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自2014 年本田謳歌MDX首次采用熱成形門環(huán)，其后2016年克萊斯勒Pacifica再次采用相同技術(shù)開始［1］，熱成形門環(huán)技術(shù)越來越受到關(guān)注。目前，國內(nèi)多家汽車制造商也已開始研究設(shè)計并量產(chǎn)熱成形門環(huán)，推動該技術(shù)快速發(fā)展的主要原因如下：（1）車身輕量化需求。熱成形門環(huán)能夠降低整車重量，實現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。這不僅可以提升燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛操作性及加速性能，還能夠減小制動距離、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)需求和輪胎滾動阻力，

降低碰撞時車輛結(jié)構(gòu)能量；（2）車身結(jié)構(gòu)安全要求。因25%小偏置碰撞法規(guī)、可變形移動避障側(cè)面碰撞試驗和新能源汽車試驗項目側(cè)面柱碰試驗等的實施［2］，傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)在不斷升級的安全法規(guī)要求下存在不足。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計，使整車更加穩(wěn)定堅固。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效地分散碰撞能量，可以承受更高的碰撞沖擊力，減少車身變形量和鈑金開裂風(fēng)險，保護(hù)乘員安全；（3）熱成形技術(shù)的進(jìn)步。隨著TWB拼焊不等厚板、TRB柔性軋制板、TTP軟區(qū)工藝和PB補(bǔ)丁板等技術(shù)在車身上的應(yīng)用［3］，融合了這些新技術(shù)的一體式熱成形激光拼焊門環(huán)得到了進(jìn)一步發(fā)展。門環(huán)技術(shù)的應(yīng)用不僅提高汽車制造效率和整車質(zhì)量穩(wěn)定性，也可以降低生產(chǎn)成本。綜上所述，一體式熱成形門環(huán)的應(yīng)用在近年的整車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中尤其重要。本文基于某三廂轎車的前門環(huán)設(shè)計方案，研究一體式熱成形激光拼焊門環(huán)優(yōu)化方案，為后續(xù)新車型開發(fā)設(shè)計提供參考。

1.2 熱成形沖壓成形技術(shù)

熱成形沖壓成形技術(shù)是一種利用熱作用對金屬材料進(jìn)行塑性變形的方法。它結(jié)合了熱處理和沖壓成形的特點，通過加熱金屬材料使其達(dá)到可塑性狀態(tài)，然后通過沖壓工藝對其進(jìn)行成形。具體工藝是，將板料放入加熱爐中加熱到 900 ℃左右，使其完全奧氏體化，然后通過機(jī)械手放到帶有冷卻水道的沖壓模具上進(jìn)行快速沖壓成形，成形后保壓、冷卻淬火成馬氏體鋼。

熱成形沖壓成形技術(shù)具有以下優(yōu)點：（1）熱成形技術(shù)解決了超高強(qiáng)度成形問題，與高強(qiáng)度鋼的冷沖壓相比，不易出現(xiàn)起皺和開裂問題；（2）熱成形之后，制件的回彈小，零件尺寸精度高，減少模具調(diào)試整改周期；（3）變成馬氏體后，材料的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 600 MPa左右，顯著地提升車身的剛度和強(qiáng)度；（4）超高強(qiáng)度鋼的使用，在保證車身安全性能的前提下，可以降低鈑金厚度，從而降低零件重量，實現(xiàn)整車輕量化目標(biāo)。近年來，隨著熱成形沖壓成形技術(shù)的成熟，越來越多地被應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)件中，如A柱、B柱及鉸鏈柱內(nèi)外板、雪撬板、門檻內(nèi)外板和前后縱梁等。

1.3  一體式熱成形激光拼焊門環(huán)的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的門環(huán)制造過程中，通常需要將多個鈑金零件通過點焊組合成完整的門環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣會導(dǎo)致板材利用率低下，造成材料的浪費，增加材料成本。一體式門環(huán)解決了傳統(tǒng)門環(huán)制造過程中多處重疊點焊導(dǎo)致的板材利用率較低和多層板焊接工藝問題。一體式門環(huán)主要技術(shù)路線有兩種：一種是等料厚一體熱成形，該技術(shù)減重效果較差，材料利用率低，性能變化不靈活；另一種是不等料厚激光拼焊熱成形，即一體式熱成形激光拼焊門環(huán)。它將激光拼焊技術(shù)和熱成形沖壓技術(shù)有效結(jié)合，實現(xiàn)車身安全性能、整車輕量化和生產(chǎn)制造之間的巧妙平衡，提高材料利用率，減少材料的浪費。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)主要工藝流程包括：落料、激光拼焊、熱沖壓成形和激光切割，如圖2所示。

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設(shè)計方案優(yōu)化

成本較高是影響一體式熱成形激光拼焊門環(huán)被廣泛應(yīng)用的主要原因之一。平衡成本和性能是各大整車企業(yè)研究熱成形門環(huán)的主要研究方向。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)單件成本由落料沖次費、材料成本、激光拼焊費、沖壓費、激光切割費和管理費組成，各成本要素占比如圖3所示，其中激光拼焊費占比高達(dá)23%。一體式熱成形激光拼焊門環(huán)相比于傳統(tǒng)工藝和等料厚一體熱成形門環(huán)，主要差異點是增加了激光拼焊工藝。所以，合理設(shè)計焊縫數(shù)量、優(yōu)化焊縫位置可以有效地提高材料利用率、降低激光拼焊費用。

圖2  熱成型門環(huán)工藝流程

圖3  一體式熱成形激光拼焊門環(huán)各成本要素占比

該三廂轎車的前門環(huán)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是傳統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，分成6個部分（見圖4），各部分具體結(jié)構(gòu)信息如表1所示。本文依托此base方案將前門環(huán)設(shè)計成一體式熱成形激光拼焊門環(huán)結(jié)構(gòu)，同時綜合考慮門環(huán)性能、減重和成本，對分片數(shù)量、分片位置等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖4 現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

表1 各區(qū)域結(jié)構(gòu)信息

2.1 分片數(shù)量優(yōu)化

本文分別設(shè)計出3道焊縫、4道焊縫和5道焊縫的方案進(jìn)行分析對比，如圖5所示。不同分片數(shù)量方案的零件重量和成本對比如表2所示。與原始方案對比，3道焊縫設(shè)計方案在單片成本方面表現(xiàn)最優(yōu)，但該方案存在材料利用率低、減重效果欠佳且后期性能調(diào)整料厚不靈活等缺點。5道焊縫便于落料排樣設(shè)計，材料利用率最高，但該方案焊縫長度長，使單片成本大幅增大。4 道焊縫減重效果最佳，材料利用率與原始方案相比僅有小幅增加。綜合考慮減重、成本和性能調(diào)整靈活度3個方面，4道焊縫方案為此前門環(huán)的分片數(shù)量最優(yōu)解。

圖5 不同分片數(shù)量的門環(huán)方案對比

2.2 分片位置優(yōu)化

確定分片數(shù)量之后，需繼續(xù)對分片位置進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化。焊縫需要避開材料流動劇烈的地方，

保證焊縫距離R角50 mm以上，避免出現(xiàn)影響激光拼焊質(zhì)量和成形性問題。同時，通過優(yōu)化焊縫位置來進(jìn)一步減少激光焊縫長度，降低激光拼焊費用，從而有效節(jié)約門環(huán)單片成本。

表2 不同分片數(shù)量的門環(huán)方案成本對比

拼焊質(zhì)量和成形性問題。同時，通過優(yōu)化焊縫位置來進(jìn)一步減少激光焊縫長度，降低激光拼焊費用，從而有效節(jié)約門環(huán)單片成本。本文在上訴4道焊縫設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計 了3種優(yōu)化分片位置方案，如圖6所示。3種優(yōu)化方案與原始方案的零件重量和成本對比，如表3所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案3的減重效果最好，焊縫長度最短，單片成本和模具成本相對最低。因此，本文最后選擇優(yōu)化方案3作為該車前門環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，將A柱加強(qiáng)板、鉸鏈柱加強(qiáng)板、門檻加強(qiáng)板及B柱加強(qiáng)板等部分通過激光拼焊的方式組合成一個整體，然后進(jìn)行熱成形和激光切割得到所需零件。門環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，再經(jīng)模擬CAE碰撞性能試驗 ，進(jìn)一步驗證其結(jié)構(gòu)的合理性。

圖6 不同分片位置的門環(huán)優(yōu)化方案對比

2.3 成形分析優(yōu)化

一體式門環(huán)相比于原傳統(tǒng)的單件熱成形，體積較大、型面更復(fù)雜，一次成形后，成形性會有變化，容易在鉸鏈柱前端上部和下部的尖角處等區(qū)域出現(xiàn)鈑金開裂、過度減薄和局部起皺疊料等成形性問題。雖然采用熱成形工藝，成形性會比高強(qiáng)度鈑金的冷沖壓好，但在個別位置仍然需要調(diào)整，產(chǎn)品數(shù)模設(shè)計時要避免尖角、負(fù)角、小圓角等不利于成形的特征。圖7顯示了幾處一體式門環(huán)容易出現(xiàn)鈑金開裂、過度減薄和起皺疊料的位置。

圖7 成形性問題

為應(yīng)對以上典型的開裂和起皺問題，需要有針對性地局部優(yōu)化。圖8給出了部分更改建議和解決方案。數(shù)模優(yōu)化后該門環(huán)成形狀態(tài)如圖9所示，可以看出成形問題有明顯改善。

表3  3種優(yōu)化方案與原始方案的零件質(zhì)量和成本對比

圖8 成形性問題解決方案

圖9 優(yōu)化后成形狀態(tài)

分析以上幾處更改點，可以發(fā)現(xiàn)，這幾處更改點都是比較關(guān)鍵的地方，后期更改起來會比較困難。因此需要在前期設(shè)計階段識別出來，進(jìn)行設(shè)計保護(hù)。同時，通過在特殊區(qū)域設(shè)置上壓料和下托料來控制板料在成形過程中的材料流動，設(shè)計不同的行程保證板料的穩(wěn)定性和可控性。

03

優(yōu)化結(jié)果對比

3.1 成本對比分析

經(jīng)過成本對比，優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)單片成本略高于傳統(tǒng)工藝方案門環(huán)，整車成本增加約28元（單車2片），如表4所示。此外，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)的模具成本可與傳統(tǒng)工藝方案模具成本幾乎持平。

表4 兩種方案成本對比

3.2 重量對比分析

經(jīng)過重量對比，優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)較傳統(tǒng)工藝方案門環(huán)單側(cè)減重2.82kg，如表5所示，整車減重5. 64 kg，減重超18. 6%。優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)明顯具有更優(yōu)的減重優(yōu)勢，更容易達(dá)到輕量化目標(biāo)。

表5 兩種方案重量對比

3.3 性能對比分析

對傳統(tǒng)工藝門環(huán)和優(yōu)化后一體式熱成形激光拼焊門環(huán)分別進(jìn)行SOF碰撞模擬分析，碰撞結(jié)果如圖10及表6所示。從對比圖和表中數(shù)據(jù)可以看出，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)相比于傳統(tǒng)工藝門環(huán)，大部分區(qū)域的鈑金變形和侵入量都更小。A柱上鉸鏈位置的侵入量下降15.6mm，上儀表板位置的侵入量下降32.8mm，優(yōu)化后滿足碰撞性能目標(biāo)值。

圖10 SOF碰撞結(jié)果對比圖

表6 SOF碰撞結(jié)果侵入量/mm

經(jīng)過SOF碰撞模擬分析對比，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)對駕駛艙的侵入量更小，特別是對于車體上部的侵入量的優(yōu)化尤為顯著，表現(xiàn)出更優(yōu)異的安全性能。 

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結(jié)語

本文針對某三廂轎車的側(cè)圍前門環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行研究，介紹了結(jié)合激光拼焊技術(shù)和熱成形沖壓技術(shù)的一體式熱成形激光拼焊門環(huán)技術(shù)。綜合考慮成本、重量及性能要求，提出了幾種不同分片設(shè)計的門環(huán)結(jié)構(gòu)方案，并針對成形性進(jìn)行數(shù)模設(shè)計優(yōu)化。圍繞成本、重量和性能三方面的對比分析，最終確定前門環(huán)的結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)一步提升一體式熱成形激光拼焊門環(huán)在成本、輕量化和安全性能方面上的優(yōu)勢。最后，研究結(jié)果不僅解決了該項目的門環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，也為后續(xù)車型的前門環(huán)提供了設(shè)計參考。

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文章來源：

沈怡，張藝馨 （泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208） 發(fā)表于《上海汽車》