汽車高強鋼輥壓件的應用和其實現研究

鄧濟聰 盧建偉 汪守武

浙江吉利汽車實業有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

目前汽車平臺化已被各大主機廠重視，并有序推動實施。現在對高強鋼輥壓的應用因高強鋼原材料的實現而逐漸被廣泛應用。對高強鋼輥壓件在汽車上的應用和平臺化研究，也被各大主機廠所推廣。高強鋼輥壓件在汽車上可以起到滿足強度要求下有足夠的輕量化意義，平臺化的研究在實現成本下探的可能性的同時也有效縮短開發周期。

2 汽車高強鋼輥壓應用

2.1 汽車輥壓應用

2.1.1 汽車輥壓件應用現狀

輥壓成型工藝是以若干輥輪為模具，并隨著輥輪轉動，將金屬板材不斷的向前進方向進行折彎，變成特定的連續斷面的一種加工方法。國外主流汽車廠所開發的輥壓型零件已占到60%，而國內轎車新型車型中的用量僅為6%，有非常大的應用空間。輥壓成型工藝也因具有以下優點，而在汽車上得到廣泛引用：

目前汽車上，白車身開發設計主要存在如下區域，采用輥壓工藝，見表1。

2.1.2 汽車高強鋼輥壓件應用現狀

2018版C-NCAP的實施，增加了汽車安全性的要求，為確保整車安全可以達成標準要求，高強鋼材料在各汽車廠得到廣泛應用。白車身正面碰撞吸能分為三個區：前吸能區，中吸能區，后吸能區，如圖；各個區的原理：

前吸能區：吸收部分能量并將剩余能量分散傳遞；

中吸能區：通過沿軸線潰縮來吸收主要能量；

后吸能區：變形很小，主要維持后框架穩定，并防止駕駛室被侵入；

車身正面碰撞傳遞路徑：

上層：吸收了部分從前部傳來的碰撞能量，并把其余能量向A柱和前圍及其加強梁進行分散傳遞。

中層：是主要的傳力路徑。保險杠緩沖梁和吸能盒將接受到的碰撞能量進行初步吸收后進行左右分流，前縱梁吸收大部分能量后再把其余能量往前縱梁延伸板、門檻、中央通道等分散傳遞。

下層：主要是前副車架組成，吸收了部分從前部傳來的碰撞能量并把其余能量向前縱梁延伸板和門檻等分散傳遞。

為滿足各區吸能要求，輥壓類的高強鋼零件在汽車上的應用主要集中在如下，見表2：

2.1.3 汽車高強鋼輥壓件截面使用現狀

為滿足C-NCAP碰撞要求，高強鋼輥壓件在應用中，結合整車參數布局，產品結構等原因，確定輥壓件的截面形式，不同區域的輥壓件，采用適宜截面

表1

圖1

表2

高強鋼輥壓件的截面形式有如表3：

2.2 汽車高強鋼輥壓平臺化應用

汽車產品平臺化架構戰略主要包括發動機艙、地板、懸架、制動、傳動、發動機、變速箱、電子電器等。福特T型車是平臺化最先實現的車型，通過，對動力，傳動系統等懸掛與底盤車架上，在T型車上可實現安裝三廂車，Coupe，面包車，小貨車等。現在大家熟知的大眾的MQB，MLB，MHB，以及現在開發的MEB平臺，豐田汽車的TNGA平臺，寶馬的UKL平臺，PSA的EMP2平臺，吉利汽車發布的CMA，BMA，DMA，及SPA平臺，這些平臺化的應用，大大降低了研發、采購、制造、管理等成本，縮短了開發周期，加快了產品推出速度。豐田TNGA平臺架構，可使零部件平臺化20%～30%，最終目標可達成70%～80%，對企業節約成本和降低研發周期起到關鍵作用。

表3

汽車前防撞梁總成位于車身的最前端，在保險杠的后面，通過螺栓與縱梁相連。在低速碰撞時，通過其本身高強度的結構，將能量分散給吸能盒，通過吸能盒的壓潰變形吸收能量，避免車身本體的變形受損，降低車輛的維修成本；在高速碰撞時，將碰撞能量傳遞給左右縱梁等主要承受部件，同時在碰撞中穩定縱梁的變形模式，主要考核其抗彎性能。

汽車公司在前期進行前防撞梁平臺化策劃時，從整車設計要求，輕量化，碰撞要求，成本，開發周期等進行了對比策劃。

在滿足同等設計條件下，熱成形前橫梁重量最輕，鋁擠壓前橫梁次之，沖壓鈑金重量最重；熱成形前橫梁隨造型不同需要重新開發，模具投資成本高，不適合平臺化開發；鋁擠壓前橫梁，擠壓模成本低，但彎曲模成本高，導致單件成本增加；輥壓前橫梁根據造型不同，只需新開輥彎輪，成本低。

汽車公司在進行門檻平臺化策劃時，從整車設計要求，輕量化，碰撞要求，成本，開發周期等進行了對比策劃，在滿足同等設計條件下，輥壓門檻和沖壓門檻重量相近；造型不同，沖壓門檻模具需要重新投資，模具成本高，輥壓門檻只需增加沖孔模具和特征模具，費用低。

3 汽車高強鋼輥壓實現

3.1 高強鋼輥壓工藝策劃

當零部件廠家已和汽車廠達成供貨合作關系后，在接收到汽車廠合同及技術開發協議、產品圖/數學模型、產品標準、樣件和相關信息后進行高強鋼輥壓工藝策劃。

第一：客供資料分析：識別材料信息，材料牌號，機械性能，厚度等，確認材料是否為市面可買材料。識別GD&T尺寸信息，哪些是關鍵尺寸，為后續進行工裝設計提供輸入。識別客戶特殊要求，如特殊工藝要求。

材料信息的識別需要明確，材料牌號如HC820/1180DP，標準號Q/BQB418-2018，料厚t1.2mm，機械性能屈服強度 RP0.2 820～1130 MPa，抗拉強度Rm 不小于1180 MPa，斷后伸長率 A80mm不小于3% 。材料采購周期是否能滿足后續調試周期。

識別GD&T尺寸信息，明確產品基準信息，基準面，基準孔的設定是否滿足321原則等，基準孔公差是否能保證，基準面的設置是在內弧面還是側面。產品上附帶的孔形位公差尺寸公差，是否能保證，孔的實際功能要求。產品上哪些是關鍵尺寸，哪些是按通用公差進行管控，參考標準是哪些，這些都要識別，并為后續工裝設計提供輸入。

識別客戶特殊要求，識別圖紙上的技術要求欄中的要求，哪些是客戶特殊要求，識別圖紙圖示有無特別指示的公差要求，如移動公差，特殊要求需要編制特殊特性清單，用于后續工藝文件編制。

第二：針對截面進行輥壓工藝分析，確認輥壓可行性，有無無法實現的特征，如孔邊緣是否在輥壓成型圓弧上，導致輥壓波浪；使用COPRA進行輥花初步設計，大致確認輥壓成型需求的輥輪段數。

第三：針對從數據到產品的工藝策劃，原材料開卷，在線沖孔，輥壓成型，輥焊，輥彎，切斷。

原材料開卷需將展開的材料尺寸確認好，結合輥壓成型工藝的實際情況，確認原材料料帶寬度公差。

在線沖孔工藝的編排是否合理會直接影響后續輥壓成品后的孔特征的實際表現，如在產品數據上標注的圓孔，在線沖孔如未進行設計補償，將直接導致成品上的圓孔變成異形孔，不滿足要求。分析孔是否需要進行補償，補償精度達到什么程度。

第四：內部資料分析：識別類似產品的工藝策劃，類似產品過往問題清單，類似產品特殊特性清單，PFMEA等。

3.2 高強鋼輥壓工裝設備投入策劃

當高強鋼輥壓工藝已完成策劃后，需要對工裝設備投入進行策劃。

工裝的策劃原則是：①滿足零件成型要求；②滿足零件精度要求；③滿足人機工程；④滿足節拍要求；⑤滿足精益生產要求等。

設備的策劃原則是：①工藝要求；②滿足成型要求；③滿足零件精度要求；④滿足公司場內布局規劃；⑤滿足節拍要求；⑥滿足人機工程；⑦滿足精益生產要求等。

3.4 高強鋼輥壓質量控制策劃

結合3.1高強鋼輥壓工藝策劃的客供資料分析內容及法律法規，識別出產品/過程特殊特性初始清單和相關信息，同時組織相關負責人識別顧客要求， 對顧客要求進行評審，分析、交流、確認，形成《產品和過程特殊特性明細表》。并就以下內容與所開發產品要求進行差距分析，采用多方論證的方法解決問題。

（a）現有技術和顧客要求的差距；

（b）現有質量管理體系；

（c）公司設施平面圖；

（d）生產工藝裝備；

（e）檢測和試驗設備；

（f）質量能力。

特殊特性的開發與確定，需明確特殊特性的識別和過程特殊特性的定義。

過程特殊特性是基于影響產品特殊特性過程和因素，表現為人、機、料、法和環等各方面，一般識別來源與客戶輸入、PFMEA、產品圖紙，類似項目的經驗教訓。在生產過程中進行重點控制，確保特殊特性滿足顧客要求及過程的需要，應作好相應的檢測記錄，必要時應采取糾正或預防措施，實現特殊特性的改進完善。

失效模式及后果分析（PFMEA）的開發，零部件廠對形成產品的所有過程進行潛在失效模式及后果分析，特別是特殊特性。PFMEA核心小組應通過PFMEA 分析，確定產品或過程需重點控制的環節或工序及其質量特性。

核心小組根據生產工藝流程/顧客對產品要求收集分析并討論PFMEA所需的各類信息，如潛在的失效模式、潛在的失效后果、嚴重度（S）、頻度（O）、探測度（D）、潛在的失效起因/機理、現有預防過程控制、現有預防探測控制方法等。

控制計劃的制訂與評審控制計劃應包括如下幾個階段：樣件控制計劃、試生產控制計劃、生產控制計劃。試生產控制計劃是對尺寸測量、材料和功能試驗的描述，目的是遏止初期生產運行過程中或之前的潛在不符合。

在過程設施、設備和工裝策劃中，采用相應的防錯技術。需要時，對重大工裝和非標準設備的設計進行設計方案評審和/或綜合設計評審并記錄。

試生產運行，對產品和過程進行設計驗證，此過程是一個變動循環的過程，應根據樣品的生產結果進行改進，當適合時，按實際情況增加所需內容。

在試生產之前，須評估控制計劃中所有的新的測量系統，尤其是針對特殊特性，測量系統分析參照MSA工具書的要求，重點作好重復性、再現性分析。

在試生產階段，進行初始能力研究，至少針對有特殊特性的所有工序能力。

批生產過程中，生產控制計劃是評價產品和服務的基礎。應對計量和計數型數據進行評價。持續改進、實施與驗證，不斷提高過程能力。