熱成型車門防撞桿的設(shè)計及制造工藝分析

王科 盧利輝 吳相磊 曹淵

摘 要：熱成型車門防撞桿的設(shè)計，是根據(jù)客戶輸入條件及目標(biāo)要求，進(jìn)行的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計。然后客戶對模型進(jìn)行整車校核，直至凍結(jié)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。產(chǎn)品制造過程進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，并通過檢測數(shù)據(jù)驗證是否達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。最后通過試驗數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)相對比，找出差異點(diǎn)，為后續(xù)同類產(chǎn)品積累設(shè)計經(jīng)驗和生產(chǎn)經(jīng)驗，達(dá)到縮短開發(fā)周期和降低生產(chǎn)調(diào)試成本的目的。

關(guān)鍵詞：車門防撞桿;熱成型;性能設(shè)計;設(shè)計目標(biāo)

中圖分類號：U467.14 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-52-05

Abstract： The design of vehicle hot stamping door bar is designed about structure and performance， based on the input conditions and target requirements of customers. Then the customer checks the model and freezes the product data. The process parameters are optimized in the manufacturing process， and the design objectives are verified by the test data. Finally， by comparing the test data with the design data， we can find out the differences， accumulate design experience and production experience for the follow-up similar products， so as to shorten the development cycle and reduce production commissioning costs.

Keywords： Door bar; Hot stamping; Performance; Design objectives

前言

當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向是安全、環(huán)保和節(jié)能。安全是毋容置疑放在首位的，也是各項法律法規(guī)可以量化的指標(biāo)。環(huán)保和節(jié)能，世界各國都在陸續(xù)出臺對應(yīng)的政策，也逐步會梳理出可量化的指標(biāo)。按歐洲材料協(xié)會調(diào)查結(jié)果：汽車自重每降低100Kg，百公里油耗可減少1.6L，排放降低5-6%[1]。三者的關(guān)系是：降低汽車自重以獲得更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性和達(dá)到節(jié)能減排的目的，但又必須滿足日益嚴(yán)苛的各項安全法規(guī)，以保護(hù)車內(nèi)乘客的安全。在汽車交通事故中，發(fā)生頻次最高的是側(cè)碰，且側(cè)面柱碰撞事故具有極高的致死率，受到設(shè)計者的高度重視[2]。所以，車門系統(tǒng)的安全設(shè)計顯得尤為重要。引用參考文獻(xiàn)3的數(shù)據(jù)，某車剛性柱碰的車門系統(tǒng)各部件吸能情況如表1。

從表1可以看出，車門防撞桿的吸能值最大，其安裝在車門內(nèi)、外板的夾層內(nèi)，起到保護(hù)乘客被動安全的作用。車門防撞桿的強(qiáng)度、變形量和吸能值等是衡量車輛側(cè)碰安全的主要設(shè)計指標(biāo)。如何在輕量化的條件下滿足各項安全指標(biāo)是設(shè)計師必須考慮的。汽車輕量化的途徑主要是新結(jié)構(gòu)設(shè)計、新材料應(yīng)用和新工藝技術(shù)。當(dāng)前主流車門防撞桿按材料分：鋁合金、高強(qiáng)鋼、熱成型材料;按結(jié)構(gòu)分：管件、板材、型材;按工藝分：熱沖壓、冷沖壓、滾壓、擠壓、冷拔等。隨著熱沖壓工藝的成熟，熱成型工藝成本優(yōu)勢較大，且輕量化效果明顯，應(yīng)用日益廣泛。文章將以熱成型高強(qiáng)板車門防撞桿為例，展開產(chǎn)品設(shè)計及工藝過程的討論。

1 汽車零部件的開發(fā)過程

車門防撞桿的開發(fā)過程與其他汽車零部件的開發(fā)過程相似，如圖1所示。零部件級的設(shè)計輸入是由整車工況提取出來的。設(shè)計輸入包括：空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、重量要求、載荷信息、性能要求等。零部件供應(yīng)商按照主機(jī)廠提供的設(shè)計輸入進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在滿足主機(jī)廠的目標(biāo)要求下，雙方進(jìn)行設(shè)計評審，包含整車校核、產(chǎn)品重量、工藝可行性、圖紙簽核、成本組成等。圖紙凍結(jié)后，試制新產(chǎn)品并進(jìn)行設(shè)計驗證，設(shè)計驗證包含臺架試驗和道路試驗。設(shè)計驗證完成后轉(zhuǎn)入試生產(chǎn)，試生產(chǎn)主要驗證工藝過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的合理性。最后達(dá)到量產(chǎn)目的。

2 車門防撞桿的設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

（1）造型空間無干涉。（2）三點(diǎn)彎位移70mm，最大支反力≥14.2KN，且受力值在各位移處滿足給定的曲線范圍如圖2，在滿足最大變形的情況下，邊緣無裂紋。（3）在-38℃低溫沖擊下，沖擊部位邊緣無裂紋。（4）成品材質(zhì)要求：Ts≥1480Mpa，Ys≥1080Mpa，Ls≥6.5%，表面硬度≥HV390。

2.2 設(shè)計過程

2.2.1 按客戶要求或客戶提供的概念模型識別出安裝硬點(diǎn)及空間區(qū)域布置

2.2.2 主體部件的斷面選擇

可選用“O”型、“幾”字型、“m”型?！癘”型斷面主要是管件，由于制管工藝復(fù)雜，且與安裝支架需要焊接連接，如圖3，工藝鏈較長，成本高，應(yīng)用較少。在同等重量和板厚的條件下，“m”型防撞桿的吸能值及支反力均大于“幾”字型防撞桿，且成型性“m”型防撞桿也較佳，如圖4。所以選擇 “m” 型斷面為設(shè)計目標(biāo)。

2.2.3 3D設(shè)計

3D設(shè)計是按裝配空間區(qū)域、性能要求及歷史參考數(shù)據(jù)反復(fù)進(jìn)行CAE驗證的過程。

Step1造型設(shè)計。根據(jù)裝配空間要求，進(jìn)行3D造型設(shè)計，并同步進(jìn)行熱成型工藝分析，初步設(shè)計造型如圖5。

Step2 CAE建模。CAE建模主要是模擬三點(diǎn)彎試驗，前后處理采用Hyperworks11.0，求解器采用ABAQUS2016。目標(biāo)材料選用寶鋼熱成型材質(zhì)B1500HS。熱成型材質(zhì)成型后的硬度與機(jī)械性能呈正相關(guān)，所以在前期CAE分析時，材料屬性的輸入，可以按不同硬度對應(yīng)的材質(zhì)機(jī)械性能定義。這樣也為后期工藝優(yōu)化硬度目標(biāo)值提供了依據(jù)。HV420、HV450、HV480三種不同硬度材質(zhì)的工程拉伸曲線轉(zhuǎn)換為真實(shí)拉伸曲線如圖6。

尺寸定義：半圓壓頭半徑160mm，支撐跨距825mm，支撐半徑13mm，產(chǎn)品板厚分別按1.0mm、1.2mm定義。網(wǎng)格定義：車門防撞桿屬于薄壁件，采用殼單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小3mm;半圓壓頭和支撐采用剛性體定義。邊界條件定義：兩側(cè)支撐完全固定;上壓頭施加垂向強(qiáng)迫位移為100mm。接觸定義：三處接觸均設(shè)置為“surface-to-surface contact”。CAE建模如圖7。

Step3 ?CAE判定。求解完成后，提取壓頭的支反力與位移的關(guān)系曲線，1.0mm板厚在HV420、HV450、HV480不同硬度材質(zhì)下的受力曲線如圖8，1.2mm板厚在三種不同硬度材質(zhì)下的受力曲線如圖9。

Step4數(shù)據(jù)凍結(jié)。將設(shè)計模型發(fā)給客戶，由客戶進(jìn)行整車分析。根據(jù)客戶整車分析的反饋，重復(fù)step1-step3，直至滿足單件及整車的性能要求。本例的凍結(jié)模型和產(chǎn)品屬性分別按圖5和表2執(zhí)行。

受力曲線判斷：根據(jù)與目標(biāo)曲線值對比，1.0mm板厚產(chǎn)品在前20mm段各硬度材質(zhì)支反力均較差，不建議采用。1.2mm板厚產(chǎn)品除HV420材質(zhì)前20mm段不滿足目標(biāo)，其他硬度材質(zhì)均滿足目標(biāo)?？紤]工藝經(jīng)濟(jì)性，重點(diǎn)考慮采用板厚1.2mm&硬度HV450材質(zhì)。

裂紋判斷：板厚1.2mm &硬度HV450材質(zhì)的應(yīng)力云圖分布如圖10。邊緣最大Mises應(yīng)力1485Mpa<材料抗拉強(qiáng)度1500MPa，邊緣不會產(chǎn)生裂紋。中部最大Mises應(yīng)力1688Mpa>材料抗拉強(qiáng)度1500MPa，中部有產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險，但滿足設(shè)計要求。

根據(jù)上述分析，考慮工藝經(jīng)濟(jì)型設(shè)計初步定型，為滿足產(chǎn)品性能，產(chǎn)品的材質(zhì)屬性應(yīng)滿足表2。

3 工藝實(shí)現(xiàn)

熱成型產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的工藝流程如圖11。

卷料入廠后，落料采用600T級進(jìn)工裝進(jìn)行。通過成型性分析，考慮成本經(jīng)濟(jì)性，熱沖壓采用一模四腔、800T液壓機(jī)進(jìn)行。加熱采用滾底爐。通過一輪輪試制調(diào)試，鎖定工藝參數(shù)見表3。生產(chǎn)現(xiàn)場見圖11。

拋丸的目的主要是為了去除表面氧化皮。如果是涂層板，如鋁硅涂層，一般不會出現(xiàn)氧化皮，則不需要拋丸。本產(chǎn)品材質(zhì)非涂層，在熱成型過程中會產(chǎn)生一層氧化皮，對產(chǎn)品表面質(zhì)量及后期電泳會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以需要拋丸去除氧化皮。圖12拋丸前后的產(chǎn)品表面對比。

激光切割的目的主要是切具有高精度要求的搭接邊或者割位置度要求較高的安裝孔。鑒于降低成本、縮短工藝流程，設(shè)計階段需要與客戶討論明確產(chǎn)品的裝配關(guān)系，盡力避免采用激光切割工藝。對于普通的孔或邊，可考慮在落料片上實(shí)現(xiàn)或在熱沖壓模具中實(shí)現(xiàn)模內(nèi)熱切來替代激光切割。

是否涂防銹油是由空氣濕度和庫存周期決定的。非涂層板在較高濕度環(huán)境一般4-7天會生銹，所以對周轉(zhuǎn)率較低的產(chǎn)品一般都要涂防銹油。對長周期存放的產(chǎn)品，為防止防銹油揮發(fā)，需要密封起來，但存放周期一般也不超過90天。涂層板也需要對切口進(jìn)行涂防銹油處理。

4 試驗驗證

涉及產(chǎn)品性能的試驗包括四項：機(jī)械性能、硬度、低溫沖擊和三點(diǎn)彎。

4.1 熱成型件的機(jī)械性能

試片需要取自不同的區(qū)域，以反映產(chǎn)品的性能分布，并要求各區(qū)域均要達(dá)到目標(biāo)值。該產(chǎn)品的試片取樣位置在“m”型側(cè)壁，如圖13所示，用線切割方式每個側(cè)壁取3片，4個側(cè)壁合計取12片。測試均滿足要求。表4是其中一個側(cè)壁的三試片試驗數(shù)據(jù)。

4.2 硬度測量

為確保產(chǎn)品硬度均質(zhì)化，需要在不同區(qū)域不同斷面取點(diǎn)，如圖15所示，分布在5個特征面上、每個特征面上取9點(diǎn)，合計45點(diǎn)。圖16是硬度值分布，最小值HV455>HV450，即硬度滿足設(shè)計要求。

4.3 低溫沖擊試驗

試驗是在﹣38℃低溫下，落錘沖擊車門防撞桿。落錘重量160Kg，落錘高度1.3m，產(chǎn)品支撐跨距270mm。如圖17所示，試驗后產(chǎn)品僅塑性變形，邊緣無斷裂產(chǎn)生，試驗合格。

4.4 三點(diǎn)彎試驗

試驗是按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置支撐跨距825mm、壓頭半徑160mm、壓載速度1mm/s及位移100mm，進(jìn)行試驗，如圖18所示。圖19是獲取的三點(diǎn)彎試驗曲線與CAE分析、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的對比。

通過圖19的試驗曲線可以看出，產(chǎn)品的三點(diǎn)彎支反力值和吸能值在各個階段均滿足，最大支反力為19.4KN>14.2KN，發(fā)生在34mm位移時。表5是各位移點(diǎn)的支反力數(shù)值對比，可以看出CAE分析與實(shí)際試驗的最大誤差為8.62%，

為后續(xù)類似產(chǎn)品的設(shè)計提供了可信度參考。

5 結(jié)論

汽車零部件供應(yīng)商與客戶協(xié)同開發(fā)，一方面可以縮短開發(fā)周期，另一方面可以從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝路線上降低產(chǎn)品成本。在開發(fā)過程中，CAE仿真分析建模應(yīng)用以往經(jīng)驗的材質(zhì)屬性及邊界定義，可大幅提高仿真結(jié)果的可信度。最后通過產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)，證實(shí)產(chǎn)品的各項性能均已達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，也為類似產(chǎn)品開發(fā)提供了開發(fā)經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

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