1 前言
1.1 汽车行业需求
在汽车领域，行驶过程中温室气体排放量较低的纯电动汽车（BEV）近年来普及速度显著加快。然而，纯电动汽车搭载的电池重量达数百千克，导致车辆总重量相应增加，因此，车身骨架需要具备比以往更高的碰撞性能。此外，电池制造成本居高不下，也是导致车辆整体价格上升的因素之一。基于此，汽车车身除需提升碰撞性能外，还需实现成本降低。与此同时，汽车行业对能够实现省人化的技术需求也日益凸显。为应对上述需求，近年来部分汽车制造商开始采用铝合金制造一体化压铸部件。这类部件是将前纵梁、后纵梁等多个冲压框架部件整合为单一大型铸件。但制造巨型铸件需新引入大型设备，且由于多个部件整合为一体，存在轻微碰撞时维修性差、不适用于多车型生产等问题。
解决这些问题的方法之一，是利用现有冲压生产线加工高强度钢板，实现中小规模的部件一体化。日本着眼于这一趋势，一直在推进中小规模部件一体化技术的开发。以下将介绍采用超高强度钢板冷冲压成形实现多部件一体化的成形技术。
1.2 部件一体化技术概况
为满足汽车行业的各类需求，日本提出了整体解决方案“NSafe-汽车概念”。该概念以材料开发、结构设计、工艺开发、性能评估四大核心为支撑。表1列出了构成NSafe-汽车概念核心的材料产品体系。在冷轧钢板及冷轧镀层钢板方面，已开发出成形性优异的双相钢（DP钢）与相变诱导塑性钢（TRIP钢），其中冷轧钢板中1470MPa级产品、冷轧镀层钢板中1180MPa级产品已应用于车身骨架部件，目前正持续推进更高强度钢板的研发。此外，作为高功能产品，还开发了碰撞能量吸收性能（EA）优异的钢板，冷轧钢板与冷轧镀层钢板中980MPa级产品均已实现实用化。在热成形用钢板方面，0.5-2.0GPa级的全强度范围产品已实现量产。
在一体化成形技术方面，基于NSafe-汽车概念中的成形技术，可提供从小规模、中规模到大规模等不同层级的解决方案。实现中小规模一体化的方法包括：采用激光拼焊板（TWB）技术将相邻部件一体化，以及采用补丁焊接（Patch Work）技术将重叠部件一体化；通过用高强度钢板替代传统材料减少补强部件，也可视为一体化的一种形式。在大规模一体化方面，主要采用热成形技术，应用部件包括车门防撞梁、后纵梁等。
如上所述，NSafe-汽车概念提出了多种钢种与一体化成形技术的组合方案。通过两者的结合，可实现兼顾部件功能的一体化结构，进而应对轻量化、部件成本降低、温室气体排放量减少等各类课题。
以下将首先聚焦成形技术，介绍采用超高强度钢板冷冲压成形实现多部件一体化的相关技术；随后结合车身骨架部件的功能需求，阐述合理配置高强度钢板实现一体化结构的实际案例。
2 实现部件一体化的成形技术
2.1 采用超高强度钢板实现部件一体化的课题
以下介绍采用超高强度钢板冷冲压成形的一体化成形技术。近年来，除980-1180MPa级钢板外，1470MPa级超高强度钢板也开始应用于车身骨架部件。但通常而言，钢板强度提升会伴随延展性下降，因此冲压成形时的开裂与起皱问题依然突出。此外，多部件一体化会导致目标部件形状复杂化，进一步增加成形难度。因此，要实现采用超高强度钢板的部件一体化，需开发与传统工艺不同的成形技术。
日本目前已开发出两种新型成形技术：积极利用钢板面内剪切变形的剪切成形工艺（NSafe-FORM-SS），以及自由弯曲工艺（NSafe-FORM-LT）。下文将概述这些成形技术的基本原理。
2.2 剪切成形工艺
采用拉深成形制造弯曲帽形部件时，如图1（a）所示，材料会垂直于凹模面流入，导致弯曲凸部的顶部材料因纵向拉伸而断裂，弯曲凹部的顶部材料因压缩而起皱。若要实现良好成形，需如图1（b）所示，使材料沿成形方向平行流入。基于这一思路，开发了剪切成形工艺（NSafe-FORM-SS）。
该工艺采用图2所示的模具结构：通过压边圈压紧部件顶部，限制顶部材料移动，从而抑制拉伸与压缩变形；同时使纵向壁发生纯剪切变形，最终成形出弯曲帽形结构。在此过程中，为抑制剪切变形最小主应变方向因压缩产生的褶皱（剪切皱），将纵向壁设计为垂直角度，消除成形过程中模具间的间隙，从而抑制材料的面外变形。
图3展示了采用1470MPa级钢板与剪切成形工艺试制的一体化前纵梁后段部件。通过实现这类复杂形状弯曲帽形部件的高强度化，可减少为抑制碰撞变形时屈曲而在弯曲部位设置的补强部件，最终实现部件一体化。
2.3 自由弯曲工艺
采用拉深成形制造带弯曲纵壁与法兰的L型、T型部件时，由于不同部位材料流入量存在差异，弯曲部位附近的顶部会出现明显起皱，且纵壁会因较大的平面应变变形而断裂。为实现这类复杂形状部件的成形，开发了自由弯曲工艺（NSafe-FORM-LT）。
图4（a）展示了自由弯曲工艺的模具结构。为降低成形过程中的张力以防止断裂，该工艺未采用传统的坯料-凹模拉深成形，而是采用弯曲成形；同时，从成形初期就通过压边圈压紧顶部，抑制起皱产生。此外，如图4（b）所示，随着成形过程推进，顶部材料会流入弯曲部位，因此，纵壁的成形不仅依赖材料的拉伸，还伴随材料的移动，这一特点对抑制纵壁断裂具有显著效果。
图5展示了采用1470MPa级钢板与自由弯曲工艺试制的上下一体化中立柱部件。传统中立柱通常上部采用980-1180MPa级钢板，下部采用440-590MPa级钢板，而通过自由弯曲工艺，可采用1470MPa级钢板实现上下部一体化。
3 后纵梁一体化成形技术开发
3.1 开发理念
结合车身骨架部件的功能需求，阐述合理配置高强度钢板实现一体化结构的实际案例。具体而言，是通过应用前文介绍的自由弯曲工艺，将后纵梁的“前部”与“后部”两个部件一体化的案例。图6展示了目标部件的形状：前部采用1470MPa级钢板以抑制变形，后部采用980MPa级能量吸收（EA）钢板以承受追尾碰撞时的大变形并吸收能量。通过激光拼焊技术将这些超高强度钢板拼合在一起并实现一体化成形，可实现轻量化与部件数量减少的双重目标。
3.2 基于有限元法（FEM）解析的工艺研究
采用有限元法（FEM）数值解析对该部件的成形方案进行了研究，解析采用动态显式求解器LS-Dyna（R7.1.2）。模型采用壳单元（Shell Element），单元尺寸为2mm，板厚方向积分点设为7个，摩擦系数按库仑摩擦模型取0.1。由于目标部件中，前部发生开裂与起皱的风险较高，因此，仅针对前部进行解析，另外，试验材料为1470MPa级钢板。
首先，通过图7所示的以弯曲成形为主的成形工艺进行试验，从中提炼出成形工艺问题。该工艺中，第1、2步为压边圈弯曲，第3步为冲压成形；在第1与第2步之间、第2与第3步之间，以及第3步之后，均设置了修整工序。图8展示了最终修整工序后的板厚减薄率分布，最终结果显示，法兰边缘部位的板厚减薄率超过10%，表明以弯曲成形为主的成形工艺难以满足要求。
随后，尝试通过应用自由弯曲工艺降低法兰部位的板厚减薄率。图9展示了以自由弯曲为主的成形工艺。与弯曲成形为主的成形工艺相比，仅在第1步改用自由弯曲工艺。图10展示了最终修整工序后的板厚减薄率分布：在第1步应用自由弯曲工艺时，通过设置“材料流入促进筋”以促进顶部材料向弯曲部位流入，最终法兰部位的板厚减薄率降至4.8%。上述结果表明，采用1470MPa级钢板成形一体化后纵梁是可行的。
3.3 通过试制验证开发技术的效果
以上通过解析初步明确了采用1470MPa级钢板与自由弯曲工艺成形一体化后纵梁的可行性。基于上述成形工序，实际进行了部件试制，以验证开发技术的效果。图11展示了本次试制的成形品外观。与有限元法解析结果基本一致，试制件未出现断裂或明显起皱，证明通过应用自由弯曲工艺，可实现一体化后纵梁的成形。
4 结语
本文介绍了采用超高强度钢板冷冲压成形实现多部件一体化的两项核心技术：剪切成形工艺与自由弯曲工艺，并展示了应用自由弯曲工艺开发一体化后纵梁的案例。未来，将把这些一体化成形技术推广应用于其他车身模块，同时推进新型一体化成形技术的开发，从而在更高维度助力汽车实现轻量化、制造成本降低及全生命周期温室气体减排。
