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輥壓成形工藝在汽車輕量化中的應用及發(fā)展

 俊兒1966 2020-12-18
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源：
《汽車工藝與材料》


歡迎閱讀本篇文章

輥壓成形的核心技術是其工藝及設備的CAD/CAE/CAM技術。在輥壓工藝中要解決先進高強度鋼的回彈和變形能的計算。變截面的柔性輥壓技術是汽車制造新技術的一個發(fā)展方向。


1. 輥壓成形工藝

輥壓成形（Roll forming，又稱冷彎、輥彎）工藝是通過順序配置的多道次成形軋輥，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進行橫向彎曲，以制成特定斷面的型材。

輥壓成形工藝具有以下優(yōu)點：

a.生產效率高，適合于大批量生產，與沖壓、折彎工藝相比提高效率10倍以上，制造成本大幅降低。
b.加工產品的長度基本不受限制，可連續(xù)生產。
c.產品的表面質量好，尺寸精度高。
d.在輥壓成形生產線上可以集成其他的加工工藝，如沖孔、焊接、壓花等。
e.與熱軋和沖壓工藝相比，能夠節(jié)約材料15%~30%。
f.生產噪聲低，無環(huán)境污染。

輥壓成形工藝加工出來的型材其斷面結構合理、品種規(guī)格繁多、幾何尺寸精確，體現了現代社會對材料輕量化、合理化、功能化的使用要求。輥壓成形是一種高效節(jié)能的工藝技術，符合“發(fā)展循環(huán)經濟，創(chuàng)建節(jié)約社會”的政策要求。

輥壓成形采用先進的高效生產工藝，使成形截面達到最好的力學性能。輥壓成形工藝廣泛應用于汽車部件的制造，汽車上很多部件都是用輥壓成形工藝生產，見圖1。

圖1 輥壓成形工藝生產的汽車部件

為減少能源消耗和環(huán)境污染，汽車輕量化已成為世界各國汽車制造的新趨勢。輥壓成形工藝與傳統沖壓工藝相比，具有高效、節(jié)材、環(huán)保、成本低等突出優(yōu)點。

目前，國際上新車型白車身開發(fā)設計中廣泛采用先進高強度鋼板，其中有相當部分的構件，諸如前/后保險杠、門檻、駕駛員座調整機構中的滑軌、車身的B柱及底盤等構件，都是用輥壓成形工藝制造完成的。

2. 輥壓成形CAD/CAE/CAM技術

由于輥壓成形工藝的復雜性，常為企業(yè)采用這種技術造成很多困擾。在開發(fā)新產品時，經常造成整套模具的報廢甚至連續(xù)幾年不能生產出合格產品。

輥壓成形過程十分復雜，如設計不合理，會出現邊浪、袋形波、縱向彎曲、角部皺褶、裂紋及扭曲等變形缺陷，往往在調試生產過程中發(fā)現這些問題。

輥壓成形的關鍵技術是成形模具的工藝設計技術。好的產品及生產線首先取決于工藝設計，采用輥壓CAD/CAE/CAM技術可得到優(yōu)化的工藝設計結果。工藝技術是輥壓成形生產線的基礎。只有對工藝規(guī)律的深入把握和準確認知，才能設計、制造出性能好、精度高、經濟性好的生產線。

圖2是北方工業(yè)大學機電工程研究所開發(fā)的部分輥壓汽車部件的橫截面圖。

圖2

3. 輥壓成形在汽車輕量化中的應用

先進高強度鋼（AHSS）具有優(yōu)良的材料性能。由于迎合了超輕鋼車身先進車輛概念的安全、節(jié)能、經濟的先進理念，AHSS在汽車工業(yè)輕量化中得到了日益廣泛的應用。

先進高強鋼的出現，對輥壓成形的理論與應用提出了新的課題。與普通碳鋼相比，先進高強鋼由其微結構所決定的高屈服強度和低伸長率，在輥壓成形過程中將產生更高的輥荷載和更易產生缺陷、回彈。

近年，結合有限元分析與智能優(yōu)化方法，針對輥壓成形復雜過程的設計參數完成更具穩(wěn)定和高效的輥壓成形工藝與裝備的優(yōu)化，取得了理想的效果。

（1）AHSS的回彈特性研究及其回彈計算方法

相對于普通碳鋼，AHSS的回彈大且回彈隨著屈服應變的變化而變化。工程上用于計算板帶回彈的BISWAS計算公式，其計算的普碳鋼準確度較高，但用于AHSS產生很大的誤差，造成這種誤差的原因是原公式是在研究傳統材料時提出的，BISWAS公式計算AHSS回彈時有較大偏差。

我們提出了一種對屈服應力S進行修正，應用于BISWAS公式，計算AHSS輥壓回彈的方法。隨成形角度增大，板料塑性應變增加，輥壓成形初始屈服應力也增加?？紤]采用隨彎曲角增加而增大的屈服應力代入BISWAS公式計算AHSS回彈，計算結果準確地反映了各個機架中的回彈變量。

（2）AHSS的變形能

AHSS的屈服強度和抗拉強度遠大于普通碳鋼，對于輥壓成形來說，設備參數需要適當地變化以適應AHSS板的成形。通過對AHSS的變形能進行計算，為準確選擇設備參數以及驅動功率提供了依據。

在每個道次的不變形區(qū)，提取板材的總變形能數據，將兩種材料（高強度鋼DP800和普通碳鋼Q235）仿真結果的變形能進行對比，分析DP800所需總變形能相對于Q235所需總變形能的增量百分比。在典型的輥壓成形90°彎曲情況下比較變形能，可知變形能增量百分比的均值為46％。

對于同樣產品的截面形狀，輥壓平均成形角度在13°的情況下，DP800比Q235回彈角平均增大3.5°，變形能平均增大53.6％。

參考上述數據，確定了成形機的基本參數和動力參數，考慮AHSS的回彈特性，做出了工藝設計，多條AHSS的生產線都一次調試成功。

（3）AHSS在汽車保險杠輥壓生產線的應用

在理論研究的基礎上,將研究成果應用于多個AHSS汽車保險杠產品上，成功地實現了強度高達 1200MPa的AHSS板的成形。高強度鋼輥壓保險杠比沖壓保險杠有更輕的質量。

圖3是沖壓的保險杠，圖4是輥壓的保險杠。在相同的抗沖擊能量下，對比數據如下。

圖3 沖壓的保險杠

圖4 輥壓的保險杠

沖壓保險杠：材料牌號DOCOL 500DP；抗拉強度500 MPa；T=1.8 mm；質量為13 kg。

輥壓保險杠：材料牌號DOCOL 1000DP；抗拉強度1 000 MPa；T=1.0 mm；質量為6.5 kg。

輥壓成形后，在線彎圓以及弧形型材的切斷都是重要的工藝技術。開口保險杠和閉口保險杠的輥壓產品見圖5、圖6。

圖5 開口保險杠輥壓成形產品
圖6 閉口保險杠輥壓成形產品

（4）AHSS在汽車側向防撞板輥壓生產線的應用

防撞板的作用是在汽車受到側向撞擊后能減少變形以保持駕駛室內部空間。該零件是由雙相高強度熱鍍鋅鋼板經輥壓成形后激光在線焊接而成，裝置在左/右前車門。Polo車防撞板產品要求材料經輥壓成形后進行激光焊接，截面公差為±0.1 mm，接縫要求緊貼，接縫點直線度≤0.2 mm。

Polo車防撞板采用材料為雙相高強度熱鍍鋅鋼帶，材料厚度為1.5 mm。材料牌號為Dogal 800DP Z100MB，抗拉強度為800~950 MPa，屈服強度為500~640 MPa，伸長率≥12％。雙面鍍鋅，鋅層厚度為7 μm(單面）、14 μm(雙面）。

圖7是Polo轎車防撞板輥壓生產線。圖8是該防撞板的有限元分析的成形工藝圖。由于該截面采用AHSS材料，其回彈大，而該截面又有空腔，為減少空彎影響，保證激光焊接及型腔的精確尺寸，采用了特殊的“擺動”成形工藝。

圖7 Polo車防撞板輥壓成形生產線

圖8 防撞板有限元分析的成形工藝

該生產線投產4年以來，由于Polo車產量劇增，設備基本上兩班至三班滿負荷地運轉。生產線穩(wěn)定可靠，模具精度高，耐磨性好，至今一直以穩(wěn)定的批產質量為Polo車配套。

4. 國內外柔性變截面輥壓技術的研究

傳統的輥式輥壓成形工藝可以生產大批量的不變截面的產品。隨著市場競爭的加劇，以及節(jié)能和環(huán)保的要求，需要產品的改變能適應更多的變化，即具有靈活可變的柔性。

對于汽車制造業(yè)來說，把最合理的材料用到最適合的地方是汽車設計和制造追求的目標。采用計算機技術的柔性輥壓成形（Flexible Rollforming）是輥壓成形新技術的發(fā)展方向。

市場對金屬板成形技術及設備的要求如下：

a.依據載荷確定產品截面幾何形狀，減輕結構質量。
b.使用高強度材料，減輕結構質量。
c.產品幾何形狀的多樣化和個性化。
d.縮短交貨期。
e.產品成本低。

而柔性輥壓成形具有的特點如下：

a.通過合理設計型材的幾何斷面，提高承載能力，減輕結構質量。
b.采用高強度材料，進一步減輕結構質量。
c.與沖壓和折彎工藝相比，大批量的生產成本更低。
d.與現有輥壓成形技術結合，可生產更復雜的產品。

由于上述原因，近年來國內外在柔性輥壓成形技術方面投入了大量的研發(fā)力量。歐盟投資1000萬歐元啟動的Proform項目，目標是研發(fā)下一代的汽車制造新技術，柔性輥壓成形新技術是其3個研究方向之一。美國、日本都分別在進行下一代汽車制造核心技術的研發(fā)，都很重視輥壓技術的應用。

德國data M公司以及PtU研究所是較早研究柔性輥壓成形的。主要目標是滿足汽車業(yè)對變截面產品的需求。輥壓成形變截面產品的例子見圖9。這樣的產品能更好地適應構件承受載荷的要求。

圖9 變截面輥壓成形的實例

在國內，北方工業(yè)大學率先研制了單軸（圖10）和多軸（圖11）變截面輥壓成形機，建成了高精度與變截面輥壓成形試驗機組，還配備有用于輥壓成形技術基礎理論研究的CCD等檢測設備。目前，該大學已經獲得變截面輥壓成形國家發(fā)明專利8項。

圖10 單軸變截面輥壓成形機

圖11 多軸變截面輥壓成形機

END

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