CN103878554A - 一种梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、以金属材料为原料，用柔性轧辊技术制成预设的TRB板板，切成所需TRB板件，轧制过程中，在TRB板件上形成特定变厚度的区域及及定位槽；步骤2、将TRB板件弯折成管件；步骤3、焊接管件，制成所需厚度梯度化的薄壁吸能结构。本发明涉及的加工方法，加工步骤少，加工时间短，适宜批量化生产。本发明加工出的梯度化分配的薄壁吸能结构能以更合理的方式来利用材料，使得吸能器的吸能效率更高，初始最大冲击力也较小，相比传统的吸能器，本结构既可以降低吸能结构的重量，又可以提高吸能结构的碰撞安全性。

Description

一种梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法
技术领域
本发明涉及一种薄壁吸能结构的加工方法，尤其涉及一种薄壁厚度在周向和纵向上梯度变化的缓冲吸能结构的加工方法。
背景技术
汽车轻量化越来越被关注，其要求包括吸能器在内的车身结构要轻质和高效。对于应用最为广泛的薄壁结构吸能器，在发生碰撞时，能量通过薄壁结构的连续褶皱变形来被吸能器吸收。显然在该吸能器的不同部位，其变形情况是不一样的，能量的吸收量也是不一样的。一般传统薄壁结构的吸能器由均匀厚度的金属薄壁构成。如果薄壁结构吸能器的材料不变，厚度均匀，密度统一，那么在这种不同部位能量吸收量不同的情况下，这种吸能器的设计显然是不合理的。一系列已发表的研究结果表明作为缓冲吸能结构的薄壁结构，起主要作用的为边角部的材料。通过在边角部分增加加强筋、加多胞结构或边角局部加厚等方式，可以有效的提高薄壁结构的比吸能，提高吸能器的效率。另外，轴向变厚度，增加碰撞时发生连续褶皱变形的稳定性，并且可以降低初始最大峰值力，增大平均碰撞力，同时可以保证力位移曲线的平缓。由此设计出的一些厚度变化的薄壁吸能管件，其加工方法至今少有人涉及。尤其对于钢材，由于成型性能，不能用压塑成型的方法，只能在一般均匀厚度管材的基础上，用线切割或激光切割等的切割方法来切掉多余材料获得。这样不仅费时，成本高，还会造成材料的浪费。
柔性轧辊技术是于二十世纪九十年代初由德国Archen工业大学金属研究所（IBF）的Tainer Kopp教授提出，它是在钢板轧制过程中，通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，来获取沿轧制方向上按照预先定制的厚度连续变化的板材,即连续变截面板（TRB）。IBF与2000年，在德国Mubea公司的轧机上第一次实现了连续变厚度带钢的生产。柔性轧辊技术能够连续性生产，生产效率高、操作容易、可靠性好，厚度控制容易，厚度过渡区的长度和形状可以控制。在原柔性轧辊技术的基础上，将轧辊的角度调整或采用多个轧辊同时压轧，即可以生产出在与轧制方向垂直的方向上的厚度也变化的钢板。
发明内容
本发明的技术方案是提供一种梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、以金属材料为原料，用柔性轧辊技术制成预设的TRB板，切成所需TRB板件，轧制过程中，在TRB板件上形成特定变厚度的区域及定位槽；
步骤2、将TRB板件弯折成管件；
步骤3、焊接管件，制成所需厚度梯度化的薄壁吸能结构。
进一步地，步骤1中，轧制的TRB板，在板纵向上，有板最厚区、板最薄区和板变厚区，板变厚区的厚度变化要按照幂指数函数的形式变化。
进一步地，步骤1中，轧制的TRB板，在同一横向平行线上，板最薄端的厚度是最薄的，距离板最薄端越远，厚度梯度增大，板最厚端的厚度是最厚的。进一步地，步骤2中，弯折成管件的过程中，用步骤1轧制的定位槽定位。
进一步地，最终制得的薄壁吸能结构为周向变厚度的，在同一横截面上，管壁中间部位厚度最小，而在管壁边角部位厚度最大，管的变厚区按照设计的幂指数函数的形式变化。
进一步地，最终制得的薄壁吸能结构为轴向变厚度的，在同一轴向平行线上，管薄端厚度最小,距离管薄端越远，厚度梯度增大，管厚端厚度最大。
进一步地，所述幂指数函数为，t=x+a(y/L)n，其中t为该处板厚，x为板最薄区厚度，a为板最厚区与板最薄区的厚度差，y为该处与最近的板最薄区在板横向上的距离，L为相邻的板最厚区与板最薄区在板横向上的距离，n为指数参数。
本发明的有益效果是：
（1）这种梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，加工步骤少，加工时间短，适宜批量化生产。
（2）本发明加工出的薄壁吸能结构能以更合理的方式来利用材料，使得吸能器的吸能效率更高，初始最大冲击力也较小。相比传统的吸能器，本结构既可以降低吸能结构的重量，又可以提高吸能结构的碰撞安全性。
（3）本发明中变厚区采用的幂指数函数，可以通过一个参数n来调整厚度的变化方式，更容易优化出最佳的厚度变化方式来实现材料利用的最大化。相比其他变化控制函数，幂指数函数更灵活，达到了意料不到的技术效果。
（4）本发明可以充分的利用柔性轧制技术，在TRB板上轧制出定位槽，使得弯折加工非常方便。
（5）本发明可以充分的利用柔性轧制技术，在TRB板上轧制出预设的凹陷和突起，加工完成后形成诱导槽，这种加工诱导槽的加工方式非常简单方便。
附图说明
图1为TRB板的等轴测视图；
图2为TRB板的正视图；
图3为焊接成方管的等轴测视图；
图4为焊接成方管的正视图。
具体实施方式
本发明的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，是以钢为原材料，制成梯度化分配的薄壁吸能管。以下具体实施例是加工梯度化厚度的薄壁吸能方形钢管的过程。
步骤1、由柔性轧辊技术批量生产得到预定形状的TRB钢板（轧辊变厚度钢板）。将TRB钢板切割成制造薄壁吸能管所需的板材。
如图1和2所示,命名轧辊方向为板纵向，与轧辊方向垂直的方向为板横向。TRB板在板横向上和板纵向上的厚度都是梯度变化的。
在板横向上，该板厚度为梯度变化的：对于同一横向平行线上，板最薄端1的厚度是最薄的，距离板最薄端1越远，厚度梯度增大，板最厚端2的厚度是最厚的。
在板纵向上，该板厚度为梯度变化的：板的厚度为周期性变化，即板最薄区4为板横向上的一条线，板最厚区5为弯折区，并保证板进行下一步弯折处理后能满足设计厚度，板最薄区4与板最厚区5中间为预设的板变厚区3，该区厚度变化要按照设计曲线进行，可以按照幂指数函数的形式变化，如t=x+a(y/L)n，其中t为该处板厚，x为板最薄区4厚度，a为板最厚区5与板最薄区4的厚度差，y为该处与最近的板最薄区4在板横向上的距离，L为相邻的板最厚区5与板最薄区4在板横向上的距离，n为指数参数。n是控制该曲线变化形式的主要控制参数，在n=1时曲线变为直线，即板最厚区5与板最薄区4之间均匀变化。图1和2中具体实施例的板变厚部分3的设计曲线按照幂指数函数的形式变化，其中n=0.1。在不同的x和a值下，有对应吸能器的材料利用率最大的n值。
步骤2、利用弯折机将TRB板弯折成管件。由于TRB板的厚度是变化的，弯折时，对弯折处的定位要求较高。定位准确性的问题可以用以下方法解决：在步骤1中，在弯折处轧制定位槽6来帮助弯折管件时的定位，如图2中所示。
步骤3、将弯折成的管件沿设计焊缝7焊接，得到所需的梯度化厚度的薄壁吸能结构。
如图3和4所示，由于TRB板的厚度经过预设，加工后得到的薄壁吸能结构在管件的轴向上和周向上都是厚度梯度化的。
在薄壁吸能结构的轴向上，其厚度梯度变化：在同一轴向平行线上，管薄端8厚度最小,距离管薄端8越远，厚度梯度增大,管厚端9厚度最大。这样设置薄壁吸能结构，可以降低初始最大峰值力，增大平均碰撞力，同时可以保证力位移曲线的平缓。
在薄壁吸能结构的周向上，其厚度梯度变化：在同一横截面上，管壁中间部位10厚度最小，而在管壁边角部位11厚度最大，管的变厚区12按照设计的变厚曲线来变化厚度，这样得到的薄壁吸能结构可以减少对吸能贡献不大的部位的材料，提高材料利用率，增大吸能效率。
利用这种加工方法，也可以轻松的在薄壁吸能管上添加诱导槽：只需要在轧制TRB板时，在平行于板纵向上柔性轧制出一条凹槽或突起，在经过如上加工后，就可以在完成的薄壁吸能管上获得一个诱导槽。
这种梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，加工步骤少，加工时间短，适宜批量化生产。
需要指出的是，以上实施例只是本发明一部分，实例中所使用的数据和图表仅用于说明本方法的具体思路。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，可轻易想到的变化或同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、以金属材料为原料，用柔性轧辊技术制成预设的连续变截面板（TRB），切成所需TRB板件，轧制过程中，在TRB板件上形成预设的变厚度的区域及定位槽（6）；
步骤2、将TRB板件弯折弯折成管件；
步骤3、焊接管件，制成所需厚度梯度化的薄壁吸能结构。
2.如权利要求1所述的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：所述金属材料为钢材。
3.如权利要求1所述的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：
步骤1中，轧制的TRB板，在板纵向上，有板最厚区（5）、板最薄区（4）和板变厚区（3），板变厚区（3）的厚度变化要按照幂指数函数的形式变化。
4.如权利要求1所述的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：
步骤1中，轧制的TRB板，在同一横向平行线上，板最薄端（1）的厚度是最薄的，距离板最薄端越远，厚度梯度增大，板最厚端（2）的厚度是最厚的。
5.如权利要求1所述的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：
步骤2中，弯折成管件的过程中，用步骤1轧制的定位槽（6）定位。
6.如权利要求1所述的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：
最终制得的薄壁吸能结构为周向变厚度的，在同一横截面上，管壁中间部位（10）厚度最小，而在管壁边角部位（11）厚度最大，管的变厚区（12）按照设计的幂指数函数的形式变化。
7.如权利要求1所述的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：最终制得的薄壁吸能结构为轴向变厚度的，在同一轴向平行线上，管薄端（8）厚度最小,距离管薄端越远，厚度梯度增大，管厚端（9）厚度最大。
8.如权利要求3或6所述的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：所述幂指数函数为，t=x+a(y/L)n，其中t为该处板厚，x为板最薄区（4）厚度，a为板最厚区（5）与板最薄区（4）的厚度差，y为该处与最近的板最薄区（4）在板横向上的距离，L为相邻的板最厚区（5）与板最薄区（4）在板横向上的距离，n为指数参数。
9.如权利要求1所述的梯度化分配的薄壁吸能结构的加工方法，其特征在于：在步骤1中，在TRB板上轧制出预设的凹陷和突起，加工完成后形成诱导槽。
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