熱成形一體式汽車門環(huán)解析及開發(fā)實例

2024-05-09 08:24:15· 來源：熱沖壓

熱成形不等厚一體式門環(huán)，即以1個門環(huán)零件取代傳統(tǒng)4個不同厚度的沖焊零件。該門環(huán)根據(jù)不同位置的性能需求，通過激光拼焊技術(shù)將4種不同厚度的板料整合，再經(jīng)熱沖壓整體成形、激光切割制備而成。它不僅可實現(xiàn)整車降重約9kg，有效提升車輛輕量化效果，還可通過扭轉(zhuǎn)和碰撞載荷的有效傳遞，提升車身剛度及碰撞安全防護性能。

“門環(huán)”是啥

汽車選材的原則相信大家都很清楚，“合適的材料放在合適的地方”，這是一個主體思路。但哪里是合適的地方呢？汽車的車身是由面板件和接頭拼接而成的，面板類我們能想的是設(shè)計一些加強板加強筋，不難想到，接頭類的零件是一個突破口。

有很多大神經(jīng)過研究，給以下接頭類的組合件取了個好聽的名字，稱之為“環(huán)”。本文所述的熱成形一體門環(huán)指的是下圖中R07前門環(huán)。

圖1 車身的環(huán)

一般，汽車車身的A柱B柱門檻其實是由內(nèi)外兩層組合形成封閉的空腔，從而才能保證良好的剛性的（外層的一般被稱為加強板，內(nèi)層的一般被稱為內(nèi)板）。我們常說的熱成形B柱一般是指B柱加強板（介于B柱內(nèi)板與側(cè)圍外板之間，側(cè)圍外板就是車身外觀可見的鈑金外表面）。

圖2 車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)

由于B柱加強板以往主要由熱成形工藝制作，與內(nèi)板相比，加強板一般被設(shè)計成幾字形的空腔結(jié)構(gòu)（內(nèi)板則可以設(shè)計成較平的零件）。所以，開發(fā)之初，供應(yīng)商都是以A柱加強板、門檻加強板、B柱加強板和頂框加強板組成的外層前門環(huán)為案例開發(fā)。

圖3 門環(huán)開發(fā)思路

為什么是這個“環(huán)”

首先，這個環(huán)很重要。

目前汽車的設(shè)計都是用梁類和地板通道來承受正面的沖擊，對小偏置碰來說門洞區(qū)域的加強尤為重要。前門環(huán)的位置剛好是在前排乘客的生存位置，根據(jù)本田謳歌的實車效果來看，采用熱成形門環(huán)有利于提升安全性能，在發(fā)生碰撞事故后更能成功打開駕駛室門。

圖4 門環(huán)碰撞效果

其次，這個環(huán)更能體現(xiàn)TWB熱成形的優(yōu)勢。

如前所述，前門洞這個位置需要一個整體式的保護，而且外層的加強板被設(shè)計成空腔，采用熱成形技術(shù)來生產(chǎn)，更能有效的滿足相關(guān)的強度要求，從而也更能體現(xiàn)出熱成形的優(yōu)勢。

圖5 熱成形門環(huán)實物

最重要的，當然也是大家最關(guān)心的，可以減重。

相較基準對比數(shù)據(jù)，一體成形門環(huán)能實現(xiàn)20%的減重幅度。一個零件代替四個零件，只需使用一套沖壓模具，只需一次沖壓操作即可。

圖6 熱成形門環(huán)效果

門環(huán)開發(fā)過程

下圖展示了熱成形門環(huán)的開發(fā)過程，基礎(chǔ)車根據(jù)25%偏置碰撞性能分析出發(fā)，搭建門環(huán)的模型，進而對模型進行拓撲優(yōu)化，并經(jīng)過多次的迭代驗算，最終完成性能、工藝及成本都最優(yōu)的門環(huán)方案。

圖9 門環(huán)開發(fā)流程

熱成形門環(huán)作為一種最新的激光拼焊板與熱成形技術(shù)的綜合體，在國內(nèi)主機廠掀起了一番熱議，各家都說在開發(fā)，但哪家能最終落地，還有待時間的考驗。作為一種新型解決方案，開發(fā)初期，成本較高是必然的，但隨著熱成形鍍層板的國產(chǎn)化，隨著開發(fā)的不斷深入，這一技術(shù)必將成為一種趨勢。

非涂層熱沖壓成形鋼22MnB5進行激光拼焊門環(huán)的試制生產(chǎn)，對試制工藝、缺陷分析和整改進行討論，用以指導非涂層熱成形門環(huán)的批量生產(chǎn)。

試制材料和工藝

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，其對比方案是采用傳統(tǒng)沖壓和焊接工藝生產(chǎn)的4個零件，具體如圖10所示。

試制開發(fā)通過10道工序來實現(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，其中通過對加熱、沖壓和冷卻具體溫度和時間工藝窗口的多輪調(diào)整，實現(xiàn)全馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，并通過拋丸來有效去除氧化皮。

圖10 前期傳統(tǒng)方案和門環(huán)方案對比

試制結(jié)果分析

力學性能分析

材料性能首檢有3處不合格，經(jīng)過多輪模具研合，模具保壓時間和冷卻速度的調(diào)試整改后，性能可以滿足要求，具體取樣位置如圖11所示，性能指標見表1。

缺陷分析和整改

通過對首輪樣件分析，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、定位不準確、壓料力和間隙大小不合適等模具加工和生產(chǎn)制造問題，也有前期產(chǎn)品設(shè)計造型考慮不足導致的問題等，首輪樣件如圖12所示。

圖11 門環(huán)取樣位置示意圖

表1多輪調(diào)試后的性能值

在試制階段，通過模具型面研合、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題，型面符合率達到90%以上。多輪調(diào)試后樣件實物如圖13所示。

方案對比

針對前期4個零件開發(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，模具價格和焊點數(shù)量等多維度來對比，具體見表2。

通過對門環(huán)各個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，便于人員配置和項目管理。除了非涂層熱成形鋼的價格優(yōu)勢明顯外，門環(huán)方案還能帶來額外的輕量化效果，比前期方案整車減輕3kg以上。同時，模具整體開發(fā)費用也有顯著降低，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)方案效果對比