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(huì)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(qiáng)度鋼板來幫助減輕汽車質(zhì)量，同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度下沖壓件回彈與模具磨損等問題，熱壓成型高強(qiáng)度鋼及其成型工藝和應(yīng)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，凡是達(dá)到U-NCAP碰撞4星或5星級(jí)水平的乘用車型，其安全件（A/B/C柱、保險(xiǎn)杠、防撞梁等）多采用抗拉強(qiáng)度為1500 MPa、屈服強(qiáng)度為1200MPa的熱成型高強(qiáng)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(dá)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(dá)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(jí)階段[1]。

本文以某款車型B柱板熱壓成型為例，對(duì)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(diǎn)是在板料上存在一個(gè)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(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致板料的應(yīng)力場也發(fā)生變化，同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度，此過程被稱為“沖壓硬化”技術(shù)[4]。

實(shí)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(shí)間后直接進(jìn)行成型及淬火。其優(yōu)點(diǎn)為：板料在一套模具中進(jìn)行成型及淬火，節(jié)省了預(yù)成型模具費(fèi)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(diǎn)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(jì)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(jìn)行預(yù)成型，然后加熱到奧氏體化溫度，保溫一段時(shí)間后進(jìn)行最終成型及淬火[5]。其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)度鋼板為含硼合金鋼，其常溫下強(qiáng)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(qiáng)度可達(dá)到1500 MPa，如圖3所示。

3 熱壓成型板應(yīng)用研究

3.1 方案對(duì)比分析

為了解熱壓成型工藝在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，對(duì)某款車型B柱板的冷壓成型方案和熱壓成型方案進(jìn)行對(duì)比分析，2種成型方案對(duì)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(qiáng)度板，板件沖壓深度較深，成型易開裂；件1強(qiáng)度不足，將直接導(dǎo)致車身側(cè)碰性能不能達(dá)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(duì)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(shí)減輕4.788 kg，另外左、右B柱各節(jié)省了3個(gè)模具。

表1 2種成型方案的B柱質(zhì)量對(duì)比結(jié)果

3.2 成本對(duì)比分析

為確認(rèn)熱壓成型方案的可行性，根據(jù)沖壓工序排布情況、板材價(jià)格、模具成本及臺(tái)數(shù)分?jǐn)傤A(yù)算、加工費(fèi)用及板件物流費(fèi)等對(duì)2種成型方案的成本進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表2。

由表2可知，當(dāng)該B柱采用冷壓成型方案時(shí)，由于其左、右共設(shè)計(jì)8個(gè)件，單臺(tái)車合計(jì)成本為363.37；采用熱壓成型方案后，B柱左、右共設(shè)計(jì)2個(gè)件，單臺(tái)車合計(jì)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(duì)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(duì)2種成型方案在側(cè)碰時(shí)的Y向侵入量進(jìn)行對(duì)比分析。約束條件為總成單點(diǎn)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(jì)算結(jié)果

碰撞分析主要衡量指標(biāo)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(shí)間段對(duì) B 柱 Y 向的侵入量進(jìn)行測算，2種成型方案計(jì)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(shí)，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(shí)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(duì)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(duì)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(jìn)行了對(duì)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(jìn)而驗(yàn)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(jì)技術(shù)高級(jí)培訓(xùn)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(qiáng)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(qiáng)度鋼熱成型技術(shù).汽車技術(shù)，2010（8）：56～60.