汽車B柱熱成形試驗與熱力耦合仿真

史棟勇，盈 亮，胡 平，吳秀峰，王玉山，趙立信

（1.大連理工大學 工程力學系，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 汽車工程學院，遼寧 大連 116024；3.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250022；4.合肥鍛壓集團，安徽 合肥 230601；5.吉林偉孚特輕量化技術股份有限公司，吉林 長春 130000）

1 前言

當今，能源、環境危機加快了汽車輕量化的步伐，進而促進了高強度鋼板在汽車車身上的應用[1]。但隨著鋼板強度的升高，其成形性能變差，成形時易開裂且回彈較大，成形精度不高。熱成形技術可有效改善高強度鋼板成形性能，目前已被廣泛應用于眾多汽車部件及結構件的生產中，如汽車前后保險杠、A、B、C 柱及車門防撞梁等。通過該技術生產的汽車零部件抗拉強度可達1500MPa 以上，且回彈小，微觀組織為均勻馬氏體。

高強度鋼熱成形技術作為一項新的用于汽車零部件生產的先進制造技術，已越來越受到國內外行業的重視，國內外眾多學者也從眾多方面對熱成形技術進行了研究[2-4]。眾所周知，熱成形過程是熱-力-相變相耦合過程[5]，同時涉及熱邊界摩擦非線性力學以及多尺度問題，單憑冷沖壓經驗無法預測板料在高溫條件下的成形性能，借助有限元數值模擬可對高溫板料的成形過程進行有效預測，極大降低傳統“試錯”方式帶來的成本提升和研發周期。本文針對某款汽車B 柱產品熱成形及淬火過程進行熱力耦合數值模擬仿真分析，并與試驗結果進行對比。從厚度、溫度場及微觀組織性能方面對其進行分析，結果表明：試驗結果與數值模擬結果一致，引入熱-力耦合條件進行的熱沖壓數值模擬可準確模擬B 柱的熱成形過程，預測板料成形性能、溫度場分布以及成形后的力學、微觀組織性能，可以為實際的熱成形生產提供有效的指導。

2 熱成形基本原理

熱成形技術所采用的材料為含有硼合金元素的特殊高強度鋼板，其中22MnB5 應用最為廣泛。材料的初始微觀組織為鐵素體和珠光體的混合組織，抗拉強度為600MPa。經熱成形及保壓淬火之后，微觀組織轉變為均勻的馬氏體組織，抗拉強度可達1500MPa 以上。

熱成形技術基本原理如圖1 所示。首先將含有硼合金元素的特殊高強度鋼板在加熱爐中加熱至奧氏體溫度，并保溫一定時間使其充分奧氏體化，隨后通過機械手將板料迅速轉運至帶有冷卻系統的特殊模具中進行沖壓成形并保壓淬火，最終獲得高強度、高硬度及無回彈的零部件。

3 B柱熱成形熱力耦合有限元模型建立

汽車B 柱熱成形的有限元模型如圖2 所示，沖壓模型建立包含凸模、凹模、壓邊圈及板料。熱成形過程分為壓邊、成形及保壓淬火3 個階段。壓邊及成形時間為1.6s，保壓淬火時間為10s。實際試驗過程中模具中帶有冷卻管道，因此模擬中采用模具恒定溫度為50℃。

模擬中所用板料的材料為高強度硼鋼22MnB5，厚度為2.0mm。圖3 所示為22MnB5 材料不同溫度的應力應變曲線（應變率為0.1s-1）。板料與模具之間的熱傳導系數大小與接觸壓力相關，如圖4 所示。

4 試驗及數值結果分析

圖5 為初始設置下的板料成形情況的數值模擬結果與試驗結果對比。可以看出在B 柱兩側壁出現破裂，數值模擬可準確預測板料的破裂情況。

針對上述破裂情況，為改善板料成形性能，對成形工藝參數進行了優化，確定板料初始溫度為810℃，成形階段所采用的壓邊力大小為30kN。圖6所示為優化后成形B 柱的厚度分布情況。圖7 所示為B 柱3 個斷面厚度值的模擬與試驗實測對比，可以看出模擬結果與試驗結果一致：B 柱斷面1 處的厚度變化基本不大，保持2.0mm 不變；斷面2 處由于是個拐角，厚度增加較大，有輕微起皺趨勢；斷面3 處成形深度可達82mm，兩個側壁發生較大塑形變形，減薄較大，有頸縮趨勢，如圖8 所示，但均滿足成形性要求。

圖9 所示為板料成形后及淬火后的溫度分布情況，可以看出由于成形過程中首先進行壓邊過程，板料先與壓邊圈和凹模接觸，成形時凸模隨后與紅熱板料相接觸，所以成形后B 柱壓邊區的溫度較低，尾部圓角處溫度也有所降低，而頂面最后才與模具完全接觸，所以溫度仍保持較高。隨后板料與模具完全接觸，實現淬火過程。保壓淬火10s 后，零件溫度為100℃左右，且分布較均勻，尾部由于發生較大塑形變形及摩擦生熱，導致溫度較高。圖10 所示為板料熱成形及淬火過程中試驗與模擬溫降曲線對比，可以明顯看出曲線較吻合，冷卻速率可達73℃/s，超過臨界冷卻速率27℃/s，避免了貝氏體相變的發生，轉變為馬氏體組織。

為了驗證上述B 柱熱成形試驗與模擬研究的準確性，對成形后超高強度B 柱零件進行了服役性能測評，包含拉伸試驗、硬度測試及其微觀組織測評。從成形后B 柱上切割拉伸試件進行拉伸試驗，所得拉伸曲線如圖11 所示，抗拉強度可達1600MPa。如圖12 所示，對B 柱9 個位置取不同的試樣進行硬度分析測試，結果如表1 所示，可以看出成形后B 柱的維氏硬度均在450HV 以上，且分布較均勻。如圖13 所示為B 柱的典型微觀組織，可以看出為均勻的馬氏體組織?？傊?，成形后的B 柱產品各項性能都符合熱成形的技術要求，從而驗證了本文對B 柱的熱成形數值模擬的正確性。

表1 B 柱不同位置硬度

5 結論

本文建立了汽車B 柱熱成形的熱力耦合有限元模型，對B 柱熱成形及淬火過程進行了數值模擬，并與試驗結果對比，從厚度、溫度場及微觀組織性能方面對其進行分析，結果表明：B 柱中部拐角處厚度增加較大，尾部兩側壁厚減薄趨勢較大，但都滿足成形性要求；B 柱降溫速率大于27℃/s，可保證馬氏體轉變；成形后B 柱的硬度可達450HV 以上，抗拉強度可達1600MPa，微觀組織為均勻的馬氏體，滿足熱成形技術要求。

[1]趙立偉，代宇春，李 峰，等.高強汽車板成形技術及輕量化.鍛壓裝備與制造技術[J]，2009，44（3）：82-84.

[2]Merklein，M.，J.Lechler.CIRP Annals-Manufacturing Technology（CIPP年鑒-制造技術）[J].2006，55（1）：229-232.

[3]Bariani.CIRP Annals-Manufacturing Technology（CIPP年鑒-制造技術）[J].2008，57（1）：265-268.

[4]Ma Ning，Hu Ping.JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING（機械工程學報）[J].2010，46（14）：68-72.

[5]Ma Ning，Hu Ping，Guo Wei.Transactions of Material and Heat Treatment（材料熱處理學報）[J].2010，12（5）：33-40.