22MnB5 熱成形門環(huán)試制工藝及缺陷分析

文/楊雪梅，黃得群，時(shí)丕見，姬大鵬，陳鵬·奇瑞商用車安徽有限公司

非涂層熱沖壓鋼22MnB5 的拼焊門環(huán)生產(chǎn)仍然有許多技術(shù)難點(diǎn)，目前還沒有量產(chǎn)車型應(yīng)用信息。本文通過(guò)非涂層熱成形鋼的試制生產(chǎn)，對(duì)試制工藝、各類缺陷進(jìn)行分析和整改，并對(duì)比前期工藝方案，用以指導(dǎo)非涂層熱成形門環(huán)的批量生產(chǎn)，對(duì)于降本和輕量化具有很大的借鑒意義。

近年來(lái)，由于安全法規(guī)和環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，以及客戶對(duì)于整車安全、舒適性和耐久性的期望也越來(lái)越高，越來(lái)越多超高強(qiáng)鋼熱成形工藝技術(shù)的應(yīng)用，有效提升了車身碰撞性能，減輕車身重量等。帶涂層的熱成形鋼因其涂層保護(hù)，目前廣泛應(yīng)用于直接成形的工藝生產(chǎn)中，比如A、B、C 柱、各類梁類件中。隨著越來(lái)越多的零件采用熱成形工藝，以及焊接技術(shù)的發(fā)展，一體式熱成形門環(huán)，以及雙門環(huán)的“安全籠”方案取代傳統(tǒng)多個(gè)零件，逐漸成為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的一個(gè)新趨勢(shì)，不僅可以增強(qiáng)汽車側(cè)碰性能，還可以有效應(yīng)對(duì)IIHS 的25%小角度偏置碰撞。

帶涂層熱成形門環(huán)通常采用直接沖壓工藝，免除后續(xù)的噴丸工序，零件尺寸精度控制較高。由于原材料、激光拼焊和模具等專利技術(shù)的限制，目前鋁硅涂層熱成形門環(huán)使用廣泛，但是成本較高，因此使用非涂層熱成形鋼如何去除和控制氧化皮就成為沖壓廠生產(chǎn)的技術(shù)核心，但目前非涂層熱成形鋼門環(huán)生產(chǎn)仍然有很多技術(shù)難點(diǎn)。

本文采用非涂層熱沖壓成形鋼22MnB5進(jìn)行激光拼焊門環(huán)的試制生產(chǎn)，對(duì)比前期4 個(gè)零件的工藝指標(biāo)，對(duì)試制工藝、缺陷分析和整改進(jìn)行討論，用以指導(dǎo)非涂層熱成形門環(huán)的批量生產(chǎn)。

試制材料和工藝

本文所采用的試制材料為某鋼廠已工業(yè)化生產(chǎn)的非涂層熱成形鋼，牌號(hào)為22MnB5。門環(huán)的毛坯材料為4塊落料片激光拼焊而成，厚度為1.2mm+1.4mm，其對(duì)比方案是采用傳統(tǒng)沖壓和焊接工藝生產(chǎn)的4 個(gè)零件，具體如圖1 所示。

試制開發(fā)通過(guò)10 道工序來(lái)實(shí)現(xiàn)熱成形門環(huán)的提樣，具體為落料→拼焊→加熱→沖壓→冷卻→切割→拋丸→校形→檢查→包裝，其中通過(guò)對(duì)加熱、沖壓和冷卻具體溫度和時(shí)間工藝窗口的多輪調(diào)整，實(shí)現(xiàn)全馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，并通過(guò)拋丸來(lái)有效去除氧化皮。

圖1 前期傳統(tǒng)方案和門環(huán)方案對(duì)比

試制結(jié)果分析

力學(xué)性能分析

材料性能首檢有3 處不合格，經(jīng)過(guò)多輪模具研合，模具保壓時(shí)間和冷卻速度的調(diào)試整改后，性能可以滿足要求，具體取樣位置如圖2 所示，性能指標(biāo)見表1。

缺陷分析和整改

通過(guò)對(duì)首輪樣件分析，共發(fā)現(xiàn)有以下幾類缺陷：起皺、開裂、壓傷、面不平和尺寸超差等。通過(guò)多輪調(diào)試和分析，發(fā)現(xiàn)原因主要有模具型面加工粗糙、模具沒有有效研合、成形沒有到底、定位不準(zhǔn)確、壓料力和間隙大小不合適等模具加工和生產(chǎn)制造問(wèn)題，也有前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)造型考慮不足導(dǎo)致的問(wèn)題等，首輪樣件如圖3 所示。

圖2 門環(huán)取樣位置示意圖

表1 多輪調(diào)試后的性能值

圖3 首輪樣件實(shí)物

圖4 多輪調(diào)試后樣件實(shí)物

在試制階段，通過(guò)模具型面研合、增加有效定位裝置和設(shè)備生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整等，基本上可以解決上述的缺陷問(wèn)題，型面符合率達(dá)到90%以上。多輪調(diào)試后樣件實(shí)物如圖4 所示。

方案對(duì)比

針對(duì)前期4 個(gè)零件開發(fā)的工藝方案和激光拼焊門環(huán)，從整車車身的零件數(shù)量，模具套數(shù)和重量、零件重量，模具價(jià)格和焊點(diǎn)數(shù)量等多維度來(lái)對(duì)比，具體見表2。

通過(guò)對(duì)門環(huán)各個(gè)落料片的焊縫位置調(diào)整和排樣優(yōu)化，材料利用率可以達(dá)到近76%。從表2 中可以看出，門環(huán)方案可以很大程度地減少零件和模具開發(fā)的數(shù)量，便于人員配置和項(xiàng)目管理。除了非涂層熱成形鋼的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯外，門環(huán)方案還能帶來(lái)額外的輕量化效果，比前期方案整車減輕3kg 以上。同時(shí)，模具整體開發(fā)費(fèi)用也有顯著降低，也省去了后續(xù)焊接和工裝夾具的開發(fā)。

表2 前期傳統(tǒng)工藝方案和門環(huán)方案效果對(duì)比

熱成形和冷成形在工藝方式、模具開發(fā)等方面有著明顯的不同，但是熱成形試制模具和量產(chǎn)模具在結(jié)構(gòu)上大部分相同，只在模具材料使用，生產(chǎn)效率控制元件上有明顯區(qū)別，比如冷卻方式，延時(shí)和頂料機(jī)構(gòu)等。

結(jié)論

⑴非涂層熱成形鋼激光拼焊門環(huán)的工藝方案在模具和工裝夾具開發(fā)上有相比傳統(tǒng)工藝方案明顯的優(yōu)勢(shì)。

⑵對(duì)于試制零件的缺陷分析和問(wèn)題整改，可以用于指導(dǎo)量產(chǎn)非涂層拼焊門環(huán)的生產(chǎn)，從而對(duì)降本、輕量化和安全綜合方面都有很大的借鑒意義。

⑶非涂層熱成形鋼激光拼焊門環(huán)除外觀質(zhì)量問(wèn)題外，零件還存在很大的回彈問(wèn)題，這在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上需要前期綜合考慮和優(yōu)化。