汽车轻量化中辊压成形的关键技术

汽车的白车身减重是轻量化的重要内容。

辊压件是白车身的重要构件。

本文介绍了汽车中辊压成形的应用及关键技术，特别是高强钢的辊压成形中的回弹、变形能以及扭曲、侧弯、边波等缺陷的预防和解决办法。

开发了多代保险杠、防撞杆、门槛等辊压件产品。

对于辊压成形国内外先进技术的发展作了介绍。

汽车轻量化中的辊压件
为减少能源消耗和环境污染，汽车轻量化成为世界各国汽车制造的新趋势。

白车身作为汽车的重要部件，占到总车重量的40%左右，因此白车身的减重优化成为轻量化设计的重要内容。

目前国际上新车型白车身开发设计，广泛采用先进高强度钢板，其中有相当部分的构件，诸如前后保险杠、门梁、框轨、车顶弓型架、车身的B柱及底盘等构件，都是由辊压成形制造方式完成的。

辊压成形工艺广泛应用于汽车部件的制造，汽车上很多部件是由辊压工艺生产的（图1）。

辊压成形工艺与传统冲压相比，具有高效、节材、环保、成本低等突出优点，成为汽车部件制造工艺方法之一。

据统计采用辊压工艺制造的汽车部件，大约为车重的10%左右。

图1 辊压工艺生产的汽车零件
辊压成形是通过顺序配置的多道次成形轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行弯曲，以制成特定断面的型材。

辊压成形与其他板金属成形的工艺相比，具有以下优点：⑴生产效率高，适合于大批量生产，和冲压、折弯工艺相比提高效率10倍以上，制造成本大幅降低。

⑵加工产品的长度基本不受限制，可以连续生产。

⑶产品的表面质量好，尺寸精度高。

⑷在辊压成形生产线上可以集成其他的加工工艺，如冲孔、焊接、压花等。

⑸与热轧和冲压工艺相比能够节约材料15%～30%。

⑹生产噪声低，无环境污染。

辊压成形工艺加工出来的型材其断面结构合理、品种规格繁多、几何尺寸精确，体现了现代社会对材料轻型化、合理化、功能化的使用要求。

辊压成形是一种高效节能的工艺技术，符合“发展循环经济，创建节约社会”的政策要求。

辊压成形采用先进的高效生产工艺，使成形截面达到最好的力学性能。

高强钢辊压成形的关键技术
先进高强度钢AHSS（Advanced High Strength Steel）具有优良的材料性能。

由于迎合了超轻钢车身先进车辆概念ULSAB-AVC（The Ultralight Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concepts）的安全、节能、经济的先进理念，AHSS在汽车工业轻量化中得到了日益广泛的应用。

AHSS的出现，对于辊压成形的理论与应用提出了新的课题。

与普通的碳钢相比，AHSS由其微结构所决定的高的屈服强度和低的延伸率，在辊压成形过程中将产生更高的辊荷载和更易产生缺陷与回弹。

近几年，结合有限元
分析与智能优化方法，针对辊压成形复杂过程的设计参数完成更具稳定和高效的辊压成形工艺与装备的优化，取得了理想的效果。

AHSS的回弹特性研究及其回弹计算方法
相对于普碳钢，AHSS的回弹大且回弹随着屈服应变的变化而变化。

工程上用于计算板带回弹的BISWAS计算公式计算的普碳钢准确度较高，但用于AHSS产生很大的误差，造成这种误差的原因是原公式是在研究传统材料时提出的，BISWAS公式计算AHSS回弹时有较大偏差。

我们提出了一种对屈服应力S进行修正，应用于BISWAS公式，计算AHSS辊压回弹的方法。

随成形角度增大，板料塑性应变增加，辊压成形初始屈服应力也增加。

考虑采用随弯曲角增加而增大的屈服应力代入BISWAS公式计算AHSS回弹，计算结果准确地反映了各个机架中的回弹变量。

AHSS的变形能
AHSS的屈服强度和抗拉强度远大于普碳钢，对于辊压成形来说，设备参数需要适当地变化以适应AHSS板的成形。

通过对AHSS的变形能进行计算，为准确选择设备参数以及驱动功率提供了依据。

在每个道次的不变形区，提取板材的总变形能数据，将两种材料仿真结果的变形能进行对比，分析DP800所需总变形能相对于Q235所需总变形能的增量百分比。

在典型的辊压成形90°弯曲情况下变形能比较可知变形能增量百分比的均值为46%。

对于同样的产品截型，辊压平均成形角度在13°的情况下，800DP比Q235回弹角平均增大3.5°，变形能平均增大53.6%。

我们参考上述数据确定了成形机的基本参数和动力参数，考虑AHSS 的回弹特性，做出了工艺设计，多条AHSS的生产线都一次调试成功。

AHSS的成形缺陷及预防措施
辊压成形过程是一个十分复杂的过程，如果设计不合理，会出现边浪、纵向弯曲、裂纹及扭曲等变形缺陷，这些问题往往在生产调试过程中才能发现。

非对称断面的辊压件纵向弯曲、侧弯、扭曲等变形缺陷必然发生；边波、裂纹等缺陷也比较常见。

辊压的边波（边浪）主要是由于纵向延伸超过材料的弹性极限造成的。

越薄的板辊压时越容易产生边波。

为降低制件的重量，辊压件的钢板厚度都会明显降低，辊压工艺的难度增大很多；另一个关键问题是边缘部分是最重要的安装基准，是形位公差要求最严的位置；因此解决辊压件的边波是超高强度钢辊压的关键技术之一。

纵向弯曲发生在XY平面内（即辊压时的铅垂面内），是因为位于边腿部分和腹板部分的纵向薄膜应变的不平衡而产生的。

上立边腿部分的纵向薄膜应变为拉伸而腹板部分为压缩。

腹板部分的压缩是由上立边腿部分在弯曲时的伸长造成的。

这是辊压工艺的特点决定的，适当利用下山法可以缓解纵向弯曲，但不能彻底根除。

纵向弯曲的消除采用出口部位的矫直机矫正。

在辊压成形机的出口处安放矫直装置对从最末端轧辊出来的产品向下施加压力。

对产品截面施加弯矩，从而去除纵向弯曲。

侧向弯曲发生在XZ平面内（即辊压时的水平面内）。

辊压件的侧弯取决于其非对称性，非对称率越大的断面材料侧弯变形也就越严重。

侧弯的消除可以采用矫直辊让料型产生相反方向的侧弯，使较短的内侧弧线长度延伸，使得两侧的弧线长度相等，从而达到消除侧弯的目的。

侧弯消除的另一个方法是在最末道次对轧辊垫片调整，实现轧辊沿轴线方向的移动。

采用这种方法，需要注意是否会影响截面的宽度尺寸。

图2 北方工业大学机电工程研究所开发的部分辊压部件图扭曲是截面绕X轴的旋转，发生在成形长度方向。

辊压件的扭曲与断面材料的非对称性有关。

计算的截面主惯性矩与轴的倾斜角度和断面的非对称率之间具有相关性。

辊压时边腿较高的一侧比较低的一侧需要更大的弯曲力矩。

正是这一点使断面全体向上述的方向发生了扭曲。

扭曲的去除方法是在辊压成形机的出口处安放矫直装置，对从最末端轧辊出来的产品施加反向旋转力。

对产品截面施加逆时针转矩，从而去除扭曲。

侧弯、扭曲、弯曲等缺陷兼具的非对称断面材料想要矫正成为笔直的产品，通常先去除侧弯，然后再去除扭曲和弯曲。

这种轧辊调整看似简单，
实则不易。

那是因为，去除侧弯变形后，接下来再进行去除扭曲的调整时，已消除的侧弯会再度出现，“按下葫芦浮起瓢”的状态会继续下去。

总而言之，除了踏踏实实地消除变形，别无他法。

高强钢辊压件新产品开发及工程实例
辊压成形的关键技术是成形模具的工艺设计和专用装备的制造技术。

工艺技术是辊压成形生产线的基础。

只有对工艺规律的深入把握和准确认知，才能设计制造出性能好、精度好、经济性好的生产线。

北方工业大学机电工程研究所十多年来集中力量专注进行辊压成形核心技术的研究与开发。

与国内汽车部件制造企业有着广泛的合作，帮助企业在辊压成形实际工程中解决了许多关键技术问题，并为企业创造了巨大经济效益。

北方工业大学机电工程研究所的辊压成形研究成果已为国内外提供了55条生产线（其中28条生产线用于汽车产业），开发了210种高难度或有特色产品（大部分为汽车部件）。

为汽车部件制造行业企业提供辊压成形CAD/CAE/CAM 技术。

图2所示是北方工业大学机电工程研究所开发的部分辊压汽车部件图。

为将科研成果转化为生产力，依托北方工业大学机电工程研究所创办了科技型企业——北京博瑞孚曼机械科技有限公司(BRFM)。

近年来，公司与很多国内大中型企业合作完成了多项高强钢汽车用辊压件产品的开发，同时也做铁路车辆的南车四方车辆厂、长春长客金豆公司委托的高铁车辆冷弯部件的开发工作，并为国内汽车行业、高铁、轨道交通冷弯企业提供了技术支持，提供了冷弯成形的技术软件COPRA RF及培训，为宝钢、宁波
敏孚、大连三高、大连富地等大中型企业提供了COPRA FEA RF的技术服务与支持。

AHSS在汽车保险杠辊压生产中的应用
在理论研究的基础上，将研究成果应用于多个AHSS汽车保险杠产品上，成功地实现了强度高达1200MPa的AHSS板的成形。

高强度钢辊压保险杠比冲压保险杠有更轻的重量。

图3是冲压的保险杠。

在相同的抗冲击能量下，对比数据如下：
⑴冲压保险杠。

材料牌号DOCOL 500DP，抗拉强度500MPa，T=1.8mm，重量13kg。

⑵辊压保险杠。

材料牌号DOCOL 1000DP，抗拉强度1000MPa，T=1.0mm，重量6.5kg。

⑶辊压成形后，在线弯圆以及弧形型材的切断都是重要的工艺技术。

开口保险杠和闭口保险杠的辊压产品如图4、图5所示。

图3 冲压的保险杠
图4 开口保险杠辊压产品
图5 B型保险杠辊压成形产品
BRFM研制的3代保险杠辊压生产线，能够生产材料抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥950MPa的W型、C型、B型、D型等多种规格的超高强度钢保险杠，产品通过美国通用、德国大众、法国雪铁龙分别在各国本土的检测，性能达到了国际同类产品的先进水平。

产品主要供应上海通用、一汽大众、东风标志、长安福特等，为实现汽车安全、节能和轻量化提供了关键部件。

AHSS在汽车侧向防撞板辊压生产中的应用
防撞板是为实现汽车在受到侧向撞击后能维持驾驶室内部空间，减少变形的零件。

该零件是由双相高强度热镀锌钢板经辊压成形后激光在线焊接而成，装置在左右前车门。

POLO车防撞板产品要求材料经辊压成形后进行激光焊接，截面公差为±0.1mm，接缝要求紧贴，接缝点直线度≤0.2mm。

POLO车防撞板采用材料为双相高强度热镀锌钢带，材料厚度为1.5mm。

材料牌号为Dogal 800DP Z100MB，抗拉强度为800～950MPa，屈服强度为500～640MPa，延伸率≥12%。

双面镀锌，锌层厚度为7μm(单面），14μm(双面）。

图6所示是POLO轿车防撞板辊压生产线。

图7所示是该防撞板的有限元分析的成形工艺图。

由于该零件采用AHSS材料，回弹大，而截面又有空腔，为减少空弯影响，保证激光焊接及型腔的精确尺寸，采用了特殊的“摆动”成形工艺。

图6 POLO车防撞板成形生产线
图7 防撞板的有限元分析的成形工艺图
AHSS在汽车门槛件辊压生产中的应用
研究了马氏体超高强钢的辊压特性，结合实际汽车门槛部件进行了理论研究和产品开发，在不降低零件性能的基础上，材料厚度由2.0mm降为1.4mm，重量减轻35%。

成功地实现了门槛件的辊压制造。

辊压工艺可以实现比冲压等其他工艺更小的弯曲半径，而材料不发生开裂。

我们设计了门槛加强件辊压成形辊花图，并建立了应用马氏体超高强钢辊压成形有限元分析模型分析边波的产生机理，并结合有限元分析优化和解决了边波缺陷。

对于先进高强钢辊压回弹、回弹计算与控制是关键技术。

利用经验公式获得了初始回弹补偿值，并结合实际试验进行修正，获得了良好的回弹补偿。

给出了弯曲、扭转、切断端口变形、预冲孔畸变的解决方案。

开展了辊压成形工艺试验，制造了满足尺寸精度要求的超高强钢辊压成形典型零件样件。

国内外先进辊压技术介绍
冷弯行业面临着企业技术升级和产品转型的普遍要求。

为适应这一情况BRFM和国内外企业合作，开发了如下新技术并应用于实际产品。

柔性辊型系统设计关键技术
很多冷弯产品形状以U形为基础形状，这类产品包括各种规格的方矩形管。

类似产品规格众多，占很大比例。

除了采用不同的材料强度外，还
要满足不同板厚、不同边腿高度、不同腹板宽度的要求。

如果按照常规的辊压模具设计方法，需要每变换一个尺寸规格就需要一套对应的模具。

这不但造成模具费用的大量投入，而且每更换一个产品规格就需要进行一次模具的更换。

对于采用常规方法设计的辊压装置，其模具投入是设备投入的数倍，而且规格种类越多，模具的成本就越高。

克服常规辊压模具设计的局限性，寻求一套柔性的辊型系统，能用一套轧辊实现各种不同板厚、不同规格参数的纵梁产品的生产，成为本行业需要突破的关键技术。

BRFM通过研究汽车纵梁辊压成形工艺，并进行工艺研究和数据分析，掌握柔性辊型系统的关键设计技术，为构建柔性辊型的数据库提供了技术支持，也为伺服控制系统提供了控制参数。

我们提出了一种以外直线轮廓为固定交汇点的能满足辊型完全共用且高精度、便于伺服调整的柔性辊型系统的设计方法。

这一方法的主要技术特点如下：
⑴采用“弯角两侧的直线交汇于一个固定的点”成形方法，解决了一套辊型模具能实现各种纵梁以及方矩形管直接成形产品的精确成形问题，极大地降低了模具成本以及今后生产中因为产品变换时模具更换与调整的时间和成本。

⑵总结了柔性辊型系统在板厚变化时的规律，得出了几何关系，为达到以后实现伺服精确调整要求的数据库奠定了基础。

⑶采用FEA技术，得出了纵梁以及方矩形管直接成形的力能参数以及设计机组最重要的轴径、刚度、计算功率等参数，为机组设计提供了科学计算的依据。

TRB板焊管的关键技术
随着汽车轻量化技术的不断发展和应用，轧制工艺生产的变厚度薄板TRB（Tailor Rolled Blanks）作为一种节材环保的新工艺材料，由于具有更好的减重性能而得到了汽车工业的实际应用。

辊压成形作为一种先进的成形技术，具有生产效率高、成本低的优点，但传统的辊压技术只能用于等厚等宽板的成形。

如果能将其用于TRB管的生产，是核心技术的创新和突破，目前国内外尚无先例。

由于TRB的厚度变化以及由此引起材料机械性能的非均一性，采用辊压工艺成形TRB材料具有以下难点：材料厚度和宽度不断变化，成形力和回弹量也随之变化，成形和焊接稳定性难以保证。

完成了汽车用高精度TRB管的辊压成形工艺研究与试验工作。

项目针对TRB材料特点和圆管的辊压成形特点，通过仿真分析，设计并优化了TRB 管的辊压成形工艺；开发制造了辊压成形模具并完成了模具的调试；解决了辊缝调整问题，制定了边波缺陷解决方案。

为实现TRB管的辊压批量生产提供了关键的技术支撑。

高精度截面型材的检测技术
为实现辊压（冷弯）产品截型的检测，德国data M公司推出了COPRA 桌上型截面扫描仪（图8）。

COPRA桌上型截面扫描仪通过传感器和旋转
台实现型材截面和样件的无接触测量，将全部可见的截型图形化。

测量系统具有很高的精度和最大的灵活性。

以往的检测需要在测量环上围绕型材布置很多传感器。

COPRA截面扫描仪现在采用单激光传感器原理。

图8 COPRA桌上型截面扫描仪
采用360°的专利测量方法，只需在被测截型上简单地做一个基准标记，旋转台面即可以实现。

集成的软件实现了截型轮廓全方位的扫描图。

通过简单的固定，这个方法提供了型材截面扫描的新的应用。

例如带槽截面的槽内大面积扫描。

这种情况下，只需将型材转到正确的位置，传感器就能从不同视角进入槽内扫描。

COPRA桌上型截面扫描仪可以扫描开口和闭口截型，材料可以是钢铁、铝或塑料。

具有高动态范围(HDR)的摄像头，可以测量不同的表面质量。

截型的最大宽度为80mm，长度为310mm。

特殊的尺寸要求可以定做。

结构紧凑，运输时可以实现快速拆分与安装。

直接与笔记本电脑或台式机连接，无单独电源需求，无分离的控制器，即插即用易于操作。

COPRA桌上型截面扫描仪可以通过截面的AutoCAD图形与扫描的点云数据对照，精确分析出形位误差和轮廓数据，为开发高精度的辊压产品提供了检测手段。

此桌面扫描仪已经在国内高精度焊管企业得到实际应用，并获得良好效果。