熱成形技術(shù)在側(cè)門防撞梁中的應(yīng)用

大多數(shù)汽車在側(cè)門加裝防撞梁，來減輕碰撞時(shí)造成的側(cè)門變形程度，從而減少人員傷亡，所以防撞梁的優(yōu)劣已經(jīng)成為評價(jià)汽車安全性能的一項(xiàng)重 要指標(biāo)。熱成形鋼防撞梁相對于傳統(tǒng)冷沖壓防撞梁，具有較好塑性變形能力和吸能效果，不但可以保證駕乘人員的安全，還可以減輕車身重量，達(dá)到降低油耗，減少二氧化碳廢氣排放。從成形工藝出發(fā)，對熱成形鋼防撞梁和傳統(tǒng)冷沖壓防撞梁的靜態(tài)承載能力及動(dòng)態(tài)抗沖擊吸能性能進(jìn)行了相應(yīng)的對比試驗(yàn)，并研究熱成形鋼防撞梁在熱成形工藝過程中的影響因素。

1 熱成形加工工藝

熱成形技術(shù)是把傳統(tǒng)的熱鍛造技術(shù)與冷沖壓技術(shù)相結(jié)合的一種制造高強(qiáng)度鋼板沖壓件的新型工藝技術(shù)。它一般使用高強(qiáng)度硼合金鋼，因?yàn)榕鸷辖痄撝?含有微量的硼元素，可以提高鋼板的淬透性。使用熱成形加工工藝加工硼鋼主要過程可以分為兩個(gè)步驟：將硼合金鋼放入加熱爐內(nèi)，使得原始的 微觀組織鐵素體和珠光體充分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體;將板料 轉(zhuǎn)移放入帶有冷卻系統(tǒng)的模具中，將基體組織奧氏體 充分轉(zhuǎn)變成板條狀馬氏體。馬氏體鋼的強(qiáng)度可以達(dá) 到 1500 MPa 以上，因此熱成形鋼被廣泛地應(yīng)用于防 止汽車碰撞過程中變形的加強(qiáng)件，如汽車防撞梁等。熱成形工藝跟冷成形工藝相比，主要區(qū)別在于熱 成形工藝板料上除了存在應(yīng)力場外，還存在一個(gè)溫度場。溫度場和應(yīng)力場相互耦合、不斷變化，使得板料 的微觀組織發(fā)生變化，微觀組織決定物質(zhì)的性能，導(dǎo) 致板料的力學(xué)性能得到相應(yīng)的改變。這個(gè)變化過程 如圖1所示。

2 熱成形鋼防撞梁的力學(xué)性能

汽車側(cè)面通常是車體中強(qiáng)度和剛度較薄弱的部 位。當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，駕駛?cè)藛T和乘客距離撞 擊物距離都較近，僅隔著車門20~30 cm的距離，無法 像正面碰撞那樣有足夠的時(shí)間和空間吸收碰撞過程 中的能量。如果汽車發(fā)生側(cè)面碰撞將會(huì)對駕乘 人員造成嚴(yán)重傷害。大多數(shù)汽車在前門加裝防撞梁， 其主要作用就是在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，起到抗撞吸能作 用。這就對車門防撞梁提出了兩個(gè)要求：具有較好塑 性變形能力;具有較好的吸能效果。常用檢測防撞梁 力學(xué)性能的方法有準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和高速落錘 試驗(yàn)2種。

2.1 防撞梁靜態(tài)承載性能

評價(jià)汽車防撞梁的優(yōu)劣主要有靜態(tài)承載性能和 動(dòng)態(tài)抗沖擊吸能性能兩個(gè)方面。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是將 標(biāo)本放在有一定距離的2個(gè)支撐點(diǎn)上，在2個(gè)支撐點(diǎn) 中點(diǎn)上方向樣本施加向下的載荷，樣本的3個(gè)接觸點(diǎn) 形成相等的2個(gè)力矩時(shí)即發(fā)生三點(diǎn)彎曲，其過程見圖2。

該方法用來測量樣本上感興趣區(qū)的承受彎曲載 荷時(shí)的力學(xué)性能。針對傳統(tǒng)冷沖壓防撞梁與熱成形防撞梁，設(shè)計(jì)了 2組準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲對比試驗(yàn)，來分析兩種成形工藝 生產(chǎn)出的防撞梁的靜態(tài)承載能力。實(shí)驗(yàn) 1 中的防撞 梁使用 2.0 mm 的 DP800 鋼板與相同厚度的 22MnB5 熱成形硼鋼板，實(shí)驗(yàn) 2 將實(shí)驗(yàn) 1 的鋼板厚度加大到 4 mm，兩組實(shí)驗(yàn)的壓頭速度都為1 mm/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見 圖3和4。

其中變形抗力表示在材料塑性變形時(shí)，變 形金屬抵抗塑性變形的力，其常用計(jì)算公式為：σ=P/F （1） 式中：P 表示某瞬間樣板所受的拉伸力或壓縮 力；F表示斷面面積。從圖3和圖4可以看出，熱成形防撞梁的最大變 形抗力是傳統(tǒng)冷沖壓防撞梁的2~3倍，而且在第一組實(shí)驗(yàn)的冷沖壓防撞梁的最大變形抗力不滿足《乘用車 側(cè)門防撞桿技術(shù)條件》中，截面最大變形抗力不得小 于 12.5 kN 的要求，所以要得到合格的防撞梁產(chǎn)品 必須加大厚度，這就使得車身重量增加，違背了國家 提倡的汽車輕量化要求。與此同時(shí)，熱成形鋼防撞梁 在相同的最大變形抗力下可以減重40%~60%，因此， 使用熱成形鋼防撞梁不但可以提高汽車靜態(tài)承載能 力，還可以減輕車身重量，在保證行車安全的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.2 熱成形鋼防撞梁抗沖擊吸能性能

汽車防撞梁動(dòng)態(tài)抗沖擊吸能性能相比于靜態(tài)承 載性能更為重要，因?yàn)橹挥芯哂辛己玫奈苄阅艿姆?撞梁，才能有效地保護(hù)駕乘人員在受到撞擊時(shí)的安 全。高速落錘試驗(yàn)是將重錘從不同高度落到樣本上， 以獲得落錘高度與樣本位移關(guān)系的一種沖擊試驗(yàn)方法，其過程如圖5所示。

針對傳統(tǒng)冷沖壓防撞梁與熱成形防撞梁，設(shè)計(jì)了 2組高速落錘對比試驗(yàn)，來分析兩種成形工藝生產(chǎn)出 的防撞梁的動(dòng)態(tài)抗沖擊吸能性能。實(shí)驗(yàn) 1 中的防撞 梁使用 2.0 mm 的 DP800 鋼板與相同厚度的 22MnB5 熱成形硼鋼板，實(shí)驗(yàn)2將實(shí)驗(yàn)1的鋼板厚度加大到4.0 mm，兩組實(shí)驗(yàn)都采用55 km/h的速度撞擊防撞梁。實(shí) 驗(yàn)結(jié)果如圖6和7所示。

從圖6可以看出，兩種防撞梁在相同的落錘沖擊 下的吸能-位移曲線變化趨勢基本一致，即隨著縱向 位移的增加，防撞梁的內(nèi)能呈近似拋物線的形式增 長，。但是相同厚度的熱成形鋼防撞梁的吸能效果是 傳統(tǒng)冷沖壓防撞梁的1.5~2.5倍，因此，在碰撞吸收相 同能量的前提下，熱成形鋼防撞梁的重量將大幅度降 低。并且從圖7還可以看出，熱成形鋼防撞梁的位移 更小，這更有利于保障駕乘人員的安全。

3 熱成形鋼防撞梁性能影響因素

熱成形鋼防撞梁具有如此優(yōu)異的力學(xué)性能主要 是因?yàn)樵跓岢尚渭庸すに囍?，將板材中的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，再將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 。因此，研究熱成形工藝過程中對熱成形鋼防撞梁性能影響因素是本節(jié)的重點(diǎn)。熱成形工藝包括加熱、成形、淬火等過程，工藝參 數(shù)眾多，主要從加熱溫度、保溫時(shí)間、變形溫度3 個(gè)因素來綜合考慮其對熱成形鋼防撞梁性能影響。選取的參數(shù)值如表1所示，并且將易測量的硬度和抗拉強(qiáng)度作為本次評價(jià)指標(biāo)。其中硬度是材料局部抵 抗硬物壓入其表面的能力，抗拉強(qiáng)度是材料斷裂時(shí)的變形抗力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

計(jì)算公式為：σ=Fb/So （2）

式中：Fb為材料拉斷時(shí)所承受的最大力（N）；

So為 試樣原始橫截面積（mm2 ）。

采用極差分析方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到 各個(gè)影響因素的顯著水平。硬度與抗拉強(qiáng)度為板料 力學(xué)性能的表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致，其最主要的影 響因素是變形溫度，最優(yōu)變形溫度 為700 ℃；次要影 響因素為加熱溫度，最優(yōu)加熱溫度為 900 ℃；保溫時(shí) 間影響較小，最優(yōu)保溫時(shí)間為 5 min。綜合考慮 3 種 因素得到最優(yōu)的加熱工藝為：變形溫度為700 ℃；加 熱溫度為900 ℃；保溫時(shí)間為5 min。

4 總結(jié)

對比了傳統(tǒng)冷沖壓鋼防撞梁和熱成形鋼防撞梁的靜態(tài)承載性能及動(dòng)態(tài)抗沖擊吸能性能，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：熱成形鋼防撞梁的最大變形抗力是傳統(tǒng)冷沖壓防撞梁的2~3倍，在相同的最大變形抗力下可以將防撞梁減重 40%~60%；相同厚度 的熱成形鋼防撞梁的吸能效果是傳統(tǒng)冷沖壓防撞梁 的 1.5~2.5 倍，可以在保證駕乘人員安全的同時(shí)減輕 防撞梁重量。從熱成形工藝過程出發(fā)，研究了熱成形鋼防撞梁 性能的影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在熱成形加工工藝過 程中，最主要的影響因素是變形溫度，最優(yōu)變形溫度為 700 ℃；次要影響因素為加熱溫度，最優(yōu)加熱溫度為 900 ℃；保溫時(shí)間影響較小，最優(yōu)保溫時(shí)間為5 min。熱成形鋼防撞梁的性能影響因素較多，但是總的 來說其塑性變形能力和吸能效果優(yōu)異，當(dāng)汽車發(fā)生碰 撞時(shí)可以保證駕乘人員的安全，是保證行車安全、實(shí) 現(xiàn)汽車輕量化和降低能源消耗的有效途徑之一。