輥壓型材整合思路，將零部件功能集成與制作工藝過程整合，達(dá)到輕量化和提高生產(chǎn)效率的目的。以車身局部結(jié)構(gòu)腰梁流水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，探討該設(shè)計(jì)思路在車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 集成式輥壓成型簡(jiǎn)介

輥壓成型是通過順序配置的多道次成型軋輥輪，把金屬板帶不斷地進(jìn)行彎曲，以制成特定形狀斷面的過程，同時(shí)在成型過程中集成沖孔、焊接、切斷等工藝，特別適合用于生產(chǎn)批量大的等斷面長工件，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率的目的[1]。輥壓成型件在客車上的應(yīng)用目前主要集中在車身外覆蓋件，如側(cè)圍蒙皮、頂蓋蒙皮等；在骨架結(jié)構(gòu)件方面，主流客車廠家也逐步在部分關(guān)鍵的承載件上進(jìn)行探索，如座椅固定型材、頂蓋邊縱梁等。

集成式輥壓成型是將集成思路和輥壓成型工藝整合，即將多種零件進(jìn)行功能集成，同時(shí)考慮材料輕量化和結(jié)構(gòu)去冗余，最終設(shè)計(jì)出一種全新的輕量化輥壓型材產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)思路要求在前期的型材設(shè)計(jì)中充分了解產(chǎn)品的工藝制造場(chǎng)景，全方位了解產(chǎn)品的上下游裝配、制作及安裝關(guān)系，盡可能將產(chǎn)品的功能要素、制造要素、工藝要素全部在產(chǎn)品中體現(xiàn)，避免二次加工，提升生產(chǎn)效率。

采用集成式輥壓成型工藝制造的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)的斷面形狀在縱向延伸不發(fā)生改變；斷面展開尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸。

2 應(yīng)用方法

選取客車局部結(jié)構(gòu)側(cè)行李艙門固定區(qū)域作為研究對(duì)象，探討腰梁流水槽集成式輥壓型材在客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。

2.1 輥壓型材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

客車側(cè)行李艙門固定及密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，1、2、3號(hào)件的連接方式為拼焊，同時(shí)考慮到安裝孔、工藝孔的開制，該處結(jié)構(gòu)裝配需要耗時(shí)約3.5 h/輛，生產(chǎn)效率比較低。另外腰梁作為車身骨架縱向最主要的結(jié)構(gòu)，對(duì)直線度要求很高，而手工焊接引起的變形對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有很大的影響。

1—側(cè)圍腰梁矩形管； 2—流水槽； 3—密封止口；4—密封膠條； 5—鉸鏈； 6—行李艙門； 7—側(cè)圍蒙皮。

上述的側(cè)圍腰梁1、流水槽2以及密封止口3組成的局部結(jié)構(gòu)在長度方向截面形狀相同，且斷面展開尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸，所以非常適合采用集成輥壓型材思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

采用集成設(shè)計(jì)的思路對(duì)圖1中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行型材斷面形狀和工藝制造要素的整合。

2.1.1 型材斷面形狀及尺寸的集成設(shè)計(jì)

將圖1中的件1、2和3集成整合，設(shè)計(jì)為一種零件。由于型材外形受結(jié)構(gòu)功能的限制，集成后的輥壓型材和原始拼焊結(jié)構(gòu)總體外形相似，重點(diǎn)確定的是原來相鄰零件之間的連接處理。從輥壓成型的次序、材料的折彎性能以及外形結(jié)構(gòu)的通用化等方面進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

將圖1中的件1和2集成設(shè)計(jì)為圖2中左側(cè)的結(jié)構(gòu)型式。這兩種結(jié)構(gòu)型式代表了不同的輥壓成型次序，結(jié)構(gòu)型式1為逆時(shí)針成型而結(jié)構(gòu)型式2為順時(shí)針成型，對(duì)應(yīng)于兩種輥壓設(shè)備的不同布局?？紤]到實(shí)際的使用場(chǎng)景，結(jié)構(gòu)型式2不會(huì)影響側(cè)圍蒙皮的安裝，優(yōu)選該結(jié)構(gòu)型式。將腰梁右下角設(shè)計(jì)成大圓角結(jié)構(gòu)則是考慮了不同車型造型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通用性較好。圖1中的件2和3可集成設(shè)計(jì)為圖2中右側(cè)的結(jié)構(gòu)型式，在流水槽端頭折彎360°后再和流水槽的右側(cè)雙層貼合，最后在下側(cè)折出密封膠條的安裝止口。最終確定的斷面基本形狀和裝配關(guān)系如圖3所示，用一種輥壓型材代替了原來的3個(gè)零件。

圖2 型材斷面細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)

圖3 型材外形和裝配關(guān)系

集成斷面形狀確定后，再確定圖3中的7個(gè)關(guān)鍵尺寸，從通用性的角度進(jìn)行參數(shù)整合。7個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)如下：腰梁寬A，該值與側(cè)圍寬有關(guān)，客車車型中50 mm占了很大比例，設(shè)置為50 mm；腰梁高B，目前有60 mm和70 mm兩種規(guī)格，借助CAE軟件及可靠性試驗(yàn)，表明將規(guī)格統(tǒng)一為60 mm可行，設(shè)置為60 mm；流水槽高C，為確保艙門和側(cè)圍蒙皮之間的縫隙均勻，可通過艙門上或鉸鏈上的腰型孔實(shí)現(xiàn)調(diào)整，設(shè)定為75 mm；艙門鉸鏈安裝面到側(cè)圍外表面的距離D，該參數(shù)與艙門型式和鉸鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)，可根據(jù)銷量最大車型的結(jié)構(gòu)確定，其他車型選擇合適尺寸的鉸鏈，使得鉸鏈轉(zhuǎn)軸與安裝面的距離不超過該D值即可,設(shè)置為20 mm；密封止口安裝面距側(cè)圍外表面的距離E，該值亦可通過選擇合適的膠條以滿足不同車型的需求，設(shè)置為26 mm；鉸鏈安裝面高F，該值要大于艙門鉸鏈寬，設(shè)置為30 mm；密封膠條止口高G，設(shè)置為18 mm，可適用于所有密封膠條的固定。

通過上述有針對(duì)性的通用化整合，確認(rèn)最終的設(shè)計(jì)參數(shù)。在進(jìn)行整合時(shí)還需要重點(diǎn)參考該參數(shù)值對(duì)應(yīng)車型的銷售情況，確保最終參數(shù)能覆蓋80%的銷售車型。

2.1.2 型材縱向上的工藝孔制造集成

與腰梁流水槽局部結(jié)構(gòu)相關(guān)的工作場(chǎng)景有：行李艙門的安裝、整車電泳時(shí)電泳液的流通以及側(cè)圍雨水通道等。因此，需要在圖3所示的型材縱向上考慮三種孔，如圖4所示： ①行李艙門鉸鏈安裝孔(A向)，腰形孔，孔端圓直徑7 mm、長度8 mm,6個(gè)腰形孔構(gòu)成相對(duì)位置固定的1組孔型；②流水槽滴水孔(B向)，腰形孔，孔端圓直徑12 mm、長度27 mm，縱向?qū)?yīng)于A向1組孔型的正中；③腰梁上下側(cè)電泳孔(C向)，圓孔，孔直徑12 mm，沿型材縱向均勻分布。另外，這3種孔在縱向上的排布與車長和側(cè)艙門的分割有關(guān)，在后期的模具開發(fā)時(shí)，沖孔工藝需要實(shí)現(xiàn)縱向可調(diào)。

圖4 型材縱向開孔

2.2 輕量化設(shè)計(jì)

集成式輥壓成型設(shè)計(jì)的輕量化效果主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)件整合過程中的斷面精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、高強(qiáng)鋼的應(yīng)用和輥壓成型件的材料利用率方面。

1) 型材斷面精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在滿足功能和強(qiáng)度、剛度的前提下，將圖1中的3個(gè)零件集成，去除零件之間的冗余搭接結(jié)構(gòu)，腰梁右下側(cè)設(shè)計(jì)為大圓弧結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通用化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化；根據(jù)艙門的安裝要求精準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖3中的C、D、E、F和G值，將B值由70 mm統(tǒng)一為60 mm，既提高材料利用率又實(shí)現(xiàn)輕量化。與圖1所示的拼焊結(jié)構(gòu)相比，在壁厚相同的情況下圖3所示結(jié)構(gòu)可減重7.4%。

2) 選用高強(qiáng)鋼替換普通鋼對(duì)型材的壁厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于側(cè)圍腰梁在車身骨架上起著承上啟下的關(guān)鍵作用，需要充分驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性。通過整車剛度、強(qiáng)度有限元分析顯示，選用1.5 mm壁厚的高強(qiáng)鋼QSTE700TM優(yōu)于原始2.0 mm壁厚Q345鋼的拼焊結(jié)構(gòu)，單項(xiàng)減重比例可達(dá)24.9%。

經(jīng)過上述輕量化設(shè)計(jì)，總體減重比例32.3%，輕量化效果非常明顯。

另外，從生產(chǎn)制造角度分析，輥壓成型工藝加工出來的型材即為最終產(chǎn)品，無需修邊、不產(chǎn)生輔料，與熱軋或沖壓工藝相比，能夠節(jié)約材料15%～30%[2]。

2.3 工藝實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)圖3和圖4所示的輥壓型材制造，需要將輥壓成型與沖孔、焊接、切斷等多種工藝結(jié)合，如圖5所示。其中開卷、矯平和接料對(duì)焊等輔助工藝按照成熟的布局方案實(shí)施[3]，在線沖孔、輥壓成型和在線焊接工藝是腰梁流水槽輥壓型材制作的關(guān)鍵。

圖5 輥壓型材總體工藝流程

1) 開卷和矯平。首先選用1.5 mm厚高強(qiáng)鋼QSTE700TM鈑材，根據(jù)型材斷面尺寸手工或在COPRA軟件中計(jì)算出料寬為394 mm，可直接向鋼廠訂貨。另外鋼卷的料厚要嚴(yán)格控制在正公差，避免輥壓成型后局部厚度過小影響型材強(qiáng)度。在鋼帶進(jìn)入對(duì)焊工序前需要矯平，以消除鋼帶的殘余應(yīng)力，確保鈑材平整。

2) 接料對(duì)焊。當(dāng)料架上的鋼帶用完時(shí)，未用的鋼卷和流水線上的余料之間對(duì)接滿焊，將焊縫打磨平整，在送入沖床前可布置1組輥輪對(duì)鋼帶進(jìn)行二次整平處理。

3) 在線沖孔。按圖4要求需要事先設(shè)計(jì)3種沖孔模具，單車成品件需要開制85個(gè)孔，數(shù)量多、孔型復(fù)雜，可設(shè)置2組沖孔設(shè)備，其中艙門安裝孔和流水槽滴水孔相對(duì)位置固定，可通過一組設(shè)備上的2種沖孔模具實(shí)現(xiàn)一次開制；另一組用于電泳孔的開制。每組沖孔模具設(shè)置不同的沖孔速度，以滿足各孔縱向尺寸要求。由于部分沖孔位置與成形彎角距離較近，在輥壓成型時(shí)孔型會(huì)發(fā)生畸變，所以在沖孔模具設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮畸變誤差和畸變量[4]，確保輥壓變形后滿足沖孔要求。

4) 輥壓成型。這是最核心的工藝，主要包括：①成型機(jī)組型式選擇，需要根據(jù)設(shè)備和場(chǎng)地情況選擇固定成型機(jī)組或可調(diào)成型機(jī)組，無論哪種機(jī)組都要注意左右成型機(jī)架之間的間距要大于394 mm的鈑料寬度，并留足調(diào)節(jié)余量；②多道次成型軋輥的布置，成型道次和滾花圖是軋輥布置的基礎(chǔ)。采用非對(duì)稱斷面成型道次數(shù)關(guān)系曲線可以計(jì)算出該腰梁流水槽輥壓型材需要34道次的不同成型輥，各道次軋輥之間的間距需要考慮到場(chǎng)地的長度和輥壓型材產(chǎn)品的最大長度[5]；③滾花圖是軋輥設(shè)計(jì)的依據(jù)，可借助COPRA軟件設(shè)計(jì)，如圖6所示(道次較多，僅展示部分關(guān)鍵道次)；④根據(jù)每一道次的滾花圖為每一道次配輥，內(nèi)容包括各道次的成形輥和中間道次的輔助輥以及定位套等，如圖7所示的第26道次軋輥布置，上、下軋輥完成型材大圓弧的成形，左右輔助立輥對(duì)前道次的變形進(jìn)行精確整形。

圖6 滾花圖

圖7 第26道次軋輥布置

軋輥設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：分配每一彎曲道次的軋輥彎曲角度不可超過45°，對(duì)于1.5 mm的鈑料推薦彎曲角為25°～35°，同時(shí)要考慮材料的回彈；在滾花設(shè)計(jì)時(shí)，還要進(jìn)行應(yīng)力檢查，重點(diǎn)關(guān)注每道次邊部應(yīng)力是否已超過屈服點(diǎn)[6]，若超過需要減小彎曲角度或增加成型道次，確保材料不會(huì)發(fā)生破裂。

5) 激光焊接。圖4中兩處焊接在輥壓成型完成后進(jìn)行縱向滿焊，可選用激光焊接，其中焊接位置1的焊縫需要打磨處理，確保型材的側(cè)面平整。

6) 定長切斷。該型材產(chǎn)品長度在7～13 m之間，要根據(jù)不同的長度進(jìn)行可調(diào)性切割。

7) 外形和直線度校驗(yàn)。圖4中的兩處縱向滿焊容易引起型材縱向變形，而該型材對(duì)直線度的要求較高，需要布置專門的檢測(cè)設(shè)備對(duì)型材直線度進(jìn)行檢測(cè)和修正，以滿足技術(shù)要求。

2.4 集成式輥壓型材在客車上的應(yīng)用

上述腰梁流水槽輥壓型材在原材料成本方面通過集成和輕量化設(shè)計(jì)可降低20.7%；生產(chǎn)效率方面，省掉拼焊和打密封膠的工時(shí)，提升15%；在產(chǎn)品質(zhì)量方面，解決了由手工焊接帶來的產(chǎn)品一致性問題，外形美觀，表面光潔度和直線度高，提升了產(chǎn)品品質(zhì)[7]。因此，無論從原材料成本、生產(chǎn)效率還是產(chǎn)品品質(zhì)方面，集成式輥壓型材在大批量生產(chǎn)汽車上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。但是，由于客車行業(yè)的定制化特點(diǎn)，目前集成式輥壓型材的應(yīng)用存在如下缺陷：

1) 產(chǎn)線布置復(fù)雜、模具投入成本高。如上述的腰梁流水槽型材，需要34組輥輪，另外還有沖壓模具、激光焊接設(shè)備等，生產(chǎn)線布置復(fù)雜，模具和設(shè)備投入較大，需要銷售約1 500輛客車才可以分?jǐn)偼晁械拈_發(fā)費(fèi)用，對(duì)于批量小的客車產(chǎn)品投入產(chǎn)出差距較大。

2) 通用化程度低。由于客車產(chǎn)品的定制化程度高、更新?lián)Q代的周期短，整合出通用化程度高的型材難度較大。因此，設(shè)法解決輥壓型材的通用性從而提升整體用量，降低開發(fā)費(fèi)用，才能確保輥壓型材產(chǎn)品在客車上推廣應(yīng)用。

3) 集成斷面結(jié)構(gòu)可靠性驗(yàn)證水平有待提高。輥壓型材產(chǎn)品需要開發(fā)多組輥壓模具，模具一旦開制變更的成本較高，因此，前期理論驗(yàn)證尤為重要。理論驗(yàn)證包括產(chǎn)品的可靠性和工藝實(shí)現(xiàn)的可行性，目前大都借助計(jì)算機(jī)仿真手段進(jìn)行剛強(qiáng)度和工藝可行性分析[8]，而國內(nèi)計(jì)算機(jī)仿真水平參差不齊，仿真精度有待提高。

3 結(jié)束語

將整合思路與輥壓成型工藝集成，提出集成式輥壓型材的設(shè)計(jì)思路，聚焦客車側(cè)行李艙門安裝固定的局部結(jié)構(gòu)，以腰梁流水槽集成輥壓型材為例，分析了集成式輥壓型材在客車車身結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)過程和工藝實(shí)現(xiàn)過程，最后簡(jiǎn)述了集成式輥壓型材在客車上的應(yīng)用現(xiàn)狀，為客車輕量化設(shè)計(jì)提供新思路。