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
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
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
Fig2Lose-weighteffectofvariablesectionthicknessblanksinintrinsicrigidity
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3a）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3b）。
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”（TailoredBlanks）。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.3comparevariationofhardnessTWBwithTRBalonglongnessofsheetmaterials
3TWB/TRB在汽车车身制造中的应用及研究重点
3.1TWB/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4a）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4b）和图4c）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4b）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4c）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.4auto-bodypartsofstampinginTRB
3.3TRB应用中的研究重点
目前,围绕着TRB的加工和
2.3TWB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
Fig2Lose-weighteffectofvariablesectionthicknessblanksinintrinsicrigidity
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3a）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3b）。
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”（TailoredBlanks）。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.3comparevariationofhardnessTWBwithTRBalonglongnessofsheetmaterials
3TWB/TRB在汽车车身制造中的应用及研究重点
3.1TWB/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4a）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4b）和图4c）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4b）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4c）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.4auto-bodypartsofstampinginTRB
3.3TRB应用中的研究重点
目前,围绕着TRB的加工和
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