運用新工藝技術(shù)是輕量化的重要手段之一。本文簡述了側(cè)圍內(nèi)、外雙門環(huán)結(jié)構(gòu)在某車型上的成形工藝和具體應(yīng)用，并驗證了內(nèi)、外雙門環(huán)對整車強度的貢獻量。內(nèi)、外雙門環(huán)成形運用了熱成形激光拼焊技術(shù)，在生產(chǎn)開發(fā)中節(jié)約了模具設(shè)計及制造成本，而且實現(xiàn)了輕量化，門環(huán)減重超過了12%。

隨著消費者對于汽車在燃油經(jīng)濟性及車身安全性能方面的要求越來越高，汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計顯得更加重要，在保證足夠的剛度、強度的同時，又要滿足碰撞安全性能，而且不能增加車身重量。研究表明：汽車的燃油消耗與汽車的自身重量成正比，汽車輕量化在節(jié)能減排方面有著重要的作用。文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

汽車輕量化包含車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、選用輕量化材料、生產(chǎn)工藝優(yōu)化等。本文介紹了在車身結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝優(yōu)化中通過結(jié)構(gòu)少件化設(shè)計，即采用激光拼焊及熱成形技術(shù)可實現(xiàn)整車輕量化，使汽車具有更好的碰撞性能和更高的材料利用率。文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

門環(huán)設(shè)計與分析文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

環(huán)狀路徑車身(圖1)按位置可劃分為16 個環(huán)，涵蓋路徑連通性、截面連續(xù)性和抗彎抗扭變形能力三個方面，而從性能影響的角度可以分為4 大類，分別是耐久環(huán)、剛度環(huán)、吸能環(huán)、安全環(huán)。文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

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圖1 環(huán)狀路徑車身示意圖文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

第 一 類：耐 久 環(huán)， 如Front-Ring、Triangular Window-Ring 和Hood-Ring；文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

第二類：剛度環(huán)，如C-Ring、Damper-Ring、D-Ring和Front Windshied-Ring；文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

第三類：吸能環(huán)，如Front Energy-Ring、Rear Energy-Ring 和Shotgun-Ring；文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

第四類：安全環(huán)，如A-Ring、B-Ring、Front Floor-Ring、Fuel Tank-Ring、Front Door-Ring( 圖2)和Rear Door-Ring。文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/cailiaogyi202411438.html

圖2 Front Door-Ring

提高非薄弱處的剛度不會有效增加整體剛度，或者說適當(dāng)減少非薄弱處的剛度不會顯著降低結(jié)構(gòu)整體剛度。內(nèi)、外熱成形激光拼焊雙門環(huán)是通過少件化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將傳統(tǒng)點焊工藝中前門環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計為內(nèi)、外兩個整體零件，通過激光拼焊技術(shù)實現(xiàn)不同板厚的組合，同時，采用熱成形沖壓技術(shù)將內(nèi)、外雙門環(huán)一體沖壓成形，使得材料與環(huán)狀結(jié)構(gòu)的匹配發(fā)揮出最佳的性能狀態(tài)，實現(xiàn)了合適的材料使用在合適的地方，從而實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

材料選擇與不等厚設(shè)計

為實現(xiàn)車身的輕量化設(shè)計，本文提到的內(nèi)、外雙門環(huán)設(shè)計與傳統(tǒng)方案相比需滿足以下3 點要求：⑴完整的Front Door-Ring 截面路徑，提升了碰撞安全性能；⑵相比于傳統(tǒng)點焊的前門環(huán)結(jié)構(gòu)，重量降低了10%；⑶投資成本及單件成本都有所降低。

由于板料需要良好的熱成形性能，而且將板料用于成形門環(huán)需要較高的壓力，因此在材料選擇上采用22MnB5 熱成形鋼板。22MnB5 既可以提高防撞安全性，又可以實現(xiàn)白車身輕量化。22MnB5 超高強鋼板在軋制成形后，材料組織為均勻的鐵素體和珠光體，而經(jīng)過熱處理后變?yōu)榫鶆虻鸟R氏體組織，屈服強度可達1200MPa，抗拉強度可達1600MPa，為普通鋼板強度的3 ～4 倍，是最高強度級別的汽車用鋼板。

通過多次優(yōu)化驗算，如圖3 所示，內(nèi)門環(huán)板料分縫為四處，分別是上A 柱內(nèi)板22MnB5/1.2mm，下A柱內(nèi)板22MnB5/1.5mm，B 柱內(nèi)板22MnB5/1.2mm，門檻內(nèi)板22MnB5/1.5mm；外門環(huán)板料分縫為四處，分別是上A 柱加強板22MnB5/1.2mm，下A 柱加強板22MnB5/1.2mm，B 柱加強板22MnB5/1.4mm，門檻加強板22MnB5/1.2mm。

圖3 板料四處分縫

性能分析

通過進行25%偏置碰撞分析驗證，對比傳統(tǒng)沖壓焊接工藝結(jié)構(gòu)和熱成形內(nèi)、外雙門環(huán)兩種結(jié)構(gòu)方案，從圖4、圖5 中的安全分析結(jié)果對比可見，兩種Front Door-Ring 在碰撞時，采用熱成形內(nèi)、外雙門環(huán)的車身駕駛艙的侵入量相對較小，可以更好地保護駕乘人員的安全。

圖4 傳統(tǒng)側(cè)圍門環(huán)結(jié)構(gòu)及安全分析結(jié)果

圖5 內(nèi)、外雙門環(huán)結(jié)構(gòu)及安全分析結(jié)果

由表1 不難發(fā)現(xiàn)，內(nèi)、外雙門環(huán)結(jié)構(gòu)在前排成員座艙，包括A 柱下鉸鏈、A 柱上鉸鏈、踏腳板、左側(cè)足板、轉(zhuǎn)向管柱等位置的侵入量均有較大幅度下降。

表1 兩種結(jié)構(gòu)侵入量(單位：mm)

綜合來講，在上述碰撞分析中采用側(cè)圍內(nèi)、外雙門環(huán)的結(jié)構(gòu)對前排駕乘人員安全空間的保護都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，安全性能高于傳統(tǒng)側(cè)圍的Front Door-Ring 結(jié)構(gòu)。

工藝與成本、重量

門環(huán)工藝流程

一體式門環(huán)熱成形(圖6)是將硼鋼板加熱至890 ～950℃，并保持一定時間，使其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為奧氏體化狀態(tài)，然后進行高溫沖壓，并在模具內(nèi)保壓進行快速冷卻(＞27℃/s)，進行淬火硬化處理使其板件內(nèi)部晶體轉(zhuǎn)化為馬氏體，提升零部件的強度及硬度。其中，加熱過程直接影響到高強度鋼板的拉延成形性能，沖壓過程中的保壓冷卻速度對零件強度的硬化起到?jīng)Q定性的作用。

圖6 一體式門環(huán)工藝流程圖

熱成形門環(huán)的工藝過程特點

熱成形門環(huán)的原材料一般分為裸板和鍍層板兩種，裸板即熱成形板料表面沒有鍍層，因無需做表面處理，大部分廠家都可以生產(chǎn)。由于裸板成形后需進行拋丸、涂裝防腐處理等工藝，其后處理方式會對零件的精度造成一定影響，故生產(chǎn)驗證階段需充分驗證調(diào)試。雖然鍍層熱成形材料有很好的防腐性能，但其受專利保護的同時成本較裸板高，因此當(dāng)前國內(nèi)主要推薦采用的是無鍍層的裸板材料。然而，由于裸板板料表面無鍍層，裸板板料沖壓過程中容易發(fā)生粘模，影響生產(chǎn)效率。

熱成形件其孔位、料邊等均采用激光加工，所以要充分評估激光生產(chǎn)資源，滿足生產(chǎn)節(jié)拍。拋丸清理是為了去除表面氧化皮等雜質(zhì)，更改其顯微組織結(jié)構(gòu)，同時，拋丸可以消除零件內(nèi)的殘余應(yīng)力，改變零部件的表面粗糙度，從而提高零件的疲勞斷裂抗力。

成本和重量分析

采用內(nèi)、外雙門環(huán)熱成形激光拼焊工藝，其工藝過程是在沖壓前將厚度不同的板料通過激光焊接連接在一起，相比于傳統(tǒng)點焊結(jié)構(gòu)減少了焊接搭接邊的零件尺寸，大大提升了材料利用率，降低了零件成本、重量及開發(fā)固投費用。

從表2 可以看出，熱成形雙門環(huán)的單車成本相對傳統(tǒng)分件結(jié)構(gòu)單車成本節(jié)省約100 元，單車減重5kg，開發(fā)固投費用可減少約650 萬元，材料利用率提高15%左右，總成的焊接工時可節(jié)約140s，相當(dāng)于減少操作工人10 名，節(jié)省人工費用約200 萬元。

表2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和門環(huán)結(jié)構(gòu)差異說明

注：A、B、C 為傳統(tǒng)門環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)值。

結(jié)束語

綜合考慮到工藝、成本和性能等因素，內(nèi)、外雙門環(huán)熱成形在性能方面保證了車身的強度和剛度，滿足了碰撞安全性能的要求。同時，在工藝方面一體式門環(huán)運用了熱成形和激光拼焊技術(shù)，減少了門環(huán)結(jié)構(gòu)的零部件數(shù)量，提升了零部件質(zhì)量，同等強度下降低了板料的厚度，進而實現(xiàn)了車身輕量化、少件化。在成本方面，該技術(shù)的應(yīng)用降低了設(shè)計與生產(chǎn)工裝投入及制造成本。

文章來源：《鍛造與沖壓》雜志2024年第2期趙靜遠(yuǎn)，呂進，朱木火，陳鵬·奇瑞商用車(安徽)有限公司