輥壓成形技術(shù)在商用車車身生產(chǎn)的應(yīng)用

文/張春雨，宋成朋，王曉麗·一汽解放汽車有限公司

交通部JT/T 1178.1-2018《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件第1部分：載貨汽車》將UN ECE R29-03全部試驗(yàn)內(nèi)容納入法規(guī)體系，2019年5月執(zhí)行，法規(guī)升級，駕駛室需要增加整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以滿足法規(guī)要求。國六排放、四階段油耗、國內(nèi)油價高位的運(yùn)行與商用車總重限制等國家法規(guī)政策也將直接推動商用車輕量化發(fā)展。

一般來說，汽車重量每減少10%，燃油消耗量將降低8%左右，并降低5%～6%的排放，如果車輛自重降低0.8噸就可以多裝貨物0.8噸，按照每年行駛20萬公里、每公里平均運(yùn)價0.28元計算，一輛輕量化重卡一年可比載重量相同的普通車型增加收入5萬～6萬元。如何實(shí)現(xiàn)重型卡車的輕量化改進(jìn)、提高用戶收益并提升駕駛室強(qiáng)度成了我們必須要面對的問題。那么對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進(jìn)行提升就成了一個實(shí)施途徑，輥壓工藝以其特有的漸變成形原理及對高強(qiáng)鋼的適應(yīng)性成為了我們對駕駛室生產(chǎn)工藝提升的一個重要工藝手段。工藝流程如圖1所示。輥壓成形技術(shù)從二十世紀(jì)八九十年代在我國得到廣泛應(yīng)用之后，商用車生產(chǎn)中也引入了輥壓成形技術(shù)，包括重卡縱梁、下防護(hù)等結(jié)構(gòu)件的輥壓成形技術(shù)也得到了很好的發(fā)展，乘用車車身鈑金件的輥壓成形技術(shù)得到了很好的發(fā)展，而商用車車身輥壓技術(shù)開展及應(yīng)用起步較晚。

輥壓技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

不同于乘用車駕駛室結(jié)構(gòu)，商用車駕駛室呈現(xiàn)方形籠式結(jié)構(gòu)，后圍、頂蓋、側(cè)圍都需要達(dá)到一定強(qiáng)度完成駕駛室的安全保護(hù)強(qiáng)度支撐，如駕駛室后圍應(yīng)能承受最大允許裝載質(zhì)量每1000kg施加1.96kN的靜載荷。此靜載荷應(yīng)通過置于車架上的不小于整個后圍的剛性壁障施加在至少車架以上的駕駛室后圍上，剛性壁障應(yīng)垂直于車輛的縱向中心軸線，且平行于中心軸線移動。

目前乘用車行業(yè)車身輥壓技術(shù)應(yīng)用開展較早，相對成熟，如車身結(jié)構(gòu)件：車身AB柱、底板梁、頂蓋梁、加強(qiáng)管件、座椅滑軌、門檻、側(cè)圍等。乘用車輥壓技術(shù)應(yīng)用示意圖如圖2所示。材料強(qiáng)度普遍達(dá)到1200～1600MPa，車身輥壓技術(shù)均已得到批量采用，如通用、日產(chǎn)、捷豹路虎、福特、豐田、奇瑞、特斯拉、FCA、本田、一汽大眾、雷諾、上汽大眾、吉利、比亞迪、麥格納等知名汽車廠商。乘用車的輥壓應(yīng)用可以達(dá)到20%以上。

圖2 乘用車輥壓技術(shù)應(yīng)用示意

在商用車輥壓技術(shù)應(yīng)用方面歐美走在了前列，如中地板縱梁、頂蓋的橫梁和縱梁、后圍的橫梁和縱梁都是輥壓成形零件，國外某品牌商用車車身輥壓件應(yīng)用多年，重量比例達(dá)到12%，材料強(qiáng)度1200～1600MPa。集輥壓、拉彎、激光切割、端部翻邊及焊接于一體，優(yōu)勢為：⑴可實(shí)現(xiàn)2D和3D彎曲，⑵可實(shí)現(xiàn)拉彎成形，⑶可進(jìn)行復(fù)雜端面成形及切割。國外商用車駕駛室輥壓應(yīng)用及生產(chǎn)線示意圖如圖3所示。

圖3 國外商用車駕駛室輥壓應(yīng)用及生產(chǎn)線示意圖

商用車高強(qiáng)鋼駕駛室輥壓件的開發(fā)

法規(guī)項(xiàng)中對側(cè)圍、后圍、頂蓋的強(qiáng)度要求提升，綜合輕量化需求，要求商用車車身輥壓件的開發(fā)在材料厚度和強(qiáng)度的選擇上都要慎重。在同一輥壓產(chǎn)品中由于輕量化需求，在材料強(qiáng)度升級的同時，不同的厚度除了輥壓成形本身成形性之外，還會在駕駛室強(qiáng)度方面有著不同的支撐，滿足不了強(qiáng)度要求就無法完成新車型的開發(fā)，如圖4所示。統(tǒng)一高強(qiáng)度級別的材料，不同的減薄料厚的CAE強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，相對薄的某減薄料厚駕駛室在頂壓狀態(tài)下發(fā)生失效變形，無法滿足法規(guī)項(xiàng)，而另一減薄料厚則滿足法規(guī)項(xiàng)的要求，如圖5所示。材料強(qiáng)度升級，料厚減薄，強(qiáng)度甚至可以超出法規(guī)強(qiáng)度要求，既滿足強(qiáng)度升級又滿足輕量化需求，成為重點(diǎn)輥壓產(chǎn)品開發(fā)方向，

圖4 強(qiáng)度失效不滿足法規(guī)

圖5 強(qiáng)度滿足法規(guī)需求

輥壓仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用

我們利用輥壓仿真模擬軟件模塊進(jìn)行輥花和軋輥的數(shù)字化設(shè)計，采用工藝過程的仿真分析技術(shù)代替實(shí)物試錯，使用仿真模型來模擬生產(chǎn)過程和預(yù)測生產(chǎn)結(jié)果。除了有斷面設(shè)計模塊，還可以通過分析回彈情況和優(yōu)化冷彎成形過程給輥壓工程師提供最快速直觀的輔助反饋（如圖6），在成形過程中，產(chǎn)品經(jīng)常出現(xiàn)扭曲、翹曲或端部張開等缺陷實(shí)現(xiàn)在有限元模擬前進(jìn)行整套軋輥組的優(yōu)化設(shè)計，來提升計算效率。

圖6 輥壓仿真模擬

輥壓工藝開發(fā)

輥壓工藝開發(fā)階段，輥壓工藝工程師除了要根據(jù)仿真模擬結(jié)果考慮各種可能缺陷回彈等因素，還需要根據(jù)現(xiàn)場各種因素結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行方案融合保證方案可靠高效。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，輥片道次數(shù)、輥軸直徑、輥片尺寸、輥片共用、設(shè)備結(jié)構(gòu)等都直接影響企業(yè)成本，而企業(yè)往往都面臨著產(chǎn)品換型所帶來的各種變化因素，所以工藝開發(fā)也要考慮換型調(diào)試穩(wěn)定性，包括快換機(jī)架、模具更換工作臺等快速調(diào)整結(jié)構(gòu)都需要加以考慮，通過開卷、矯平、預(yù)沖孔、彎弧、切割、輥壓成形、校直、焊接、切斷等各種成熟工藝組合，配合先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，可以完成多種冷彎成形件的生產(chǎn)，實(shí)時反饋生產(chǎn)信息，方便調(diào)整。同時應(yīng)和設(shè)計師及時溝通，產(chǎn)品截面盡量統(tǒng)一，減少輥片開發(fā)，降低成本及換型調(diào)試。輥壓成形的工藝方案是多種多樣的，企業(yè)也可以根據(jù)自己實(shí)際的生產(chǎn)狀況進(jìn)行合理的定制。這也需要綜合考慮場地、人員、成本、生產(chǎn)節(jié)拍等等。

表1 輥壓工藝特點(diǎn)

材料、人工等成本的變化

企業(yè)在輕量化的過程中往往會考慮材料升級所帶來的成本變化，比如某材料由原有強(qiáng)度升級為更高級別強(qiáng)度的材料，單卷材料費(fèi)是上漲的；但是輕量化材料減薄所帶來的用料數(shù)量卻是降低的，實(shí)際核算發(fā)現(xiàn)升級后輥壓單件成本確實(shí)是降低的。這樣的變化所帶來的結(jié)果是企業(yè)和用戶雙方受益，用戶享受輕量化所帶來的使用成本降低及高強(qiáng)度安全保護(hù)，企業(yè)則用成本降低創(chuàng)造效益。同時，輥壓技術(shù)在商用車車身的應(yīng)用所帶來的人工降低、效率提升、能耗降低、投資降低等降成本效果也是企業(yè)愿意接受此種量產(chǎn)工藝的因素。

結(jié) 束 語

本文簡要介紹了輥壓成形工藝在商用車車身生產(chǎn)中的一些應(yīng)用及開發(fā)思路，希望能給同行提供一些可借鑒思路。實(shí)踐證明，用輥壓成形工藝不僅能保證零件質(zhì)量、性能、使用要求，還可以降低成本，在商用車車身加工領(lǐng)域具有相當(dāng)大的開發(fā)前景。