汽車B柱熱沖壓成型工藝

本文對(duì)熱沖壓成型原理及工藝流程進(jìn)行了介紹，并在翻邊工藝、拉延深度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及局部造型等方面對(duì)某車型B柱熱成型沖壓件的開發(fā)進(jìn)行了細(xì)致探討，通過對(duì)缺陷問題的分析和總結(jié)，制定整改方案并實(shí)物驗(yàn)證，歸納形成了B柱熱成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為類似件熱成型開發(fā)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

為了實(shí)現(xiàn)更大程度的汽車輕量化及汽車碰撞性能, 汽車制造企業(yè)對(duì)熱成型沖壓件的需求逐年增加。隨著熱成型沖壓技術(shù)高速發(fā)展, 汽車主機(jī)廠還將熱成型技術(shù)用于優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)、降低壓機(jī)噸位、降低沖壓噪聲。

根據(jù)汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求, 熱成型沖壓件廣泛應(yīng)用于保險(xiǎn)杠、門檻、縱梁、B柱等。因熱成型與冷沖壓工藝差異, 熱成型技術(shù)對(duì)沖壓件結(jié)構(gòu)有特定工藝要求, 本文以某車型B柱熱成型沖壓件為例, 分析總結(jié)沖壓件結(jié)構(gòu)對(duì)熱成型工藝的影響。

1. 熱成型技術(shù)介紹

1.1 熱成型原理

將抗拉強(qiáng)度為400~600MPa的硼鋼通過冷沖壓落料或剪板機(jī)下料制得初始坯料, 將初始坯料放入加熱爐中, 加熱到AC3線左右, 充分奧氏體化, 快速移到壓力機(jī)中, 通過帶有冷卻系統(tǒng)的模具快速合模、成形、保壓冷卻到100-200℃, 最后室溫冷卻, 形成馬氏體組織抗拉強(qiáng)度可到1500MPa的產(chǎn)品件。圖1為熱沖壓工藝流程圖。

圖1 熱沖壓工藝流程圖

1.2 工序件后處理

后處理主要包括鐳射、拋丸、表面處理等內(nèi)容, 鐳射是對(duì)修邊線、孔等進(jìn)行激光切割, 因?yàn)殍D射成本較高切效率偏低, 對(duì)精度要求不高的止口可通過落料及熱成型過程控制。拋丸主要作用是除去沖壓件表面氧化皮, 以得到表面質(zhì)量較高的產(chǎn)品件。表面處理又可分為涂油、電泳等, 所使用防銹油既要達(dá)到防銹的目的又不能影響白車身涂裝, 利用電極離子吸附原理使涂料均勻吸附在產(chǎn)品的表面, 從而達(dá)到產(chǎn)品完美的外觀及耐酸堿防腐的特殊性能。

2. 基于產(chǎn)品的工藝分析

2.1 翻邊工藝

熱成形零件翻邊中拉延-法蘭邊區(qū)域有很高的起皺、開裂傾向。外凸翻邊的最終線長(zhǎng)度比初始長(zhǎng)度短而產(chǎn)生壓縮法蘭邊, 容易導(dǎo)致起皺和疊料, 其起皺的趨勢(shì)隨翻邊高度的增加而增大。內(nèi)凹翻邊屬于伸長(zhǎng)類翻邊, 產(chǎn)生拉伸法蘭邊, 豎邊的長(zhǎng)度在成形過程中會(huì)被拉長(zhǎng), 當(dāng)變形程度過大時(shí), 豎邊邊緣的切向伸長(zhǎng)和厚度減薄就比較大, 容易發(fā)生拉裂。

法蘭邊越高, 拉伸失穩(wěn)越明顯。無論是外凸翻邊, 還是內(nèi)凹翻邊, 都應(yīng)降低翻邊高度和曲率?？傮w上說, 熱成形B柱不宜有翻邊, 尤其是90°的翻邊特征, 如翻孔 (圖2a) , 翻邊特征轉(zhuǎn)角很急的情況下做缺口改進(jìn), 以避免局部堆料或開裂 (圖2b) 。

2.2 拉延工藝

2.2.1 拉延深度

圖2 翻孔與翻邊缺口

降低拉延深度, 且成形深度盡可能相同, 應(yīng)能夠采用一次拉延成形, 避免多道次拉深。冷拉深成形中, 零件易在凸模圓角處開裂。而熱拉深成形時(shí), 板料與模具在凸凹模圓角處先接觸 (圖3) , 導(dǎo)致這些部位首先冷卻硬化, 變形抗力增大。變形將轉(zhuǎn)向溫度較高、具有良好塑性流動(dòng)性的拉延側(cè)壁, 導(dǎo)致應(yīng)變集中。

圖3 拉延過程中的板件冷卻

由于側(cè)壁處于平面應(yīng)變狀態(tài), 拉延深度的增加依靠材料厚度的減薄, 因而易產(chǎn)生拉裂, 且拉裂的傾向隨著拉深深度的增加加劇。

2.2.2 拔模角

B柱拉延應(yīng)采用錐形 (α≥97°) 或是拋物線形拉深成形 (圖4) , B柱的截面形狀上應(yīng)避免直壁和階梯形零件的拉深成形。

圖4 錐形拉深成形與拋物線拉深成形

直壁和階梯型截面形狀在成形過程中, 材料流動(dòng)阻力增大, 且熱板料與模具的接觸狀況差, 接觸壓力低, 甚至出現(xiàn)不與模具接觸的非接觸區(qū)域, 影響板料快速淬火。

因在模具制造過程中, 會(huì)根據(jù)壓料面積、受力均衡、沖壓負(fù)角等因素, 選擇沖壓方向。所以在考慮拔模角度的同時(shí)關(guān)注局部造型特征, 避免產(chǎn)生負(fù)角或深度過大。

2.2.3 產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)

2.2.3. 1 反成形優(yōu)化

結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免出現(xiàn)較深和較大區(qū)域的反向沖壓成形 (圖5) 。反沖結(jié)構(gòu), 容易產(chǎn)生堆料, 若無法避免, 則應(yīng)采用較大的過渡圓角, 反沖的區(qū)域的形狀特征以盡可能平順過渡為特點(diǎn), 防止引發(fā)由高溫度梯度導(dǎo)致的局部變形, 降低起裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 熱成形件局部造型

2.2.3. 2 避免高落差急劇變化

板料與模具間存在接觸時(shí)序上的差異, 急劇的幾何形狀過渡將會(huì)造成接觸時(shí)序相差更大, 更易產(chǎn)生高的溫度梯度, 加劇應(yīng)變集中。B柱的形狀設(shè)計(jì)必須平緩過度, 增加過渡圓角半徑, 盡可能的減少變形過程中不與模具接觸的板料面積。減小零件沿長(zhǎng)度方向的彎曲角度。過大的彎曲角度會(huì)使得沖壓方向的選擇變得困難, 影響零件的成形。

2.2.3. 3 R角

拐角處盡可能的以球R接順, 且盡可能的大;鎖扣為和門鉸鏈位的凸包在滿足功能要求的情況下, 盡可能降低凸包高度, 且凸包面的角度要盡可能的大, 然后倒R15以上圓角;孔位凸包不能做得太深, 且周邊R角和斜度都必須是做大, 以防止局部缺料而拉薄拉裂。

2.2.3. 4 整體結(jié)構(gòu)

B柱零件應(yīng)盡量采用規(guī)則的形狀設(shè)計(jì), 降低不對(duì)稱度, B柱的截面形狀應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單對(duì)稱。對(duì)稱度較差的零件設(shè)計(jì), 會(huì)導(dǎo)致坯料難以定位, 如圖6a高度差h。在成形過程中, 坯料還可能會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng), 模具與坯料接觸狀態(tài)差, 甚至影響材料的流動(dòng)和淬火冷卻。

圖6 熱成形件整體結(jié)構(gòu)

另外量避免封閉式設(shè)計(jì), 而采用開放式設(shè)計(jì)。盡可能采取彎曲成形, 減少法蘭邊產(chǎn)生起皺、減薄以及拉裂的危險(xiǎn)。封閉式的“杯狀”結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致成形過程中材料在凸凹模拐角處產(chǎn)生壓縮變形和起皺, 需要采用合適的壓邊力。

有起皺傾向的區(qū)域如B柱零件的端部的設(shè)計(jì)中, 應(yīng)該設(shè)置吸皺筋 (圖6b) 。

3. 總結(jié)

圖7 B柱模具與實(shí)物

通過車身B柱的熱成型件的開發(fā), 完成了熱成型模具設(shè)計(jì)制造及批量生產(chǎn)驗(yàn)證, 如圖7所示。雖然近年來熱沖壓技術(shù)發(fā)展迅速, 通過本文可認(rèn)識(shí)到熱成型對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)約束性很強(qiáng), 但在新型熱成型材料應(yīng)用及模具新技術(shù)發(fā)展方面還有很廣闊的空間。