1800MPa級別超高強鋼熱成形工藝在一汽轎車的應用

文/徐勇，謝文才·一汽轎車股份有限公司

1800MPa級別超高強鋼熱成形工藝在一汽轎車的應用

文/徐勇，謝文才·一汽轎車股份有限公司

本文結(jié)合1800MPa級別熱成形鋼材料性能對某車型后保險杠橫梁進行了熱成形工藝性分析，采用Pam-Stamp 2G對該零件進行了模擬分析驗證和工藝優(yōu)化，綜合模具結(jié)構(gòu)以及鑲塊受力狀態(tài)等因素選擇出最優(yōu)的工藝方案。

徐勇，工程師，曾擔任一汽轎車多款車型的沖壓工藝開發(fā)以及紅旗H7車型和J71車型熱成形零件的生產(chǎn)準備工作。

近年來，不斷加劇的世界能源危機和環(huán)境危機對現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展方向提出了更高要求。大量研究統(tǒng)計表明，車身重量每減輕10%，可節(jié)省燃油3%～7%。因此各國汽車制造商相繼制定出以車身輕量化為核心思想的產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料和新工藝的開發(fā)應用等途徑，制定在提升整車安全性能的同時整車重量降低20%～40%的發(fā)展目標。

在此背景下，超高強度鋼板在車身上的應用速度急劇加快。但其成形性能差、成形后回彈嚴重以及模具壽命短等缺點對傳統(tǒng)的沖壓制造技術(shù)提出了更高的要求。以熱加工—熱處理為工藝思路的超高強鋼熱成形技術(shù)成為解決上述矛盾的有效手段，逐漸成為汽車制造行業(yè)關(guān)注的焦點。

一汽轎車某車型后保險杠橫梁采用熱成形工藝，成形后零件目標抗拉強度可達到1800MPa級別，維氏硬度約為500HV，在大幅提高整車的碰撞性能的同時實現(xiàn)減重2.62kg的目標。本文采用Pam-Stamp 2G軟件對該車型后保險杠橫梁進行了熱成形工藝分析和優(yōu)化，并綜合考慮模具結(jié)構(gòu)受力情況選擇出最優(yōu)的熱成形工藝方案后對該零件進行了熱成形全過程模擬分析，總結(jié)出梁類零件的熱成形工藝規(guī)律。

熱成形工藝原理及零件特點

熱成形工藝原理

超高強鋼熱成形工藝是將高淬透性的坯料加熱到AC3溫度以上，并保溫一段時間使之晶粒均勻，然后將其迅速轉(zhuǎn)移到模具中成形并保壓一段時間使零件在模具中完成淬火（圖1）。超高強鋼成形后零件強度可比成形前提高2.5倍以上。

圖1 熱成形工藝原理

表1 1800MPa熱成形鋼組分構(gòu)成

零件特點及材料性能

一汽轎車某車型后保險杠橫梁零件結(jié)構(gòu)如圖2所示。設計材料厚度為2.0mm。零件為狹長盒狀結(jié)構(gòu)。

圖2 某車型后保險杠橫梁零件結(jié)構(gòu)

該零件材料為1800MPa熱成形材料，材料組分見表1。材料退火狀態(tài)屈服強度σs為280MPa，抗拉強度σb為500MPa。要求成形后零件微觀組織為馬氏體，抗拉強度σb不小于1800MPa，維氏硬度不小于500HV。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點，初步確定采用直接無壓邊熱成形工藝。

熱成形工藝分析及優(yōu)化

有限元模擬

后保險杠橫梁零件為自身對稱結(jié)構(gòu)，取產(chǎn)品一半進行建模，如圖3所示。初始板料輪廓線采用Pam-Stamp 2G軟件的Inverse求解器對零件進行反算展開獲得。

圖3 后保險杠橫梁有限元模型

⑴材料模型

材料模型聯(lián)合考慮了1800MPa熱成形鋼的熱—力—冶金性能。并引入溫度相關(guān)的彈性模量E，包含熱應變行為的膨脹率，用Norton-Hoff定律描述板料熱沖壓模擬中材料溫度和應變速率相關(guān)的力學行為：

材料模型采用CCT曲線描述熱成形工藝中的相變過程。

⑵接觸模型

軟件將自動判斷成形過程中單元節(jié)點的接觸和穿透并在Penalty接觸、Accurate接觸、Lagrangian接觸、Implicit接觸和自接觸中作出選擇。

成形過程中坯料與工具體的摩擦力定義為溫度、相對速度和接觸壓力的函數(shù)。

定義模具表面初始溫度為70℃（穩(wěn)定生產(chǎn)過程），板料和工具體以及環(huán)境之間傳熱過程分解為傳導傳熱、輻射傳熱和對流傳熱，并遵循如下法則：

模擬結(jié)果分析

由模擬結(jié)果的變薄率云圖可以看出（圖4）：成形后零件最大變薄出現(xiàn)在圖中A處，變薄率為31.63%，零件將在此處發(fā)生開裂。由于零件結(jié)構(gòu)特點，此處基本處于最后成形區(qū)域，且受周圍結(jié)構(gòu)限制，材料流動受阻，導致此處發(fā)生局部劇烈變薄。除圖中A處外，零件其他部位變形較為均勻，且基本控制在8.5%～16.2%之間，滿足產(chǎn)品要求。

圖4 后保險杠橫梁的變薄率分布云圖

熱成形工藝模擬分析優(yōu)化

無壓邊熱成形工藝模擬結(jié)果分析表明：要改善A處開裂缺陷，需改善此處材料流變行為和流變環(huán)境。要在零件其他部位變形之前完成此處變形，一方面可利用高溫下材料塑變能力強的優(yōu)勢使該部位材料發(fā)生冷卻硬化之前完成，另一方面此處完成成形前零件其他部位尚未發(fā)生變形，此處材料流動不受零件結(jié)構(gòu)阻礙，從而可能避免開裂缺陷的產(chǎn)生。

基于上述工藝優(yōu)化思路，制定出兩種工藝優(yōu)化方案（圖5）。方案(i）采用壓料板對零件中部尺寸為534mm×40mm的狹長凹槽先成形；方案(ii）采用壓料芯對零件中部尺寸為φ34mm的凹坑先成形。方案(i）中壓料板和方案(ii）中壓料芯均為上模部件，該部件成形力由彈性元件提供。

由上述優(yōu)化方案熱成形模擬分析結(jié)果顯示（圖6）：優(yōu)化方案(i）成形后零件最大變薄位于圖中B處，變薄率為18.25%；方案(ii）成形后零件最大變薄位于圖中C位置，變薄率為18.32%。兩種優(yōu)化方案熱成形后零件A處開裂缺陷明顯消除。零件最大變薄位置B和C基本處于同一位置，變薄率均在可接受區(qū)間，熱成形工藝方案較為合理。

圖5 工藝優(yōu)化方案

圖6 兩種優(yōu)化方案的零件變薄率云圖

圖7 兩種優(yōu)化方案的上模結(jié)構(gòu)

優(yōu)化方案模具結(jié)構(gòu)分析

兩種工藝優(yōu)化方案的下模結(jié)構(gòu)相同，上模結(jié)構(gòu)以及鑲塊分塊情況如圖7所示。

可以看出，由于優(yōu)化方案(i）中壓料板狹長，將把零件中部鑲塊分割成Ⅰ、Ⅱ兩部分，導致熱成形時這些鑲塊分別受到側(cè)向力F1和F2，將使模具壽命降低；而優(yōu)化方案(ii）中，壓料芯結(jié)構(gòu)僅會將鑲塊Ⅲ穿孔，成形側(cè)向力將在鑲塊內(nèi)部抵消。與方案(i）相比，方案(ii）將大幅提高模具壽命。

另一方面，優(yōu)化方案(i）壓料板狹長結(jié)構(gòu)限制了冷卻管道的設置，連續(xù)生產(chǎn)時將影響零件凹槽部位冷卻效果，不利于此處材料組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；方案(ii）中壓料芯面積較小，鑲塊Ⅲ中冷卻管道可繞過此部位布置，基本不會影響此處發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

綜合模具結(jié)構(gòu)因素，優(yōu)化方案(ii）為該零件最優(yōu)熱成形工藝方案。

熱成形全過程模擬分析

設置保壓時間10s，對最優(yōu)方案進行全過程模擬，熱成形后零件狀態(tài)分布結(jié)果如圖8所示。

非擴散性的馬氏體轉(zhuǎn)變時材料晶格切變引起致密度變化，宏觀上表現(xiàn)為成形后的零件發(fā)生體積膨脹。由于工藝過程中零件發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時始終受到模面限制，因此將導致零件應變場和變薄率的重新分布。模擬結(jié)果顯示：淬火后零件最大變薄率為19.37%，仍在合理范圍。零件D處局部溫度最高，為337℃。這是因為成形過程中工件此處變薄使之與模具表面之間出現(xiàn)間隙，工件和模具間傳熱系數(shù)下降，影響冷卻效果。零件其他部位基本處于200℃左右，滿足工藝需求。零件D處冷卻效果差導致此處馬氏體組織含量最低，為82.6%；同時此處也是零件維氏硬度最低處，為492HV。

分析結(jié)果表明：該優(yōu)化方案滿足工藝要求，可通過模具結(jié)構(gòu)設計進一步優(yōu)化，以提高零件的淬火效果。

熱成形后零件D處為組織和力學性能重點監(jiān)控部位，生產(chǎn)過程中應在被抽檢零件此處做破壞性取樣進行組織和力學性能試驗檢查。

圖8 熱成形后零件模擬結(jié)果云圖

結(jié)束語

本文通過對一汽轎車某車型后保險杠橫梁熱成形工藝的模擬分析和優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)：

⑴進行熱成形工藝設計時，需遵循大變形部位先成形的原則，以避免成形過程中局部過分變薄導致零件開裂。

⑵在滿足熱成形工藝性的前提下要充分考慮模具的受力情況和結(jié)構(gòu)限制。對于梁類零件更要論證工藝方案對冷卻系統(tǒng)設計的影響。

⑶梁類零件成形過程中立壁變薄會降低此處與模具間的傳熱效果，影響組織轉(zhuǎn)變。因此需要在模具設計時進行局部冷卻系統(tǒng)優(yōu)化，并在實際生產(chǎn)過程中進行組織和力學性能監(jiān)控。