汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝研究

王建中

摘 要：隨著汽車逐漸普及到人們的生活中，鋼，特別是高強(qiáng)度鋼這一高強(qiáng)度材料作為汽車制造中的主要原材料，在汽車B柱這一車身支撐結(jié)構(gòu)類零件中應(yīng)用愈發(fā)廣泛。熱沖壓成形工藝作為一種主要適用于高強(qiáng)度鋼板的成形方式，在汽車B柱這一車身支撐結(jié)構(gòu)類零件的加工中得到了極大重視，并且該工藝發(fā)展迅猛。針對(duì)汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝進(jìn)行相關(guān)的研究有助于滿足汽車行業(yè)中對(duì)加工汽車B柱這一車身支撐結(jié)構(gòu)類零件的要求，也有利于研究高強(qiáng)度鋼的材料性能和熱沖壓工藝。

關(guān)鍵詞：汽車B柱;高強(qiáng)度鋼;熱沖壓工藝

1 高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝流程

高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝也被稱為熱成形技術(shù)或者沖壓硬化技術(shù)，是一種以處于紅熱階段的高強(qiáng)度鋼板料為原材料進(jìn)行沖壓加工最后成形的加工過程。熱沖壓加工過程中，首先需要計(jì)算原材料用量，并且下料等待加工，然后把下料好的高強(qiáng)度鋼在加熱設(shè)備中加熱處理，直到高強(qiáng)度鋼奧氏體化，此時(shí)加熱設(shè)備的加熱溫度處于880～950℃范圍之內(nèi)，最后將已經(jīng)奧氏體化的高強(qiáng)度鋼材料放到具有冷卻功能的模具上進(jìn)行材料成形加工。在這一過程中，模具表面會(huì)使高強(qiáng)度鋼材料鋼冷卻、淬火，出現(xiàn)相變，最后形成馬氏體。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究顯示，熱沖壓工藝可以將鋼強(qiáng)度從500～600 MPa提升到1 500 MPa，這就意味著通過熱沖壓工藝加工成形的汽車B柱的強(qiáng)度大幅提高，可以提升到原來強(qiáng)度的250%左右。因此熱沖壓工藝這一技術(shù)在汽車高強(qiáng)度鋼的成形過程中得到了廣泛推崇。

相比較于普通冷沖壓這一傳統(tǒng)加工方法，熱沖壓與之的區(qū)別和自身優(yōu)勢(shì)著重表現(xiàn)在三個(gè)方面。第一，熱沖壓工藝加熱后高強(qiáng)度鋼材料有著較小的變形抗力，良好的塑性，較高的成形極限，并且更加容易成形，以上優(yōu)點(diǎn)對(duì)于降低材料對(duì)成形設(shè)備和模具的要求有著重大推動(dòng)作用;第二，鑒于以超高強(qiáng)度鋼為原材料進(jìn)行加工制成的汽車零件強(qiáng)度非常高這一特點(diǎn)，這將對(duì)于提高車身的抗沖擊性能與疲勞能力，增加汽車的安全性等方面有著至關(guān)重要的作用;第三，由于高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝可以大大提升零件的強(qiáng)度和抗沖擊能力，這便從結(jié)構(gòu)上可以有效減少加強(qiáng)板數(shù)量，簡化車身結(jié)構(gòu)和零部件設(shè)計(jì)，大大推動(dòng)汽車行業(yè)向著車身輕量化這一發(fā)展目標(biāo)的邁進(jìn)。熱沖壓成形零部件在汽車的車身支撐結(jié)構(gòu)類零件如 B 柱，前后保險(xiǎn)杠，縱向承載梁等應(yīng)用十分廣泛，以汽車B柱高強(qiáng)度鋼成形為例，對(duì)熱沖壓工藝進(jìn)行研究探討，這樣有助于快速、精確地研究對(duì)熱沖壓工藝的成形規(guī)律以及傳熱規(guī)律，并且對(duì)于熱沖壓工藝的相關(guān)模具設(shè)計(jì)等關(guān)鍵性問題的分析與解決提供了新思路和解決方案。

2 汽車B柱熱沖壓工藝

汽車B柱高強(qiáng)度鋼成形時(shí)應(yīng)該綜合考慮到汽車B柱結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，例如頂部凸臺(tái)高，兩端存在深臺(tái)階等復(fù)雜難加工的結(jié)構(gòu)因素，還應(yīng)該考慮到汽車B柱加工中薄弱地區(qū)容易變形，在加工成形過程中容易起皺等問題和難點(diǎn)，目前針對(duì)汽車B柱高強(qiáng)度鋼成形的工藝流程包括拉延、修邊、沖孔、整形這四道工序。在對(duì)汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝進(jìn)行分析時(shí)借助計(jì)算機(jī)分析軟件按照確定參數(shù)值，數(shù)值模擬前期處理，數(shù)值結(jié)果分析三個(gè)步驟進(jìn)行研究。

2.1 確定參數(shù)值

借助三維建模軟件CATIA構(gòu)建汽車B柱的有限元模型便于后續(xù)研究分析。鑒于熱沖壓工藝部件的影響因素眾多，并且各個(gè)影響因素之間并非獨(dú)立，例如溫度、塑性等，所以在工程實(shí)踐中常用熱-力-相變耦合分析方法這一研究辦法。對(duì)高強(qiáng)度鋼材的模型建模時(shí)設(shè)定材料參數(shù)，鋼材厚度，加熱后最后溫度。在熱沖壓工藝加工前期，雖然模具溫度會(huì)由于和板料接觸逐漸上升，但是內(nèi)部的冷卻水道也會(huì)起到降溫冷卻作用，所以前期的模具溫度近似不變。對(duì)汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝進(jìn)行有限元模擬時(shí)，整個(gè)過程依次為加熱、傳輸、成形、淬火與冷卻。

2.2 數(shù)值模擬前期處理

對(duì)于汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝的數(shù)值模擬前期處理步驟依次為：模型導(dǎo)入，明確沖壓，壓料面設(shè)計(jì)，拉延筋設(shè)計(jì)，補(bǔ)充面設(shè)計(jì)這五部分。首先構(gòu)建汽車B柱有限元模型后，通過軟件對(duì)模型附加B柱高強(qiáng)度鋼這一屬性進(jìn)行模擬實(shí)物，將在CATIA中構(gòu)建的B柱有限元模型導(dǎo)入到Autoform軟件中，賦予彎曲加強(qiáng)膜單元類型分析B柱有限元模型;其次確定沖壓的具體方向，在明確參數(shù)值后確定沖壓方向，這一工序的確定原則應(yīng)該盡可能確保沖壓方向和其他工序方向一致，該步驟的目的在于減少翻轉(zhuǎn)次數(shù)有利于流水線作業(yè)，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間，保證模型制造質(zhì)量，其次在這一原則下確定沖壓方向也有利于緩解操作人員壓力，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

對(duì)于壓料面進(jìn)行設(shè)計(jì)的目的是便于板料成形，為了保證高強(qiáng)度鋼板料在熱加工成形過程中不會(huì)發(fā)生破損、開裂等問題。該工序需要結(jié)合考量B柱高強(qiáng)度鋼部件形狀以及壓料面設(shè)計(jì)理念，保證壓料面光滑，便于板料向凹模移動(dòng);對(duì)于拉延則是熱沖壓工藝的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，為了防止生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)破裂、頸縮、起皺，通過設(shè)計(jì)拉延筋的方式改善板料流動(dòng)狀態(tài)，提高部件流動(dòng)均勻性，進(jìn)一步保證B柱高強(qiáng)度鋼部件成形質(zhì)量;對(duì)于補(bǔ)充面設(shè)計(jì)工藝包括內(nèi)外兩部分。其中內(nèi)部工藝補(bǔ)充面作用為填補(bǔ)部件內(nèi)部孔洞、倒角;外部工藝補(bǔ)充面所起到的作用是按照設(shè)計(jì)出的特定拔模角度對(duì)壓料面和部件外輪廓線進(jìn)行連接。以上工序均可在Autoform軟件中模擬，對(duì)汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝進(jìn)行數(shù)值模擬前期處理。

2.3 數(shù)值結(jié)果分析

汽車B柱高強(qiáng)度鋼材料的表面硬度、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)等因素都直接關(guān)系到熱沖壓工藝的應(yīng)用性。有限元模擬設(shè)計(jì)的作用是通過汽車B柱的數(shù)值模擬結(jié)果分析，明確強(qiáng)度、硬度，板料抗壓性能等。數(shù)值分析和工程實(shí)踐均表明，汽車B柱高強(qiáng)度鋼進(jìn)行熱沖壓成形工藝后，整體厚度均勻，沒有發(fā)生破損、開裂、起皺等傳統(tǒng)加工常見的問題，除此之外，B柱硬度、強(qiáng)度都高于設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且產(chǎn)品成形的效果良好。

3 選擇熱沖壓工藝模具的注意事項(xiàng)

對(duì)于傳統(tǒng)的冷沖壓模具，在選擇時(shí)只需要考慮模具只負(fù)責(zé)部件成形的功能，但是對(duì)于汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝，因?yàn)槟＞叩墓δ芤环矫娣?wù)于部件成形，另一方面起到冷卻淬火的作用，所以對(duì)于熱沖壓工藝模具的選擇通常更復(fù)雜。因此在對(duì)汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝模具的選擇上需要更加注意，不僅從模具的材料選擇方面，還有模具設(shè)計(jì)方面都需要進(jìn)行更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匕芽?，只有這樣才能滿足模具既服務(wù)于部件成形，又要冷卻淬火的要求。

首先模具材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)要好，只有這樣才能夠促使鋼板和模具表面高效傳熱，并且發(fā)揮冷卻功能。其次模具材料熱導(dǎo)能力要高，并且硬度高、耐磨性能好、熱疲勞性能優(yōu)異，能夠始終在成形過程中保持尺寸穩(wěn)定、硬度良好，承擔(dān)加工過程中不可避免的磨損;除此之外，冷熱交替的工作狀態(tài)下應(yīng)該保持良好性能，不影響使用壽命。最后，模具材料防腐蝕性能要好，為避免內(nèi)部冷卻管道被銹蝕。目前國際上對(duì)于熱沖壓的模具材料的選擇通常以含有較高的Ni、Cr元素的材料優(yōu)先，選擇模具材料要符合實(shí)際需求，綜合考量熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱導(dǎo)能力，硬度，耐磨性能，熱疲勞性能，防腐蝕性能，使用壽命等多種因素，合理選擇模具材料。

雖然熱沖壓工藝具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是其回彈性差，這就對(duì)設(shè)計(jì)B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝的模具提出了新的要求——基于熱脹冷縮原理，讓冷卻系統(tǒng)更快速、均勻地進(jìn)行冷卻這道工序。因此 除了選擇模具材料的一系列要求之外，對(duì)于B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝的模具設(shè)計(jì)也應(yīng)該考慮系統(tǒng)密封性等外部因素。結(jié)合數(shù)值結(jié)果分析與數(shù)值設(shè)計(jì)，前期模擬模具等對(duì)B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝的模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，要保證管道效果。除此之外，熱沖壓工藝在成形部件設(shè)計(jì)、工藝調(diào)試等方面均具有獨(dú)特且鮮明的特點(diǎn)，這些都有可能對(duì)B柱成形均產(chǎn)生影響，所以仍需要針對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致分析。

4 結(jié)語

高強(qiáng)度鋼材料由于可以減輕車身重量，可以滿足碰撞的強(qiáng)度要求，以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在汽車的眾多結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用極為普遍，特別是汽車B柱。雖然高強(qiáng)度鋼具有極佳的強(qiáng)度，但是在普通冷沖壓成形時(shí)成形性能不佳，成形力大，回彈變形的控制難度高，存在拉裂缺陷等問題導(dǎo)致傳統(tǒng)的沖壓加工工藝無法對(duì)高強(qiáng)度鋼進(jìn)行加工。而目前只有熱沖壓成形工藝可以解決傳統(tǒng)沖壓成形工藝在高強(qiáng)度鋼加工領(lǐng)域的一系列問題，通過對(duì)汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝開展相關(guān)的研究發(fā)研究，從高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝流程，數(shù)值模擬分析、模具選擇等方面，對(duì)應(yīng)用熱沖壓工藝的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析研究，論述了應(yīng)用熱沖壓工藝的優(yōu)勢(shì)，特點(diǎn)以及合理性與科學(xué)性。汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝既可以滿足汽車行業(yè)熱成形零部件的性能和加工要求，又可以支撐國內(nèi)汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新、滿足安全碰撞要求，對(duì)汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝開展研究具有重要意義。

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