某汽車橫梁變強度熱成形工藝設計及有限元仿真

楊明　李慧　張建生

摘 要：針對某汽車橫梁零件，設計了變強度熱成形工藝方案并確定了相關工藝參數(shù)。通過有限元仿真的方法，對零件成形性、微觀組織、力學性能和回彈量進行了預測，結果表明：該汽車橫梁變強度熱成形零件成形性好，無開裂起皺風險;零件硬區(qū)組織以馬氏體為主，抗拉強度高于1500 Mpa;軟區(qū)組織以貝氏體為主，抗拉強度約為750 Mpa;過渡區(qū)寬度為14 mm～ 16 mm;回彈量最大回彈量為3.0 mm，該零件回彈量結果可用于指導后續(xù)的模具回彈補償。關鍵詞：變強度;熱成形;工藝設計;回彈;汽車橫梁中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-166-03

Abstract：?The hot forming process and parameters for automobile beam with variable strength are designed in this paper. Through simulation， the formability， microstructure， mechanical properties and spring back are predicted. The results show that there is no crack or wrinkle and the formability of this beams hot forming is good; martensite is predominate and the tensile strength is higher than 1500 Mpa in hard zone; in soft zone， bainite dominates and the tensile strength is about 750 Mpa; the transition zone is about 14-16mm; the spring back is about 3.0mm and simulation results can be used in subse?-quent die compensation.Keywords： Variable strength; Hot forming; Process design; Spring back; Automobile beamCLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-166-03

前言

近年來，隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，續(xù)航里程已成為卡住新能源汽車發(fā)展的重要瓶頸之一。為了解決該問題，一方面需要電池技術的突破，如提高電池能量密度;另一方面，也可通過降低整車質量實現(xiàn)新能源汽車續(xù)航里程的增加[1-2]。因此有關汽車輕量化的研究在汽車行業(yè)內(nèi)越來越熱門;其中，使用變強度熱成形工藝制造超高強鋼零件不僅可以降低汽車質量，還能通過設計零件的強度變化，提高車輛的安全性能[3-4]。故變強度熱成形工藝在汽車白車身制造行業(yè)的應用將越來越廣泛、越來越普遍。因此，研究變強度熱成形工藝對汽車白車身制造有重要指導和參考作用。

本文以某汽車橫梁為例，完成了變強度熱成形工藝設計，并通過有限元仿真分析驗證了工藝設計的合理性，保證成形零件符合設計要求。對零件回彈量進行了預測，為模具回彈補償提供指導，縮短模具開發(fā)周期。

1 變強度熱成形工藝設計

如圖1所示是某汽車橫梁變強度熱成形零件，零件材料為超高強度鋼22MnB5，厚度1.5mm。根據(jù)設計要求，零件被分為硬區(qū)和軟區(qū)，硬區(qū)抗拉強度超過1500MPa，其微觀組織應為馬氏體;軟區(qū)抗拉強度約為700MPa，其微觀組織應以貝氏體為主[5]。根據(jù)零件設計要求，設計該汽車橫梁變強度熱成形工藝并建立有限元仿真模型如圖2所示，采用“上模+上壓料板+下模”的拉延成形工藝，成形模具被分為低溫區(qū)和高溫區(qū)。研究表明[6-7]，為了保證零件硬區(qū)完成馬氏體組織轉變，相應的低溫區(qū)模具溫度約為100℃;為了保證完成貝氏體組織轉變，高溫區(qū)模具溫度應至少高于馬氏體組織轉變起始溫度?425℃，通常為500℃～550℃。因此，設計變強度熱成形低溫區(qū)模具溫度為100℃，高溫區(qū)模具溫度為550℃。根據(jù)實際生產(chǎn)條件確定其它工藝參數(shù)如下：采用輥底爐加熱板料至950℃，并保溫傳遞至沖壓成形工位處;為減少板料傳遞過程中的熱量散失，采用雙機械手同時完成取件和上料動作，故板料傳遞時間為2s;采用高速沖壓壓力機，從壓力機啟動至快速下降再到完成沖壓成形的全過程時間為2s;通過有限元仿真模擬計算，獲得上壓料板的壓料力為250 kN，保壓力為1000 kN，保壓時間為8s。

2 有限元仿真結果

基于上述工藝方案設計與工藝參數(shù)，采用有限元分析軟件Autoform R6熱成形模塊對該汽車橫梁變強度熱成形零件進行有限元仿真。如圖3為有限元仿真成形性結果，圖4為減薄率結果。從圖3成形性結果來看，成形后零件主體部分為成形安全，零件邊緣兩側為大平面區(qū)域，因其本身塑性變量少，故呈現(xiàn)成形不足，但不影響零件質量。零件局部凸凹狀型面部分存在可能起皺的風險需要進一步分析驗證。從圖4減薄率來看，零件最大減薄率為-0.19，不存在開裂缺陷;圖3中可能起皺的區(qū)域，最大增厚率為0.03，小于0.05，起皺風險較低。因此可判斷，在該工藝設計方案和工藝參數(shù)條件下，零件成形性較好，無開裂起皺風險。

如圖5、圖6分別為成形零件微觀組織馬氏體含量和貝氏體含量預測結果，圖7為零件抗拉強度預測結果。有限元仿真結果顯示，零件成形后，硬區(qū)主體部分的微觀組織為馬氏體，馬氏體含量可達100%，抗拉強度約為1500 Mpa～1550 Mpa;零件軟區(qū)主體部分的微觀組織為貝氏體，貝氏體含量可達100%，抗拉強度約為740 Mpa～760 Mpa;分別以硬區(qū)90%馬氏體含量線和軟區(qū)90%貝氏體含量線為分界線，測得零件過渡區(qū)寬度約為14 mm～16 mm，過渡區(qū)零件抗拉強度約為920 Mpa～1250 Mpa。

如圖8為零件成形后的回彈預測結果。從圖8可以看出，該汽車橫梁變強度熱成形零件平面部分回彈量較大，回彈量在2.0 mm～3.0 mm范圍內(nèi)波動，需要進行回彈補償;零件側壁回彈量較小，回彈量在0.25 mm～0.45 mm范圍內(nèi)波動。值得注意的是，零件硬區(qū)軟區(qū)回彈量及分布規(guī)律未見顯著差異。該結果可用于指導后續(xù)有關回彈補償?shù)男弈９ぷ鳌?/p>

3 結論

（1）針對某汽車橫梁變強度熱成形零件，設計了“上模+上壓料板+下模”的拉延成形工藝方案，確定了具體的成形工藝參數(shù)，如板料加熱溫度為950℃、坯料轉移時間2s，壓料力為250kN，保壓力為1000kN，保壓時間為8s，變強度熱成形低溫區(qū)模具溫度為100℃，高溫區(qū)模具溫度為550℃等。

（2）通過有限元仿真的方法，對該零件進行數(shù)值模擬仿真，仿真結果顯示零件成形質量好，無開裂或起皺風險;對零件微觀組織、力學性能、過渡區(qū)寬度、回彈量等進行了預測，有利于對零件質量進行判斷或指導后續(xù)模具回彈補償工作。

參考文獻

[1] 譚妍瑋.純電動汽車輕量化途徑研究[J].汽車實用技術，2019（24）：8-?9+25.

[2] Merklein M，Johannes M，Lechner M，et al.A review on tailored blanks-Production，applications and evaluation[J].Journal of?Materi?-als?Processing Technology， 2014，214：151-164.

[3] 譚方培.高強鋼熱沖壓成形中的相變模型及應用研究[D]哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學，2016.

[4] 朱敏，姬琳，葉輝.考慮側碰的汽車B柱加強板材料性能梯度優(yōu)化[J].吉林大學學報（工學版）， 2011，41（5）：1210-1215.

[5] 盈亮，戴明華，胡平，范正帥，申國哲，史棟勇.高強度熱成形鋼板冷卻速率-強度-硬度預測[J].吉林大學學報（工學版），2014，44（06）：?1716-1722.

[6] 黃超群.模具溫度對汽車B柱變強度熱成形零件過渡區(qū)的影響[J].鍛壓技術，2019，44（07）：52-57.

[7] 周杰，談順強，陳業(yè)均，李民.汽車后縱梁變強度熱成形工藝[J].鍛壓技術，2019，44（11）：32-38.