汽車熱壓成型板研究與應(yīng)用

鄧本波 魯后國 唐程光

（江淮汽車技術(shù)中心）

1 前言

目前，降低汽車燃料消耗、減少CO2和廢氣排放是社會的主要需求，為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，鋼鐵業(yè)已開發(fā)出多種高強度鋼板來幫助減輕汽車質(zhì)量，同時提高汽車的安全性。其中，熱壓成型板以其高減重潛力、高碰撞吸收能、高疲勞強度、高成型性及低平面各向異性等優(yōu)勢[2，3]成為汽車工業(yè)輕量化的主要材料。為兼顧輕量化與碰撞安全性及避免高強度下沖壓件回彈與模具磨損等問題，熱壓成型高強度鋼及其成型工藝和應(yīng)用技術(shù)應(yīng)運而生。目前，凡是達到U-NCAP碰撞4星或5星級水平的乘用車型，其安全件（A/B/C柱、保險杠、防撞梁等）多采用抗拉強度為1500 MPa、屈服強度為1200MPa的熱成型高強度鋼。熱壓成型工藝在國外特別是歐洲得到廣泛應(yīng)用，如大眾系列車型中熱沖壓零件使用比例達10%以上；FIAT擬在后續(xù)車型中使用16%以上的熱沖壓零件；VOLVO后續(xù)新車型使用的熱沖壓零件將達5%以上。而我國汽車工業(yè)中熱沖壓零件的應(yīng)用還處于初級階段[1]。

本文以某款車型B柱板熱壓成型為例，對比分析了熱壓成型板與冷壓成型板在部件數(shù)量、質(zhì)量、成本及性能等方面的差異。

2 熱壓成型加工工藝

2.1 理論基礎(chǔ)

與傳統(tǒng)的冷壓成型工藝相比，熱壓成型工藝的特點是在板料上存在一個不斷變化的溫度場，如圖1所示。在溫度場的影響下，板料的基體組織和力學性能發(fā)生變化，導致板料的應(yīng)力場也發(fā)生變化，同時板料的應(yīng)力場變化又反作用于溫度場，所以熱壓成型工藝是板料內(nèi)部溫度場與應(yīng)力場共存且相互耦合的變化過程。

2.2 加工工藝

熱壓成型加工工藝過程如圖2所示。首先將常溫下強度為 400～600 MPa的硼合金鋼板加熱到880～950℃，使之均勻奧氏體化，然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成型，最后快速冷卻，將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使沖壓件得到硬化，大幅提高強度，此過程被稱為“沖壓硬化”技術(shù)[4]。

實際生產(chǎn)中，熱壓成型工藝又分為直接成型工藝和間接成型工藝。直接成型工藝是指板料加熱到奧氏體化溫度，保溫一段時間后直接進行成型及淬火。其優(yōu)點為：板料在一套模具中進行成型及淬火，節(jié)省了預(yù)成型模具費用并加快了生產(chǎn)節(jié)奏；板料加熱前為平板料，不僅可節(jié)省加熱區(qū)面積和能源，而且可選取多種加熱方式。其缺點是：復(fù)雜形狀的零部件成型困難，且模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計更復(fù)雜，需要增加激光切割設(shè)備等。間接成型工藝是指板料先經(jīng)過冷壓工藝進行預(yù)成型，然后加熱到奧氏體化溫度，保溫一段時間后進行最終成型及淬火[5]。其優(yōu)點為：可成型復(fù)雜形狀的零部件；板料預(yù)成型后，后續(xù)熱壓成型工藝不需要考慮板料高溫成型性能，可確保板料完全淬火得到所需要的馬氏體組織；板料預(yù)成型后可進行修邊、翻邊、沖孔等加工，避免板料淬火硬化后加工困難等問題。

目前，應(yīng)用較廣的汽車用熱壓成型高強度鋼板為含硼合金鋼，其常溫下強度為400～600 MPa，經(jīng)加熱后其伸長率由20%上升至70%左右，熱壓成型后其抗拉強度可達到1500 MPa，如圖3所示。

3 熱壓成型板應(yīng)用研究

3.1 方案對比分析

為了解熱壓成型工藝在實際工程中的應(yīng)用情況，對某款車型B柱板的冷壓成型方案和熱壓成型方案進行對比分析，2種成型方案對比如圖4所示。

經(jīng)分析，冷壓成型方案存在以下問題：結(jié)構(gòu)部件較多，增加車身質(zhì)量；件1和件2材料均為B410LA的高強度板，板件沖壓深度較深，成型易開裂；件1強度不足，將直接導致車身側(cè)碰性能不能達到要求。

熱壓成型方案取消了件2～件4，件1材料由B410LA改為B1500HS，部件厚度不變。2種成型方案的B柱質(zhì)量對比見表1。由表1可知，采用熱壓成型方案后，左、右B柱板質(zhì)量比冷壓成型方案時減輕4.788 kg，另外左、右B柱各節(jié)省了3個模具。

表1 2種成型方案的B柱質(zhì)量對比結(jié)果

3.2 成本對比分析

為確認熱壓成型方案的可行性，根據(jù)沖壓工序排布情況、板材價格、模具成本及臺數(shù)分攤預(yù)算、加工費用及板件物流費等對2種成型方案的成本進行了計算，結(jié)果見表2。

由表2可知，當該B柱采用冷壓成型方案時，由于其左、右共設(shè)計8個件，單臺車合計成本為363.37；采用熱壓成型方案后，B柱左、右共設(shè)計2個件，單臺車合計成本為302.28元。熱壓成型方案比冷壓成型方案可節(jié)省61.09元。

3.3 性能對比分析

由于B柱板結(jié)構(gòu)直接影響側(cè)碰性能，因而采用相同約束邊界條件對2種成型方案在側(cè)碰時的Y向侵入量進行對比分析。約束條件為總成單點約束，零件間約束梁單元連接，碰撞塊為500 kg剛性質(zhì)量塊，碰撞速度為12 km/h。

表2 2種成型方案成本計算結(jié)果

碰撞分析主要衡量指標為B柱處Y向最大變形量和最終變形量。在碰撞分析過程中，分別在50 ms、100 ms、200 ms、300 ms時間段對 B 柱 Y 向的侵入量進行測算，2種成型方案計算結(jié)果見圖5。由圖5可看出，最大變形量出現(xiàn)在100 ms時，冷壓成型方案最大變形量約為128 mm，熱壓成型方案約為116 mm；冷壓成型方案最終變形量約為88 mm，熱壓成型方案約為37 mm。

由模擬分析可知，該B柱采用熱壓成型方案時的最大變形量和最終變形量均比冷壓成型方案有較大改善，說明熱壓成型方案可提高B柱結(jié)構(gòu)性能。

4 結(jié)束語

通過對汽車用熱壓成型板的應(yīng)用研究，分析了熱壓成型板成型加工工藝。針對某款車型B柱板的熱壓成型方案和冷壓成型方案，在部件數(shù)量、部件質(zhì)量、成本、性能等方面進行了對比分析。結(jié)果表明，熱壓成型方案在各方面均優(yōu)于冷壓成型方案，進而驗證了熱壓成型方案在該款車型B柱上應(yīng)用的可行性。

1 張式程.汽車輕量化技術(shù)及其發(fā)展趨勢.汽車輕量化設(shè)計技術(shù)高級培訓講義，2011.

2 Heller T， End B， Ehrhardt B，et al.New High Strength Steels Production，Properties&Applications.40th MWSP ConfrPoc， ISS， 1998.25234.

3 Shi M F，Thomas G H，Chen X M.Formability PerformanceComparison Between Dual Phase and HSLA Steels.43th MWSP Conf Proc.ISS， 2001， 1652174.

4 谷諍巍，單忠德，徐虹.汽車高強度鋼板沖壓件熱成型技術(shù)研究.模具工業(yè)，2009，35（4）：27～29.

5 高云凱，高大威，余海燕，等.汽車用高強度鋼熱成型技術(shù).汽車技術(shù)，2010（8）：56～60.