差厚板熱成形B柱仿真分析及試驗研究

李 松，張海龍

（長城汽車股份有限公司 技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

0 引 言

高強鋼板熱成形技術(shù)作為汽車輕量化的重要途徑，近幾年在汽車行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，熱沖壓制件的應(yīng)用范圍已經(jīng)從傳統(tǒng)的中高檔車型拓展到低檔車型[1]，與此同時，熱成形技術(shù)也有了較大發(fā)展，拼焊板、補丁板、熱成形冷熱分區(qū)等先進技術(shù)應(yīng)運而生，并逐漸應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)。差厚板熱成形技術(shù)是在激光拼焊板和補丁板的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，將不等厚的板料整體加熱到930～950℃保溫，然后在模具內(nèi)完成沖壓及淬火，既克服了激光拼焊板焊縫缺陷問題又避免了補丁板焊點虛焊、鍍層析出、焊點開裂等問題[2]。

高強鋼沖壓性能隨著強度增高而降低，強度越高成形越困難，B柱這種復(fù)雜的高強度零件使用冷沖壓不能成形，只能采用熱沖壓成形[3]。B柱作為汽車重要的安全部件，除了抵抗外部的沖擊還要保證駕駛艙的完整性，要求中間區(qū)域強度高，而頂端和底端需要吸收汽車受到?jīng)_擊時的能量以保證駕乘人員的安全，因而需要相對較低的強度[4]。因此B柱差厚板熱成形技術(shù)應(yīng)運而生，相比傳統(tǒng)的熱成形技術(shù)可降低4.8 kg的整車質(zhì)量，具有較高的經(jīng)濟性。差厚板熱成形技術(shù)的難點是板料厚度不一致，制件淬火冷卻速度不均勻?qū)е埋R氏體轉(zhuǎn)化率不一致，影響制件的抗拉強度和硬度，不能滿足整車強度設(shè)計標準。

1 制件結(jié)構(gòu)

某車型差厚板熱成形B柱如圖1所示，材料厚度變化區(qū)間為1.4～2.2 mm，材質(zhì)為22MnB5，線體機床壓力為12 000 kN，要求成形后制件剛度大于450 HV，抗拉強度大于1 300 MPa。

2 有限元模型建立

使用AutoForm R8建立差厚板熱成形有限元分析模型，其中板料模型如圖2所示，板料厚度分為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 mm，板料由廠家軋制而成，既避免了補丁板焊點缺陷又避免了傳統(tǒng)激光拼焊板焊縫帶來的缺陷。

圖2 板料形狀尺寸

由于B柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用凸模和凹模直接壓合成形時，B柱大端和小端位置馬氏體轉(zhuǎn)化不充分，靠近大端位置產(chǎn)生褶皺，制件無法成形，因而采用圖3所示工藝方案，成形過程是壓邊圈和凹模首先閉合，然后壓料芯1和壓料芯2閉合，最后凸模和凹模閉合。

圖3 差厚板B柱熱成形有限元模型

由于板料加熱后延展性提高、強度降低，為了防止板料開裂，按照1.1t（料厚）設(shè)置板料間隙[5]，壓邊圈和凹模采用間隙控制，間隙設(shè)為2 mm；壓料芯1和凸模采用間隙控制，間隙設(shè)為1.5 mm；壓料芯1和壓料芯2分別與凸模采用間隙控制，間隙都設(shè)為1.5 mm。

3 工藝參數(shù)設(shè)定及優(yōu)化

3.1 工藝參數(shù)設(shè)定

22MnB5差厚板熱成形按照板料溫度變化可以分為4個階段：加熱保溫階段、轉(zhuǎn)移及等待合模階段、快速成形階段和保壓淬火階段。板料在加熱保溫階段需要設(shè)置合適的加熱曲線和保溫時間，使板料充分奧氏體化，同時需要避免保溫時間過長導(dǎo)致奧氏體晶粒長大，設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，換熱系數(shù)為 0.075 mW/(mm2·K)。

在轉(zhuǎn)移和合模等待過程中，板料主要與周圍空氣進行對流和輻射換熱，設(shè)置轉(zhuǎn)移時間為6 s，板料在模具中等待時間為2 s，環(huán)境溫度為25℃，換熱系數(shù)為0.075 mW/(mm2·K)，轉(zhuǎn)移及等待導(dǎo)致板料溫度下降約140℃（板料加熱溫度為950℃），板料入模溫度約為810℃，模具本體溫度為150℃。

成形過程中，板料除了與空氣進行換熱外，還與模具產(chǎn)生接觸換熱，設(shè)定板料與模具的接觸換熱系數(shù)為3.5 mW/(mm2·K)。

保壓淬火過程中，板料主要與模具零件接觸換熱，設(shè)定保壓壓力為2 500 kN，保壓淬火時間為10 s。另外，設(shè)定板料與模具零件之間的熱摩擦因數(shù)為0.45，沖壓速度為100 mm/s，CAE分析參數(shù)如表1所示。

表1 CAE分析參數(shù)

基于以上工藝參數(shù)進行成形過程仿真分析，馬氏體轉(zhuǎn)化率靠近大端位置最低為76.46%，如圖4所示，與之對應(yīng)的制件抗拉強度最小為1 076 MPa，不能滿足抗拉強度≥1 300 MPa要求，如圖5所示；制件硬度最低為364.7 HV，如圖6所示，不能滿足制件硬度＞450 HV的要求。

圖4 優(yōu)化前馬氏體轉(zhuǎn)化率

圖5 優(yōu)化前制件抗拉強度

圖6 優(yōu)化前制件硬度HV

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

考慮B柱大端位置厚度為1.4 mm，壓料芯和凸模間隙為1.5 mm，制件與壓料芯間隙偏大影響制件淬火降溫速率，有研究表明[6]當冷卻速度＞30 K/s時，鋼板直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。為提高大端位置溫度降低速率，將壓料芯與凸模間隙調(diào)整為0.5 mm，同時將保壓時間調(diào)整為14 s，重新進行仿真分析。分析結(jié)果顯示：制件馬氏體轉(zhuǎn)換率提升24%達到100%，如圖7所示；制件抗拉強度最小值由1 076 MPa提高到1 337 MPa，如圖8所示；制件最小硬度由364.7 HV提高到455.8 HV，如圖9所示。

圖7 優(yōu)化后馬氏體轉(zhuǎn)化率

圖8 優(yōu)化后制件抗拉強度

圖9 優(yōu)化后制件硬度HV

成形后制件最大厚度為2.126 mm，最小厚度為1.38 mm，如圖10所示，最大減薄率為12.8%，如圖11所示，制件厚度和最大減薄率均在標準范圍內(nèi)（22MnB5熱成形要求制件減薄率控制在-15%內(nèi)）。

圖10 成形后板料厚度分布

圖11 成形后料厚減薄率

4 差厚板熱成形試驗研究

按照上述工藝方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計并設(shè)計模具，差厚板熱成形工藝試驗按照優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行試壓，首先將板料在加熱爐中加熱至930℃，保溫3 min，然后將板料轉(zhuǎn)移至熱成形模具中，轉(zhuǎn)移時間控制在5 s內(nèi)，完成成形和淬火，保壓壓力為2 500 kN，保壓時間為14 s，成形后制件無起皺開裂等問題。對熱成形制件按圖12所示位置進行取樣，并按圖13加工拉伸試樣進行拉伸試驗。

圖12 差厚板熱成形B柱取樣位置

圖13 拉伸試樣

在電子萬能試驗機上分別對原板料和成形制件上4個試樣進行拉伸試驗，拉伸后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，經(jīng)過熱成形工藝加工后，材料的抗拉強度得到大幅提高，但延伸率大幅降低，選取試樣抗拉強度均大于1 300 MPa，滿足整車設(shè)計要求。

表2 熱成形制件抗拉強度及延伸率

5 結(jié)束語

通過對差厚板熱成形B柱進行仿真分析，模擬板料加熱、轉(zhuǎn)移、成形、保壓淬火整個過程，結(jié)合仿真結(jié)果對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

（1）確定制件最優(yōu)的工藝參數(shù)為：制件大端位置壓料芯與凸模間隙設(shè)置為0.5 mm，保壓壓力為2 500 kN，保壓時間為14 s。

（2）仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致，實際成形制件抗拉強度均大于1 300 MPa，硬度大于450 HV，滿足制件設(shè)計要求。

（3）差厚板熱成形制件的馬氏體轉(zhuǎn)化率與模具零件間隙、淬火冷卻速率、保壓時間有直接關(guān)系，進行工藝參數(shù)優(yōu)化時需要重點關(guān)注。