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doc.docx
- 文档编号:4455035
- 上传时间:2022-12-01
- 格式:DOCX
- 页数:5
- 大小:19.59KB
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doc.docx
《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doc.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《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doc.docx(5页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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doc
际受力和变形的大小,预先为某车身部件定制一块理想的拼接板料,从而达到节省材料、减轻重量且提高车身零部件性能的目的。
由于TWB可以根据需要任意进行拼接,因而具有极大的灵活性,并且能按照等强度的概念优化设计一些原来是等厚度的车身零部件,并进而把它们由原来的锻造加工转换为冲压加工,既提高加工效率,又节省加工能源。
但是,TWB也有它的不足之处,一是在板料的拼接处存在着板料厚度的突然变化,这给冲压模具的设计、制造带来新的难题;二是在拼接焊缝及其附近区域有比较明显的加工硬化现象,使在后续的冲压过程中容易产生裂纹,造成隐患,往往不得不增加一道热处理工艺来消除这种硬化效应。
2.2TRB的柔性轧制工艺
TRB是通过一种新的轧制工艺——柔性轧制技术而获得的连续变截面薄板。
即在钢板轧制过程中,可以通过计算机实时控制和调整轧辊的间距,以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材,参见图1。
这样的变截面薄板经加工后制成的汽车零部件将具备更好的承载能力,且明显的减轻了重量。
图1TRB柔性轧制工艺
Fig.1TRBflexiblerollingtcchnology
柔性轧制技术是TRB的核心。
其实质类似于传统轧制加工方法中的纵轧工艺,但其最大不同之处是在轧制过程中,轧辊的间距可以实时地调整变化,从而使轧制出的薄板在沿着轧制方向上具有预先定制的变截面形状。
在柔性轧制过程中,可以通过计算机对轧机的实时控制来自动和连续地调整轧辊的间距,从而实现由等厚度板卷到TRB板卷的轧制。
这还要求在设计车身时必须预先考虑到后续成形加工中钢板各个部位的实际受力和变形以及整个车身的承载情况,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的加工和应用方面的研究还不是十分成熟,还有不少深层次的理论问题和技术问题有待研究。
比较突出的重点有以下几个方面:
1)车身覆盖件冲压模具的设计用普通等厚度板材冲压成型的车身覆盖件模具的设计已经是相当复杂的工作,更何况变截面薄板的冲压成形的模具设计。
因为对于变截面薄板来说,原来基于等厚度板材所建立的力学本征模型、数值仿真模型及三维几何模型都不再完全适用了。
需要花大力气重建这些模型和设计覆盖件模具。
但可以借鉴学术界和工业界已经在车身模具设计、制造方面积累了大量的知识和经验,从中再挖掘其不同之处定能找到新的出路。
2)变截面薄板冲压过程中的变形学术界和工业界通过有限元分析及数值模拟等手段已经基本上摸索出等厚度薄板冲压成形和材料流动的规律,并成功应用于生产实践。
变截面薄板的引入使车身覆盖件的冲压成形过程变得更为复杂,在同样的压边力和拉伸力下,板料各个部位的变形都不均匀,成形过程控制更难;必须建立新的数学模型,开展以高性能计算机为基础的三维数值模拟来营造“虚拟现实(VirtualReal)”环境,以预测变截面薄板在冲压过程中的变形和材料流动情况,从而找出相应的对策。
3)板料回弹对于等厚度薄板冲压卸载后工件回弹量的精确补偿,与材料本身的物理非线性、力学上的边界非线性和模具型腔的几何非线性等密切相关,工程上往往是结合现场实验来获取一些数据,再进行工程分析,即确定材料的弹塑性本构关系、各种应力应变曲线及材料的各相异性等参数,以有限元仿真、数值模拟的手段来进行预测,修改原覆盖件三维设计模型,最终获得一个与所要求的工件模型不同的模具型腔模型,以解决回弹量的补偿。
而对于TRB来说,由于其本身结构的特殊性,即沿轧制方向连续变化的截面形状及由此引出的材料机械性能的非均一化,将会使工件回弹问题变得更为复杂。
显然,要真正使TRB获得大规模工业应用,必须对TRB的回弹问题进行深入的研究,以冀掌握TRB回弹的机制、比较精确地控制和补偿回弹量,最终获得令人满意的TRB材料车身零部件。
在这一方面,以德国亚琛工业大学金属成型研究所(IBFofAachenUniversity)ReinerKopp为首的研究队伍与工业界密切合作,已经开始了一些探索性的研究工作,并取得初步的成果;我国上海交通大学模具技术研究所也在开展类似的研究[4、5]。
4结论
1)汽车轻量化对于汽车工业的进一步发展具有十分重要的意义。
2)在汽车车身制造中采用变截面薄板以减轻车身自重,并提高车身抗振性能和承载性能,是汽车轻量化的重要途径之一。
3)应当进一步地在车身设计中深入开展变截面薄板(TRB、TWB)的应用、柔性轧制工艺以及相应的冲压模具设计、探索变截面薄板在冲压过程中的变形规律及工件回弹机理、回弹量控制、补偿等方面的研究,以扩大变截面薄板在汽车白车身制造中的应用空间。
参考文献
1M.Geiger,Manufacturingscience-DrivingForceforInnovation,Proceedingsofthe7thICTP,Vol.1,Oct.28~31,2002,Yokohama,Japan,p.17~30
2黄良驹、杨慎华、寇淑清等,汽车变截面板簧精密辊锻工艺及自动化装置,锻压机械2001.6,p.30~35
3刘建华、胡伦骥、熊建钢等,汽车用薄钢板的激光拼焊,中国机械工程,1996.4.p.95~97
4R.Kopp,P.Boehlke,Ch.Wieedner,A.Erbert,WeiterverarbeitungvonTailorRolledBlanksAkutuelleForschungamIBF,16.AachenerStahlkolloquiumUmformtechnik,2001
5包向军.变截面薄板弯曲成形回弹的试验研究和数值模拟,上海交通大学博士论文,2003.6
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 汽车 车身 制造 工艺学 论文 截面 薄板 中的 应用 研究 doc
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)