關(guān)于某SUV車(chē)型B柱應(yīng)用熱成型技術(shù)的研究

朱紅霞，李博，喻哲，張永春

（東風(fēng)小康汽車(chē)技術(shù)中心，重慶理工大學(xué)）

關(guān)于某SUV車(chē)型B柱應(yīng)用熱成型技術(shù)的研究

朱紅霞，李博，喻哲，張永春

（東風(fēng)小康汽車(chē)技術(shù)中心，重慶理工大學(xué)）

綜述了車(chē)身輕量化的要求、熱壓成型的原理以及在車(chē)身上的應(yīng)用，以某款SUV車(chē)型B柱加強(qiáng)板為例，分別采用熱壓成型方案和冷壓成型方案對(duì)側(cè)面碰撞安全性能進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果表明，熱壓成型技術(shù)方案較冷壓成型方案?jìng)?cè)面碰撞安全性能得到了較大提升，且車(chē)身兩側(cè)B柱加強(qiáng)板的質(zhì)量減少了6.018 kg。

輕量化；B柱；熱壓成型；側(cè)面碰撞安全性能

朱紅霞

畢業(yè)于煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車(chē)工程學(xué)院，現(xiàn)任東風(fēng)小康汽車(chē)技術(shù)中心車(chē)身部部長(zhǎng)，主要從事車(chē)身及附件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

1 引 言

SUV（Sport Utility Vehicle），即運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展迅猛，每年都保持很高的增長(zhǎng)率，特別是城市型SUV車(chē)型。此類(lèi)車(chē)型不僅具備轎車(chē)的舒適性，而且兼具越野車(chē)的運(yùn)動(dòng)性能。因此，SUV車(chē)型的車(chē)身設(shè)計(jì)尤為重要，既要確保有足夠的剛強(qiáng)度和安全性能，又不能使車(chē)身質(zhì)量較重。研究資料表明：汽車(chē)的燃油消耗與汽車(chē)的自身重量成正比，汽車(chē)質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗就降低0.6%-1.0%，進(jìn)而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，降低燃油消耗，減少排氣污染[1]。因此減輕汽車(chē)自身重量成為提高節(jié)能環(huán)保性能的有效途徑。而白車(chē)身作為車(chē)身骨架一般占整車(chē)質(zhì)量的22%-25%[2]，使其輕量化對(duì)減輕整車(chē)質(zhì)量的意義重大。

本文以B柱加強(qiáng)板為例，該零部件是車(chē)身重要的立柱之一，需要足夠的剛度和強(qiáng)度來(lái)滿足整車(chē)要求和車(chē)門(mén)裝配需求，同時(shí)又是側(cè)面碰撞的主要支撐部件，需要在碰撞過(guò)程中很好的傳遞力，并被車(chē)體吸收[3]。通過(guò)CAE分析對(duì)比研究，和冷壓成型相比較，采用熱成型工藝，不僅能夠確保整車(chē)性能和安全性能滿足要求，而且能使車(chē)身達(dá)到輕量化的目的。

2 高強(qiáng)度鋼熱壓成型技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身輕量化，除了許多輕質(zhì)材料（如鋁合金，鎂合金，工程塑料等）外，主要的還是采用超高強(qiáng)度鋼，按照抗拉強(qiáng)度的不同，抗拉強(qiáng)度低于210 MPa的稱為普通鋼；抗拉強(qiáng)度在210-550 MPa之間的稱為高強(qiáng)度鋼，抗拉強(qiáng)度超過(guò)550 MPa的稱為超高強(qiáng)度鋼[1]。

對(duì)于抗拉強(qiáng)度較低的普通鋼板通常采用冷壓成型方法，然而對(duì)于高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼采用冷沖壓成型過(guò)程中會(huì)伴隨出現(xiàn)開(kāi)裂，過(guò)量回彈等現(xiàn)象，影響車(chē)身后續(xù)的裝配[3]。為避免此類(lèi)不利因素，熱壓成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的冷成型工藝相比，熱成型工藝的特點(diǎn)是在板料上存在一個(gè)不斷變化的溫度場(chǎng)，如圖1所示，在溫度場(chǎng)的影響下，板料的基體組織和力學(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致板料的應(yīng)力場(chǎng)也隨之發(fā)生變化，同時(shí)板料的應(yīng)力場(chǎng)反作用于溫度場(chǎng)，所以熱成型工藝就是板料內(nèi)部溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)共存且相互耦合的變化過(guò)程[4]。

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成型工藝是將常溫下強(qiáng)度為500-600 Mpa的硼合金鋼板加熱到880-950 ℃，使之均勻奧氏體化，然后送到內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成型，最后快速冷卻，將奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體，使沖壓件得到硬化，大幅度提高制件的強(qiáng)度[5]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，熱成型工藝又分為直接工藝和間接工藝，如圖2所示，直接工藝（圖2（a））即下料后直接將鋼板加熱后沖壓成型，其優(yōu)點(diǎn)是板料在一套模具中進(jìn)行成型及淬火，節(jié)省了預(yù)成型的模具費(fèi)用并加快了生產(chǎn)節(jié)奏，主要應(yīng)用于形狀簡(jiǎn)單且變形程度相對(duì)較小的零件;對(duì)于形狀復(fù)雜或拉深深度較大的零件則需要采用間接工藝（圖2（b）），即先將落料后的鋼板進(jìn)行預(yù)成型，然后再加熱實(shí)施熱沖壓工藝[6]。

熱沖壓成型技術(shù)作為一種零件沖壓強(qiáng)化的有效途徑，在汽車(chē)上有很大的應(yīng)用前景，可應(yīng)用到B柱、A柱、邊梁、保險(xiǎn)杠、門(mén)梁及側(cè)梁等重要結(jié)構(gòu)件中，熱成型件在不少車(chē)型上都有應(yīng)用，例如AD的A3和A4L，BC的S-Class和C-Class等，其中DZ率先采用了熱成型超高強(qiáng)鋼件，基于最新PQ46平臺(tái)的MT轎車(chē)車(chē)身使用的超高強(qiáng)度鋼熱成型鋼板達(dá)到12%（高強(qiáng)鋼共占有79%），xc60車(chē)身結(jié)構(gòu)中超高強(qiáng)鋼占11%，并規(guī)定后續(xù)生產(chǎn)的新車(chē)型中，熱沖壓零件的使用比例為35%以上[7]。

3 某SUV車(chē)型B柱采用冷壓成型和熱壓成型的對(duì)比分析

3.1 冷壓成型與熱壓成型方案

對(duì)某款SUV車(chē)型B柱采用不同的成型方案，冷壓成型方案是將B柱上下板采用焊接工藝,將不同厚度的上板(件1)和下板(件4)激光拼焊在一起，由于采用的材料是B340LA，屈服強(qiáng)度在340 Mpa左右，強(qiáng)度較低，需貼合內(nèi)部焊接一B柱加強(qiáng)板（件2）以保證B柱強(qiáng)度如圖3（a）。而熱成型方案B柱只采用一塊BR1500HS鋼板一體沖壓而成，如圖3（b）所示。

3.2 質(zhì)量對(duì)比

冷壓成型與熱成型方案的B柱質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)下表1。

表1 不同成型方案的B柱質(zhì)量對(duì)比

由圖2和表1可知，較冷壓成形方案相比，熱成型方案取消了B柱加強(qiáng)板（件2）和（件3），件1材料由B340LA改為BR1 500HS，上端厚度由原來(lái)的2.0 mm改為1.4 mm，下端厚度由原來(lái)的1.6 mm降為1.4 mm，由表1數(shù)據(jù)可知，采用熱成型后，左、右兩側(cè)B柱質(zhì)量比冷壓成型方案減輕6.018 kg，而且左、右B柱各省了2個(gè)模具。由圖3(a)中可知，B柱加強(qiáng)板（件2）和（件3）拉伸深度較大，形面復(fù)雜，采用冷壓成型所需的沖壓力較大，極易開(kāi)裂，同時(shí)成型后零件的回彈增加，導(dǎo)致零件尺寸和形狀的穩(wěn)定性較差，而且冷壓成型方案所需的工序較多，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。

3.3 剛度和模態(tài)的對(duì)比分析

B柱采用不同成型方案扭轉(zhuǎn)工況下，帶有玻璃的白車(chē)身Z向變形圖如圖4、5所示。

由上圖數(shù)據(jù)可計(jì)算出白車(chē)身的扭轉(zhuǎn)剛度，采用冷壓成型方案的帶有玻璃的白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度為14 316.4 N·m/°，采用熱壓成型方案的帶有玻璃的白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度為14 114.3 N·m/°，扭轉(zhuǎn)剛度降低1.4%，降低較小，滿足要求。

B柱采用不同成型方案，帶有玻璃的白車(chē)身模態(tài)如圖6、7所示。

由上圖數(shù)據(jù)可知白車(chē)身的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，采用冷壓成型方案的帶有玻璃的白車(chē)身扭轉(zhuǎn)模態(tài)為34.65 HZ，采用熱壓成型方案的帶有玻璃的白車(chē)身扭轉(zhuǎn)模態(tài)為34.39 HZ，扭轉(zhuǎn)模態(tài)降低0.75%，降低較小，滿足要求。

3.4 側(cè)碰性能對(duì)比分析

對(duì)某款SUV車(chē)型B柱加強(qiáng)板采用冷壓成型和熱成型兩種不同方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析。由于汽車(chē)B柱板直接影響側(cè)碰性能，在相同邊界條件下，仿真分析這兩種成型方案在側(cè)碰時(shí)的Y向侵入量和侵入速度。下圖4為建立某SUV車(chē)型的側(cè)碰模型，圖5為B柱對(duì)應(yīng)假人部位的參考點(diǎn)。

由仿真分析得到不同成型方案B柱假人對(duì)應(yīng)部位參考點(diǎn)的侵入量曲線如下表2所示。

由仿真分析得到不同成型方案B柱假人對(duì)應(yīng)部位參考點(diǎn)的侵入速度曲線如下表3所示。

由表2、3數(shù)據(jù)分析可知，與冷壓成型方案，采用熱沖壓成型方案B柱對(duì)應(yīng)假人部位參考點(diǎn)的最大侵入量和最大侵入速度均有部分改善，說(shuō)明熱成型方案完全可以替代冷壓成型的方案提高側(cè)碰性能。

表2 B柱假人對(duì)應(yīng)部位參考點(diǎn)的侵入量曲線

4 總結(jié)與討論

通過(guò)對(duì)熱壓成型板的應(yīng)用研究，介紹了熱壓成型的理論基礎(chǔ)以及該技術(shù)在車(chē)型的應(yīng)用狀況，對(duì)比分析了某款SUV車(chē)型B柱加強(qiáng)板采用冷壓成型方案和熱成型方案下的側(cè)面碰撞安全性能，結(jié)果表明，熱壓成型技術(shù)方案不僅可以節(jié)省模具，減少工序，而且B柱一側(cè)質(zhì)量減少了3.009 kg，且模態(tài)和剛度變化較小，但側(cè)面碰撞安全性能卻有部分提升。因此采用熱壓成型方案既提高了側(cè)面碰撞安全性能，又能夠?yàn)檐?chē)身的輕量化做出較大的貢獻(xiàn)。

但熱成型工藝也存在著零件成型后冷卻速度和保壓時(shí)間較難控制，冷卻過(guò)程中，冷卻速度的不同導(dǎo)致零件的嚴(yán)重變形影響零件的尺寸精度等問(wèn)題，因此在熱沖壓模具的設(shè)計(jì)中，充分考慮鋼板的熱脹冷縮效應(yīng)，采取有效的補(bǔ)償方案，模具內(nèi)部冷卻回路的設(shè)計(jì)（冷卻孔徑的間距與布置方式、冷卻孔徑的大小以及冷卻水的流動(dòng)方式等）以及模具冷卻水泄漏的解決途徑等問(wèn)題，而且，熱沖壓生產(chǎn)線的固定投資較大，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益來(lái)看，熱壓成型板以其高減重潛力、高碰撞吸收能、高疲勞強(qiáng)度、高成型性等優(yōu)勢(shì)將成為實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化，提高汽車(chē)安全的有效途徑。

[1]牛勝福, 李煒.汽車(chē)車(chē)身輕量化技術(shù)[J].上海汽車(chē), 2009(9):34-37.

[2]蔡玉俊, 王玉廣等.超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成型CAE技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].鍛壓技術(shù), 2011(4)：7-11.

[3]徐偉力, 艾健等.鋼板熱沖壓新技術(shù)介紹[J].塑形工程學(xué)報(bào), 2009（16）：40-43.

[4]鄧本波, 魯后國(guó)等.汽車(chē)熱壓成型板研究與應(yīng)用[J].汽車(chē)技術(shù), 2012（12）：62-64.

[5]高云凱, 高大威等.汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼熱成型技術(shù)[J].材料工藝設(shè)備, 2010(8):56-58.

[6]席艷秋, 胡建新等.淺談 B 柱熱成型在車(chē)輛節(jié)能方面的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].研究與開(kāi)發(fā), 2012(11):106-108. [7]莊百亮, 單忠德等.熱沖壓成型工藝技術(shù)及其在車(chē)身上的應(yīng)用[J].金屬加工, 2010(21):62-64.

專家推薦

李三紅：

輕量化是汽車(chē)設(shè)計(jì)的重要主題，本論文創(chuàng)造性尚有新意，學(xué)術(shù)性國(guó)內(nèi)先進(jìn)，采用仿真對(duì)比冷壓與熱成型方案，科學(xué)性良好，但最好能有試驗(yàn)驗(yàn)證，論文具有理論價(jià)值、實(shí)用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，文字流暢，建議全文發(fā)表。

Research of B-pillar Hot-press Forming Technology on a Certain SUV

ZHU Hong-xia, LI Bo, YU Zhe, ZHANG Yong-chun
（Technology Center of Chongqing DFSK Automotive CO.LTD, Chongqing University of Technology）

The demand of the BIW light-weighting, principle and use on the BIW of Hotpress Forming are introduced, take a SUV B-pillar strengthened plate for example, a comparative analysis has been made on side impact safety performance between hot-press and cold-press forming solution, Analysis results show that compared with cold-press forming solution, the side impact safety performance used the hot-press forming is improved greatly, what’s more, the mass of B-pillar both sides of BIW reduce 6.018kg.

light-weighting; B-pillar; Hot-press Forming; side impact; safety performance

TG142.1+2

A

1005-2550（2016）01-0073-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.015

2015-09-10