辊压成形工艺在汽车轻量化中的应用及发展

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源：

《汽车工艺与材料》

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辊压成形的核心技术是其工艺及设备的CAD/CAE/CAM技术。在辊压工艺中要解决先进高强度钢的回弹和变形能的计算。变截面的柔性辊压技术是汽车制造新技术的一个发展方向。

1. 辊压成形工艺

辊压成形（Roll forming，又称冷弯、辊弯）工艺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横向弯曲，以制成特定断面的型材。

辊压成形工艺具有以下优点：

a.生产效率高，适合于大批量生产，与冲压、折弯工艺相比提高效率10倍以上，制造成本大幅降低。

b.加工产品的长度基本不受限制，可连续生产。

c.产品的表面质量好，尺寸精度高。

d.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。

e.与热轧和冲压工艺相比，能够节约材料15%~30%。

f.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量化、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。辊压成形工艺广泛应用于汽车部件的制造，汽车上很多部件都是用辊压成形工艺生产，见图1。

图1 辊压成形工艺生产的汽车部件

为减少能源消耗和环境污染，汽车轻量化已成为世界各国汽车制造的新趋势。辊压成形工艺与传统冲压工艺相比，具有高效、节材、环保、成本低等突出优点。

目前，国际上新车型白车身开发设计中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、门槛、驾驶员座调整机构中的滑轨、车身的B柱及底盘等构件，都是用辊压成形工艺制造完成的。

2. 辊压成形CAD/CAE/CAM技术

由于辊压成形工艺的复杂性，常为企业采用这种技术造成很多困扰。在开发新产品时，经常造成整套模具的报废甚至连续几年不能生产出合格产品。

辊压成形过程十分复杂，如设计不合理，会出现边浪、袋形波、纵向弯曲、角部皱褶、裂纹及扭曲等变形缺陷，往往在调试生产过程中发现这些问题。

辊压成形的关键技术是成形模具的工艺设计技术。好的产品及生产线首先取决于工艺设计，采用辊压CAD/CAE/CAM技术可得到优化的工艺设计结果。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、精度高、经济性好的生产线。

图2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的横截面图。

图2

3. 辊压成形在汽车轻量化中的应用

先进高强度钢（AHSS）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。

先进高强钢的出现，对辊压成形的理论与应用提出了新的课题。与普通碳钢相比，先进高强钢由其微结构所决定的高屈服强度和低伸长率，在辊压成形过程中将产生更高的辊荷载和更易产生缺陷、回弹。

近年，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。

（1）AHSS的回弹特性研究及其回弹计算方法

相对于普通碳钢，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，其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。

（2）AHSS的变形能

AHSS的屈服强度和抗拉强度远大于普通碳钢，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（高强度钢DP800和普通碳钢Q235）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°弯曲情况下比较变形能，可知变形能增量百分比的均值为46％。

对于同样产品的截面形状，辊压平均成形角度在13°的情况下，DP800比Q235回弹角平均增大3.5°，变形能平均增大53.6％。

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。

（3）AHSS在汽车保险杠辊压生产线的应用

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质量。

图3是冲压的保险杠，图4是辊压的保险杠。在相同的抗冲击能量下，对比数据如下。

图3 冲压的保险杠

图4 辊压的保险杠

冲压保险杠：材料牌号DOCOL 500DP；抗拉强度500 MPa；T=1.8 mm；质量为13 kg。

辊压保险杠：材料牌号DOCOL 1000DP；抗拉强度1 000 MPa；T=1.0 mm；质量为6.5 kg。

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见图5、图6。

图5 开口保险杠辊压成形产品

图6 闭口保险杠辊压成形产品

（4）AHSS在汽车侧向防撞板辊压生产线的应用

防撞板的作用是在汽车受到侧向撞击后能减少变形以保持驾驶室内部空间。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±0.1 mm，接缝要求紧贴，接缝点直线度≤0.2 mm。

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1.5 mm。材料牌号为Dogal 800DP Z100MB，抗拉强度为800~950 MPa，屈服强度为500~640 MPa，伸长率≥12％。双面镀锌，锌层厚度为7 μm(单面）、14 μm(双面）。

图7是Polo轿车防撞板辊压生产线。图8是该防撞板的有限元分析的成形工艺图。由于该截面采用AHSS材料，其回弹大，而该截面又有空腔，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7 Polo车防撞板辊压成形生产线

图8 防撞板有限元分析的成形工艺

该生产线投产4年以来，由于Polo车产量剧增，设备基本上两班至三班满负荷地运转。生产线稳定可靠，模具精度高，耐磨性好，至今一直以稳定的批产质量为Polo车配套。

4. 国内外柔性变截面辊压技术的研究

传统的辊式辊压成形工艺可以生产大批量的不变截面的产品。随着市场竞争的加剧，以及节能和环保的要求，需要产品的改变能适应更多的变化，即具有灵活可变的柔性。

对于汽车制造业来说，把最合理的材料用到最适合的地方是汽车设计和制造追求的目标。采用计算机技术的柔性辊压成形（Flexible Rollforming）是辊压成形新技术的发展方向。

市场对金属板成形技术及设备的要求如下：

a.依据载荷确定产品截面几何形状，减轻结构质量。

b.使用高强度材料，减轻结构质量。

c.产品几何形状的多样化和个性化。

d.缩短交货期。

e.产品成本低。

而柔性辊压成形具有的特点如下：

a.通过合理设计型材的几何断面，提高承载能力，减轻结构质量。

b.采用高强度材料，进一步减轻结构质量。

c.与冲压和折弯工艺相比，大批量的生产成本更低。

d.与现有辊压成形技术结合，可生产更复杂的产品。

由于上述原因，近年来国内外在柔性辊压成形技术方面投入了大量的研发力量。欧盟投资1000万欧元启动的Proform项目，目标是研发下一代的汽车制造新技术，柔性辊压成形新技术是其3个研究方向之一。美国、日本都分别在进行下一代汽车制造核心技术的研发，都很重视辊压技术的应用。

德国data M公司以及PtU研究所是较早研究柔性辊压成形的。主要目标是满足汽车业对变截面产品的需求。辊压成形变截面产品的例子见图9。这样的产品能更好地适应构件承受载荷的要求。

图9 变截面辊压成形的实例

在国内，北方工业大学率先研制了单轴（图10）和多轴（图11）变截面辊压成形机，建成了高精度与变截面辊压成形试验机组，还配备有用于辊压成形技术基础理论研究的CCD等检测设备。目前，该大学已经获得变截面辊压成形国家发明专利8项。

图10 单轴变截面辊压成形机

图11 多轴变截面辊压成形机

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