整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件開發(fā)

吳炳元，羅愛輝,2，張建,2

整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件開發(fā)

吳炳元1，羅愛輝1,2，張建1,2

（1. 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2. 汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201900）

目的 研究整體式超高強(qiáng)鋼門環(huán)對車身碰撞安全性能的影響，探索高性能超高強(qiáng)汽車用鋼制作整體式冷沖壓門環(huán)零件的可行性。方法 充分利用高性能超高強(qiáng)鋼的材料特性，設(shè)計(jì)開發(fā)整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、坯料制備、樣模開發(fā)、零件試制，研究門環(huán)零件焊縫優(yōu)化、閉環(huán)坯料拼焊、大尺寸模具調(diào)試等關(guān)鍵工藝技術(shù)。結(jié)果 整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件可以有效提高整車側(cè)面碰撞性能，增強(qiáng)抵御25%小偏置碰的能力，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減輕2%，回彈仿真精度達(dá)到75%。結(jié)論 這是對整體式超高強(qiáng)鋼門環(huán)零件的一次有益探索和嘗試，整體式超高強(qiáng)鋼門環(huán)較分體式門環(huán)在滿足相同碰撞安全要求前提下，具有結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)減重、降低模具數(shù)量和生產(chǎn)成本等優(yōu)勢，后續(xù)在零件回彈控制方面還需進(jìn)一步深入研究。

激光拼焊；門環(huán)；超高強(qiáng)鋼（UHSS）；冷沖壓

節(jié)能、安全和環(huán)保是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。歐洲材料協(xié)會(huì)調(diào)查表明，汽車質(zhì)量每減輕100 kg，可節(jié)省燃油6%～8%[1]，因此，設(shè)計(jì)和制造既節(jié)能又安全的汽車是汽車設(shè)計(jì)者不斷追求的目標(biāo)。采用高強(qiáng)度鋼板制造車身，是同時(shí)實(shí)現(xiàn)車體輕量化和提高碰撞安全性的有效途徑[2-3]。

如圖1所示，在傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，前門框內(nèi)設(shè)計(jì)有A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁等幾個(gè)零件，各個(gè)零件分別沖壓成形后，再通過點(diǎn)焊方式連接在一起，組成前門框內(nèi)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，用來承受來自車身前部的正面碰撞力和來自車身側(cè)面的側(cè)面碰撞力[4]，保證乘員艙的結(jié)構(gòu)不變形，進(jìn)而保護(hù)乘員安全，因此前門框的結(jié)構(gòu)是保障整車碰撞安全的關(guān)鍵部位。隨著汽車材料和成形技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，前門框的結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生變化，由最初的分體式環(huán)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)展至C字型環(huán)狀結(jié)構(gòu)，到目前最新的整體式封閉環(huán)結(jié)構(gòu)[5-7]，成形方式和用材也由最初的冷沖壓高強(qiáng)鋼，發(fā)展至目前最新的熱沖壓超高強(qiáng)鋼。整體式封閉門環(huán)是指將A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁設(shè)計(jì)成一個(gè)封閉的整體式零件，通過激光拼焊制作坯料，一次沖壓成形。整體式封閉結(jié)構(gòu)的門環(huán)零件，相對于多個(gè)小零件點(diǎn)焊合成的零件總成具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、尺寸相對穩(wěn)定、大幅度降低生產(chǎn)設(shè)備總噸位、減少工裝數(shù)量和制造成本、降低生產(chǎn)成本、減少生產(chǎn)準(zhǔn)備的匹配時(shí)間等優(yōu)勢，對整車碰撞安全和車身剛度都有積極的作用。目前熱沖壓整體式門環(huán)零件研究與開發(fā)已經(jīng)成為汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)[8-13]。

圖1 門環(huán)在白車身中的位置示意

2012年寶鋼在國際上率先開發(fā)并量產(chǎn)了第3代超高強(qiáng)鋼——QP鋼，又稱Q&P鋼或淬火延性鋼，該鋼種不僅具有超高強(qiáng)度，且具備較高伸長率，特別適用于生產(chǎn)外形相對復(fù)雜、強(qiáng)度要求較高的沖壓件。QP鋼充分利用超高強(qiáng)鋼板的塑性特性、加工硬化特性，可以更好地實(shí)現(xiàn)零件減重和車輛性能的優(yōu)化[14-15]。

文中以某車型轎車為例，應(yīng)用超高強(qiáng)鋼冷沖壓技術(shù)與激光落料、激光拼焊技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款整體式超高強(qiáng)QP鋼冷沖壓門環(huán)，有效提升了整車碰撞安全性能，特別是25%小偏置碰撞和側(cè)面碰撞，對超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件的開發(fā)具有較大的借鑒和指導(dǎo)意義。

1 零件設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在車型設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，對標(biāo)車采用的是分體式的前門內(nèi)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別由A柱、A柱上、B柱、門檻梁和A柱上邊梁5個(gè)零件組成，零件厚度及用材情況見表1，圖2為分體式結(jié)構(gòu)示意。

表1 對標(biāo)車分體式門環(huán)結(jié)構(gòu)信息表

Tab.1 Structure of split type door ring of benchmarking car

圖2 分體式前門框架結(jié)構(gòu)

為了既能滿足整車側(cè)碰安全要求，又能滿足零件成形性要求，利用QP鋼材料強(qiáng)度高、延伸性好的特點(diǎn)，選擇其作為超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件材料。

1.1 基于整車碰撞安全的零件厚度、強(qiáng)度設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2018版C-NCAP側(cè)碰標(biāo)準(zhǔn)較前一版的臺(tái)車質(zhì)量增加了450 kg，防撞梁中心高度增加了50 mm，碰撞能量增加了47.37%，因此對車身結(jié)構(gòu)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

基于整車側(cè)碰安全法規(guī)要求，開展了超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件設(shè)計(jì)。以整車側(cè)碰安全為優(yōu)化目標(biāo)，以門環(huán)零件各部位材料強(qiáng)度和厚度為變量，經(jīng)過5輪的材料強(qiáng)度與厚度優(yōu)化，整車側(cè)碰安全滿足五星要求，最終門環(huán)零件設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。整車側(cè)碰安全侵

表2 整體式冷沖壓門環(huán)材料與厚度信息

Tab.2 Material and thickness of integral cold forming door ring

入量分解指標(biāo)見表3，目標(biāo)值是按整車安全碰撞五星要求分解至各指標(biāo)項(xiàng)的數(shù)值，數(shù)值越小，表示整車側(cè)碰越安全。與對標(biāo)車的分體式結(jié)構(gòu)相比，考察整車側(cè)碰中B柱假人6處的侵入量和B柱最低侵入量，門環(huán)方案數(shù)據(jù)均優(yōu)于分體式方案。

1.2 基于零件可制造性分析（CAE）的零件拼焊縫及型面設(shè)計(jì)與優(yōu)化

整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件由于選用了QP980和QP1180這2種材料，同時(shí)零件上布置了5道焊縫，使零件可制造性分析難度很大。零件可制造性分析分為2個(gè)階段進(jìn)行。

第1階段，零件成形性控制。通過焊縫位置調(diào)整、零件特征及坯料尺寸優(yōu)化，在保證板料焊縫焊接可行性的基礎(chǔ)上，控制零件拉延工序的起皺開裂問題。原設(shè)計(jì)焊縫線距離產(chǎn)品圓弧太近，材料流動(dòng)過程焊縫受力大，容易造成焊縫開裂，需要調(diào)整優(yōu)化，圖3為焊縫調(diào)整的示意圖。

表3 分體式結(jié)構(gòu)與整體式門環(huán)結(jié)構(gòu)側(cè)碰B柱侵入量對比

Tab.3 Comparison of B-pillar intrusion between split structure and integral structure of door ring mm

圖3 焊縫位置調(diào)整示意

第2階段，零件回彈控制。材料強(qiáng)度高，回彈影響大，板料工作區(qū)域?qū)π兔娴挠绊懽畲罂蛇_(dá)30 mm，位于A柱下角部位置，如圖4所示。通過優(yōu)化零件型面和料片、調(diào)整工藝補(bǔ)充面、放大開裂或過度減薄

圖4 零件回彈分析結(jié)果示意

區(qū)域圓角、增加吸皺筋等手段，解決了拉延工序中起皺開裂等問題，最終優(yōu)化后的零件型面如圖5所示。經(jīng)計(jì)算，最終完成的整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件質(zhì)量為13.553 kg，較分體式結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少0.263 kg，質(zhì)量減輕了2%。

2 樣模開發(fā)與調(diào)試

零件試制需要經(jīng)過板料制備、樣模設(shè)計(jì)制作、模具調(diào)試、零件激光切割等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)。

2.1 環(huán)狀激光拼焊板料制備

不同于傳統(tǒng)的單焊縫激光拼焊料片，整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)零件板料是由5塊異形料通過5道不同方向的焊縫拼接而成，定位與焊接精度控制難度大。為了保證焊縫質(zhì)量及料片精度，開發(fā)了專用的大尺寸激光拼焊工裝夾具來實(shí)現(xiàn)5塊料片的定位、夾持，并采用曲線飛行焊機(jī)最終完成整張板料的激光焊接。圖6為激光拼焊夾具與料片的示意圖。

圖5 整體式超高強(qiáng)鋼門環(huán)零件CAE優(yōu)化示意

a 激光拼焊用夾具 b 激光拼焊后料片

2.2 樣模設(shè)計(jì)與制作

整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)是由多種料厚、多種強(qiáng)度的超高強(qiáng)鋼激光拼焊料片，經(jīng)冷沖壓成形制作而成，在樣模設(shè)計(jì)初期就要注意使用高強(qiáng)度材料，防止由于成形壓力過大而造成模具結(jié)構(gòu)性的損壞。

OP10拉延模具的上模和凸模受力大，均采用MoCr鑄鐵鑄造，上模的型面部分均按照量產(chǎn)模具標(biāo)準(zhǔn)使用Cr12MoV鋼塊拼接，受力比較小，均勻的壓邊圈采用常規(guī)HT300鑄造。OP20壓料整形模具主要針對OP10拉延未到位的部分進(jìn)行整形，并對零件回彈部分進(jìn)行一次修整。上模采用HT300，下模座、整形刀塊、壓料芯均用MoCr鑄鐵鑄造。OP30直接成形模具，為了更好地控制零件回彈。模具上下模同時(shí)受力，均采用Mocr鑄鐵鑄造。

2.3 樣模調(diào)試與出件

零件可制造性分析的成形載荷為1500 t，因此選擇在2000 t的壓機(jī)上進(jìn)行制件沖壓調(diào)試。根據(jù)前期CAE模擬分析及參數(shù)設(shè)定，對沖壓現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，CAE分析設(shè)置與模擬結(jié)果見圖7。由于制件成形復(fù)雜、模具尺寸大、坯料流入量多、板料焊接焊縫強(qiáng)度大等原因，沖壓非常困難，現(xiàn)場生產(chǎn)遇到大量的問題，如圖8所示。主要問題點(diǎn)及解決方案如下：① 零件局部區(qū)域開裂，最初零件試制時(shí)局部區(qū)域特別是圓角區(qū)域部位開裂，通過局部料片尺寸放大、模具壓邊圈螺釘孔邊緣光順處理等手段解決；② 料片焊縫開裂，由于焊縫質(zhì)量、模具表面等問題，造成料片焊縫

a 零件CAE分析工藝設(shè)置 b 零件CAE分析成形極限

a 零件調(diào)試開裂 b 料片焊縫打磨 c 零件壓邊位置起皺

開裂，可通過料片焊縫質(zhì)量控制、焊縫表面打磨、模具表面打磨等手段解決；③ 零件局部區(qū)域起皺嚴(yán)重，零件材料強(qiáng)度高，造成局部區(qū)域特別是壓邊區(qū)域起皺嚴(yán)重，通過增大模具壓邊力，優(yōu)化坯料邊界，有效降低局部區(qū)域起皺。

零件沖壓成形后，經(jīng)激光切邊切孔，最終形態(tài)如圖9所示。

3 樣件檢測

應(yīng)用三坐標(biāo)檢測裝備對零件進(jìn)行尺寸檢測，并與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示，實(shí)際零件回彈趨勢與CAE分析回彈部位趨勢一致，精度為75%左右。

圖9 激光切邊切孔后的零件示意

圖10 樣件檢測與仿真分析對比示意圖

4 結(jié)語

整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)是一款由多種料厚、多種強(qiáng)度的超高強(qiáng)鋼拼焊，經(jīng)冷沖壓成形的高難度復(fù)雜零件，是對門環(huán)零件設(shè)計(jì)、分析與試制方案的一次探索和創(chuàng)新。通過研究發(fā)現(xiàn)，超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)可以有效提高整車側(cè)面碰撞性能，增強(qiáng)抵御25%偏置碰的能力，5個(gè)零件合成整體式門環(huán)一個(gè)零件，也可大大降低模具的投入成本，CAE仿真分析技術(shù)可以有效地指導(dǎo)零件調(diào)試與回彈趨勢，但在回彈數(shù)值精確度上有待進(jìn)一步提升。隨著車身零件CAE分析技術(shù)的不斷完善及發(fā)展，整體式超高強(qiáng)鋼冷沖壓門環(huán)會(huì)越來越多地運(yùn)用到車身之中。

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Development of Integral Door Ring Parts with UHSS by Cold Forming

WU Bing-yuan1, LUO Ai-hui1,2, ZHANG Jian1,2

(1. Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 2. State Key Laboratory of Automotive Steel Development and Application Technology, Shanghai 201900, China)

The work aims to study the effects of integral door ring with UHSS on the crash safety performance of body and explore the feasibility of producing integral door ring parts with UHSS by cold forming. The high performance material properties of UHSS were made full use of to design and develop integral door ring with UHSS by cold forming. Through structure design, blank preparation, sampling die development, parts manufacture, key technologies such as weld optimization of door ring, tailor-welding of closed blank and debugging of large size die were studied. The results showed that the integral door ring with UHSS by cold forming could effectively improve the side impact performance of the vehicle. It enhanced the ability to resist 25% small offset impact, achieved weight reduction of 2%, and springback simulation accuracy of 75%. The research content of this project is a beneficial exploration and attempt of the integral door ring parts with UHSS. Further research on the part springback control is needed in the future.

laser welding of tailored blanks; door ring; ultra-high strength steel (UHSS); cold forming

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.018

TG389

A

1674-6457(2022)02-0117-06

2021-05-13

國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0304400）

吳炳元（1982—），男，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚢逭J(rèn)證、EVI、VAVE、LCA、新能源車整體解決方案。

羅愛輝（1976—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠嚢宄尚闻c應(yīng)用技術(shù)。