B柱高強度鋼熱沖壓工藝流程

1 高強度鋼熱沖壓工藝流程

高強度鋼熱沖壓工藝也被稱為熱成形技術(shù)或者沖壓硬化技術(shù)，是一種以處于紅熱階段的高強度鋼板料為原材料進行沖壓加工最后成形的加工過程。熱沖壓加工過程中，首先需要計算原材料用量，并且下料等待加工，然后把下料好的高強度鋼在加熱設(shè)備中加熱處理，直到高強度鋼奧氏體化，此時加熱設(shè)備的加熱溫度處于880～950℃范圍之內(nèi)，最后將已經(jīng)奧氏體化的高強度鋼材料放到具有冷卻功能的模具上進行材料成形加工。在這一過程中，模具表面會使高強度鋼材料鋼冷卻、淬火，出現(xiàn)相變，最后形成馬氏體。相關(guān)實驗研究顯示，熱沖壓工藝可以將鋼強度從500～600 MPa提升到1 500 MPa，這就意味著通過熱沖壓工藝加工成形的汽車B柱的強度大幅提高，可以提升到原來強度的250%左右。因此熱沖壓工藝這一技術(shù)在汽車高強度鋼的成形過程中得到了廣泛推崇。

相比較于普通冷沖壓這一傳統(tǒng)加工方法，熱沖壓與之的區(qū)別和自身優(yōu)勢著重表現(xiàn)在三個方面。第一，熱沖壓工藝加熱后高強度鋼材料有著較小的變形抗力，良好的塑性，較高的成形極限，并且更加容易成形，以上優(yōu)點對于降低材料對成形設(shè)備和模具的要求有著重大推動作用；第二，鑒于以超高強度鋼為原材料進行加工制成的汽車零件強度非常高這一特點，這將對于提高車身的抗沖擊性能與疲勞能力，增加汽車的安全性等方面有著至關(guān)重要的作用；第三，由于高強度鋼熱沖壓工藝可以大大提升零件的強度和抗沖擊能力，這便從結(jié)構(gòu)上可以有效減少加強板數(shù)量，簡化車身結(jié)構(gòu)和零部件設(shè)計，大大推動汽車行業(yè)向著車身輕量化這一發(fā)展目標(biāo)的邁進。熱沖壓成形零部件在汽車的車身支撐結(jié)構(gòu)類零件如 B 柱，前后保險杠，縱向承載梁等應(yīng)用十分廣泛，以汽車B柱高強度鋼成形為例，對熱沖壓工藝進行研究探討，這樣有助于快速、精確地研究對熱沖壓工藝的成形規(guī)律以及傳熱規(guī)律，并且對于熱沖壓工藝的相關(guān)模具設(shè)計等關(guān)鍵性問題的分析與解決提供了新思路和解決方案。

2 汽車B柱熱沖壓工藝

汽車B柱高強度鋼成形時應(yīng)該綜合考慮到汽車B柱結(jié)構(gòu)上的特點，例如頂部凸臺高，兩端存在深臺階等復(fù)雜難加工的結(jié)構(gòu)因素，還應(yīng)該考慮到汽車B柱加工中薄弱地區(qū)容易變形，在加工成形過程中容易起皺等問題和難點，目前針對汽車B柱高強度鋼成形的工藝流程包括拉延、修邊、沖孔、整形這四道工序。在對汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝進行分析時借助計算機分析軟件按照確定參數(shù)值，數(shù)值模擬前期處理，數(shù)值結(jié)果分析三個步驟進行研究。

2.1 確定參數(shù)值

借助三維建模軟件CATIA構(gòu)建汽車B柱的有限元模型便于后續(xù)研究分析。鑒于熱沖壓工藝部件的影響因素眾多，并且各個影響因素之間并非獨立，例如溫度、塑性等，所以在工程實踐中常用熱-力-相變耦合分析方法這一研究辦法。對高強度鋼材的模型建模時設(shè)定材料參數(shù)，鋼材厚度，加熱后最后溫度。在熱沖壓工藝加工前期，雖然模具溫度會由于和板料接觸逐漸上升，但是內(nèi)部的冷卻水道也會起到降溫冷卻作用，所以前期的模具溫度近似不變。對汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝進行有限元模擬時，整個過程依次為加熱、傳輸、成形、淬火與冷卻。

2.2 數(shù)值模擬前期處理

對于汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝的數(shù)值模擬前期處理步驟依次為：模型導(dǎo)入，明確沖壓，壓料面設(shè)計，拉延筋設(shè)計，補充面設(shè)計這五部分。首先構(gòu)建汽車B柱有限元模型后，通過軟件對模型附加B柱高強度鋼這一屬性進行模擬實物，將在CATIA中構(gòu)建的B柱有限元模型導(dǎo)入到Autoform軟件中，賦予彎曲加強膜單元類型分析B柱有限元模型；其次確定沖壓的具體方向，在明確參數(shù)值后確定沖壓方向，這一工序的確定原則應(yīng)該盡可能確保沖壓方向和其他工序方向一致，該步驟的目的在于減少翻轉(zhuǎn)次數(shù)有利于流水線作業(yè)，節(jié)約生產(chǎn)時間，保證模型制造質(zhì)量，其次在這一原則下確定沖壓方向也有利于緩解操作人員壓力，降低操作人員勞動強度。

對于壓料面進行設(shè)計的目的是便于板料成形，為了保證高強度鋼板料在熱加工成形過程中不會發(fā)生破損、開裂等問題。該工序需要結(jié)合考量B柱高強度鋼部件形狀以及壓料面設(shè)計理念，保證壓料面光滑，便于板料向凹模移動；對于拉延則是熱沖壓工藝的關(guān)鍵點和難點，為了防止生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)破裂、頸縮、起皺，通過設(shè)計拉延筋的方式改善板料流動狀態(tài)，提高部件流動均勻性，進一步保證B柱高強度鋼部件成形質(zhì)量；對于補充面設(shè)計工藝包括內(nèi)外兩部分。其中內(nèi)部工藝補充面作用為填補部件內(nèi)部孔洞、倒角；外部工藝補充面所起到的作用是按照設(shè)計出的特定拔模角度對壓料面和部件外輪廓線進行連接。以上工序均可在Autoform軟件中模擬，對汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝進行數(shù)值模擬前期處理。

2.3 數(shù)值結(jié)果分析

汽車B柱高強度鋼材料的表面硬度、強度標(biāo)準(zhǔn)等因素都直接關(guān)系到熱沖壓工藝的應(yīng)用性。有限元模擬設(shè)計的作用是通過汽車B柱的數(shù)值模擬結(jié)果分析，明確強度、硬度，板料抗壓性能等。數(shù)值分析和工程實踐均表明，汽車B柱高強度鋼進行熱沖壓成形工藝后，整體厚度均勻，沒有發(fā)生破損、開裂、起皺等傳統(tǒng)加工常見的問題，除此之外，B柱硬度、強度都高于設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且產(chǎn)品成形的效果良好。

3 選擇熱沖壓工藝模具的注意事項

對于傳統(tǒng)的冷沖壓模具，在選擇時只需要考慮模具只負責(zé)部件成形的功能，但是對于汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝，因為模具的功能一方面服務(wù)于部件成形，另一方面起到冷卻淬火的作用，所以對于熱沖壓工藝模具的選擇通常更復(fù)雜。因此在對汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝模具的選擇上需要更加注意，不僅從模具的材料選擇方面，還有模具設(shè)計方面都需要進行更加嚴謹?shù)匕芽?，只有這樣才能滿足模具既服務(wù)于部件成形，又要冷卻淬火的要求。

首先模具材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)要好，只有這樣才能夠促使鋼板和模具表面高效傳熱，并且發(fā)揮冷卻功能。其次模具材料熱導(dǎo)能力要高，并且硬度高、耐磨性能好、熱疲勞性能優(yōu)異，能夠始終在成形過程中保持尺寸穩(wěn)定、硬度良好，承擔(dān)加工過程中不可避免的磨損；除此之外，冷熱交替的工作狀態(tài)下應(yīng)該保持良好性能，不影響使用壽命。最后，模具材料防腐蝕性能要好，為避免內(nèi)部冷卻管道被銹蝕。目前國際上對于熱沖壓的模具材料的選擇通常以含有較高的Ni、Cr元素的材料優(yōu)先，選擇模具材料要符合實際需求，綜合考量熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱導(dǎo)能力，硬度，耐磨性能，熱疲勞性能，防腐蝕性能，使用壽命等多種因素，合理選擇模具材料。

雖然熱沖壓工藝具有眾多優(yōu)點，但是其回彈性差，這就對設(shè)計B柱高強度鋼熱沖壓工藝的模具提出了新的要求——基于熱脹冷縮原理，讓冷卻系統(tǒng)更快速、均勻地進行冷卻這道工序。因此 除了選擇模具材料的一系列要求之外，對于B柱高強度鋼熱沖壓工藝的模具設(shè)計也應(yīng)該考慮系統(tǒng)密封性等外部因素。結(jié)合數(shù)值結(jié)果分析與數(shù)值設(shè)計，前期模擬模具等對B柱高強度鋼熱沖壓工藝的模具進行設(shè)計，要保證管道效果。除此之外，熱沖壓工藝在成形部件設(shè)計、工藝調(diào)試等方面均具有獨特且鮮明的特點，這些都有可能對B柱成形均產(chǎn)生影響，所以仍需要針對這些特點進行細致分析。

4 結(jié)語

高強度鋼材料由于可以減輕車身重量，可以滿足碰撞的強度要求，以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在汽車的眾多結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用極為普遍，特別是汽車B柱。雖然高強度鋼具有極佳的強度，但是在普通冷沖壓成形時成形性能不佳，成形力大，回彈變形的控制難度高，存在拉裂缺陷等問題導(dǎo)致傳統(tǒng)的沖壓加工工藝無法對高強度鋼進行加工。而目前只有熱沖壓成形工藝可以解決傳統(tǒng)沖壓成形工藝在高強度鋼加工領(lǐng)域的一系列問題，通過對汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝開展相關(guān)的研究發(fā)研究，從高強度鋼熱沖壓工藝流程，數(shù)值模擬分析、模具選擇等方面，對應(yīng)用熱沖壓工藝的難點和關(guān)鍵點進行分析研究，論述了應(yīng)用熱沖壓工藝的優(yōu)勢，特點以及合理性與科學(xué)性。汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝既可以滿足汽車行業(yè)熱成形零部件的性能和加工要求，又可以支撐國內(nèi)汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新、滿足安全碰撞要求，對汽車B柱高強度鋼熱沖壓工藝開展研究具有重要意義。