考慮成形歷程的熱沖壓鋼板應用研究

馬寧 ，馬鈺杰，劉克素

(1. 中國石油大學(華東) 機電工程學院 山東 青島 266580； 2. 合肥工業大學 材料科學與工程學院 安徽 合肥 230009)

0 引言

高強度鋼板熱沖壓技術是一項新型的專門用于成形高強度沖壓件的先進制造技術，可用來成形強度高達1 500 MPa的沖壓件,已成為世界上眾多汽車生產廠商關注的熱點。熱沖壓技術越來越受到工業界的關注[1-3]。熱成形技術原理是把特殊的高強度硼合金鋼加熱使之奧氏體化，隨后將紅熱的板料送入有冷卻系統的模具內沖壓成形，同時被具有快速均勻冷卻系統的模具冷卻淬火，鋼板組織由奧氏體轉變成馬氏體，因而得到超高強度的鋼板。熱成形技術不僅有高強度的優點，高溫下的材料塑性、成形性好，能一次成形復雜的沖壓件；高溫下成形能消除回彈影響，零件精度高，成形質量好。熱成形工藝打破常規，構思新穎，是沖壓成形領域的前沿技術，可廣泛應用于汽車前、后保險杠、A柱、B柱、C柱、車頂構架、車底框架以及車門內板、車門防撞梁等構件的生產。

對于傳統的沖壓技術國內外學者已進行了大量卓有成效的研究[4-5]。同樣對于淬火熱處理的實驗、理論分析及數值模擬，目前已經積累了大量的研究成果[6-9]。高強度鋼板熱成形技術是將傳統的熱處理技術與冷沖壓技術相結合的最新制造工藝，研究內容集中在材料高溫力學性能、數值模擬及實驗方面。 Alexandre等研究了板料與模具間的接觸熱阻并建立了計算接觸熱阻的數學模型[10]；意大利帕多瓦大學的A.Turetta等根據Nakazima定律在高溫下來評估材料的成形性[11]； Naderi、Bleck及Merklein分別對熱成形硼鋼在高溫下的流動準則及材料參數進行了研究[12-13]；Ma及Hu等對熱成形過程進行了理論分析、數值模擬及實驗研究，提出了新的方法用于熱成形模具設計及工藝過程分析；邢忠文等對硼鋼熱沖壓成形進行了實驗研究[14]；林建平等對高強度熱沖壓鋼板的高溫熱流變行為進行了研究[15]。上述研究多集中在熱沖壓工藝理論、數值模擬、實驗研究上，而對于熱沖壓技術的服役性能及在車身耐沖擊碰撞中應用的研究較少[16]。

高強度鋼板熱沖壓零部件在汽車車身中的應用主要集中在承載及抵抗沖擊碰撞的結構件，例如B柱等，那么熱沖壓技術應用于汽車車身設計相比其他高強度鋼板有何優勢？本文結合數值模擬及實驗的方法對此進行研究。常規的碰撞分析零件的材料性能參數都是由未變形的初始坯料進行拉伸試驗獲取的，其厚度均為初始板料常數，而且未考慮成形過程中的殘余應變和殘余應力。實際上對于車身上應用的熱沖壓件及冷沖壓零部件，成形后的厚度分布、殘余應變和應力都發生變化[17-18]。本文研究在對B柱外板熱沖壓工藝數值模擬的基礎上，對熱沖壓零部件的成形歷程進行研究，分析了熱沖壓零部件殘余應變的特征，闡述了殘余應力的產生及作用機理，給出了考慮成形歷程的熱沖壓技術應用方法。

1 汽車B柱數值模擬及實驗分析

B柱是影響轎車側面碰撞性能的主要部件之一，要改善整車的側面碰撞性能，需要從改善這些主要部件的碰撞特性入手。為了提高B柱的抗撞性，設計人員通常設計出復雜的形狀，包括增加加強件等方法，使其盡可能滿足抗撞性的要求，但這樣做無疑增加了B柱設計的難度。而高強度鋼板熱沖壓新工藝的發明，可以在成形的同時改變B柱的材料微觀組織及性能，從而在實現了B柱形狀簡化、輕量化的同時提高整車的側面碰撞性能。

采用熱沖壓工藝進行成形加工某車型B柱外板，如圖1所示。B柱外板形狀較為復雜，可以采用間接成形工藝加工[19]，這樣可以提高生產效率及產品質量，但預成形后B柱外板在加熱爐內加熱不均、熱應力變形及高溫上下料等問題制約了間接成形工藝的應用，所以此B柱外板應采用進行熱沖壓直接成形工藝進行加工[19]。應用DYNAFORM熱力耦合模塊對B柱外板成形過程進行數值模擬仿真，板料采用熱沖壓專用硼鋼冷軋鋼板B1500HS，板料初始厚度1.4 mm，摩擦系數0.35，板料的成形初始溫度800 ℃，沖壓速率為0.15 m/s，沖壓合模后，保壓15 s，材料的熱力學參數采用文獻[20]中同種材料的研究數據。

圖1 車身B柱外板模型

圖2所示為B柱外板熱沖壓數值模擬的成形圖，模擬結果顯示在上述的熱沖壓工藝條件下B柱外板可以無缺陷成形，所以按上述工藝參數進行B柱外板熱沖壓直接成型實驗，圖3為實驗后的B柱外板產品圖。從圖3中可以看出成形后的B柱外板無開裂等成形缺陷，與上述熱沖壓的數值模擬結果相一致。從圖3中的B柱外板產品上切割拉伸試樣進行拉伸實驗，試樣的工程應力-應變曲線如圖4所示，從圖4中可以看出經過熱沖壓工藝后B柱外板的屈服強度接近1 000 MPa，拉伸強度達到1 500 MPa，遠遠超過了雙相鋼及其他傳統高強度鋼板。圖5中所示為熱沖壓前B1500HS材料的工程應力應變曲線[16]，對比圖4可以看出，熱沖壓后零部件的屈服強度和拉伸強度比原始板料均提升了3倍多，這說明熱沖壓零部件非常適合作耐沖擊構件的選材。

圖2 B柱外板數值模擬結果圖片

圖3 B柱外板熱沖壓實驗后產品圖片

圖4 B柱外板熱沖壓后試樣工程應力-應變曲線

圖5 熱沖壓前B1500HS鋼板的工程應力-應變曲線

2 熱沖壓B柱在整車側碰撞中的應用

在上一節，分析了B柱外板熱沖壓直接成形工藝，拉伸實驗表明通過熱沖壓工藝可以大幅提高單個零部件的力學性能。為研究熱沖壓工藝對整車側面碰撞的影響，設計了3種對比方案進行分析研究。整車碰撞的有限元模型如圖6所示，單元總數為108萬個，側碰速度為50 km/h；碰撞模擬采用商業軟件LS-DYNA。

表1中列出了對比B柱工藝材料及厚度的3種方案，其中材料B340LA、DP780、QP的工程應力-應變曲線分別如圖7、圖8所示。通過跟蹤碰撞過程中B柱上測試點P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7(如圖9所示)的最大位移侵入量來比較3種設計工況下整車的碰撞性能。

表1 側碰B柱侵入量優化過程對比

圖6 整車側面碰撞有限元模型

圖7 B340LA板材的工程應力-應變曲線

圖8 DP780板材的工程應力-應變曲線

圖9 B柱側碰記錄點位置示意圖

表2為在3種不同工況下，B柱延高度方向上7個不同測試點的侵入量，從表中可以看出B1500HS熱沖壓B柱外板在厚度減薄0.2 mm的條件下，B柱侵入量比相應的B340LA板材最大降低了27.2 mm，降低22%多，可見熱沖壓技術在輕量化領域及提高耐沖擊碰撞方面的突出優勢。作為較多應用的雙相鋼DP780在厚度減薄0.1 mm時，B柱侵入量比相應的B340LA板材有所降低，但比熱沖壓零部件的侵入量大。

表2 側碰B柱侵入量對比 mm

3 考慮成形歷程的側面碰撞模擬研究

常規的碰撞分析零件的材料性能參數都取自未變形的初始坯料的拉伸試驗，其厚度均為初始板料常數，而且未考慮成形過程中的殘余應變和殘余應力。實際上對于車身上應用的熱沖壓件及冷沖壓零部件，成形后的厚度分布、殘余應變和應力都發生變化。這些變化都會導致在碰撞仿真中產生誤差，然而以前常規的碰撞仿真分析將這些變化都給忽略了[17-18]。所以對于研究熱沖壓技術應用，需要碰撞仿真中引入制造過程(主要指冷熱沖壓過程)的影響因素，考慮成形歷程的碰撞仿真分析技術對保證碰撞仿真的精度及準確性至關重要。

圖10為未考慮成形歷程的車身側面模型圖片；圖11為考慮成形歷程的車身側面模型圖片，即考慮B柱外板熱沖壓過程的應變積累影響(將圖2中所示的B柱外板應變中發生相變前的變形部分去掉)，同時將B柱內板及周圍的側門檻、A柱及側圍等冷沖壓件的沖壓硬化影響引入LS-DYNA求解器進行側面碰撞模擬。

圖10 未考慮成形歷程的車身側面模型

圖11 考慮成形歷程的車身側面模型

表3為考慮冷熱沖壓成形歷程側面碰撞B柱侵入量，對比表2的第2種工況(未考慮冷熱沖壓成形歷程的B柱侵入量)，可以看出考慮成形歷程的影響后，B柱的侵入量均下降，最大下降量13 mm多，P1點下降量達到12.5%。

表3 考慮冷熱沖壓成形歷程側面碰撞B柱侵入量 mm

4 結語

1) 對某車型B柱外板熱沖壓工藝進行分析，通過數值模擬研究說明提出的熱沖壓直接成形工藝及工藝參數的可行性，隨后的熱沖壓實驗結果證明了數值模擬的有效性及所提出的B柱外板熱沖壓直接工藝及參數的正確性；

2) 經過熱沖壓工藝后，B柱外板屈服強度接近1 000 MPa，拉伸強度達到1 500 MPa；設計了3種方案進行B柱在車輛側面碰撞作用的分析研究，通過跟蹤對比B柱侵入量說明熱沖壓技術在輕量化領域及提高耐沖擊碰撞方面的突出優勢；

3) 對熱沖壓零部件的成形歷程進行研究，分析了熱沖壓零部件殘余應變的特征，對殘余應力的產生及作用機理進行了說明，給出了考慮成形歷程的熱沖壓技術應用方法。

[1] Hu Ping, Ma Ning, Li-zhong Liu, Yi-guo Zhu. Theories, Methods and Numerical Technology of Sheet Metal Cold and Hot Forming [M]. London: Springer London, 2013.

[2] Tomoyoshi Maeno, Ken-ichiro Mori, Takaaki Nagai. Improvement in formability by control of temperature in hot stamping of ultra-high strength steel parts [J]. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2014, 63：301-304.

[3] 馬寧，胡平，郭威. 高強度鋼板熱成形成套技術及裝備[J]. 汽車與配件，2009(45):28-30.

[4] Michael Abspoel, Bas M. Neelis, et al. Constitutive behavior under hot stamping conditions [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 69：141-152.

[5] Nagasaka Y, Brimacobe J K, Hernendez-Morales B, et al. Mathematic model of phase transformation and elastoplastic stress in the water spray quenching of steel bar [J]. Metallurgical Transactions A, 1993, 24(4):795-808.

[6] Kosuke Uda, Akira Azushima, Akira Yanagida. Development of new lubricants for hot stamping of Al-coated 22MnB5 steel[J]. Journal of materials Processing Technology, 2016,228：112-116.

[7] 馬寧，胡平，閆康康,等. 高強度硼鋼熱成形技術研究及其應用[J]. 機械工程學報，2010, 46(14)：177-181.

[8] Bergman G., Oldenburg M. A finite element model for thermomechanical analysis of sheet metal forming [J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2004, 59: 1167-1186.

[9] Eriksson M, Oldenburg M, Somani M C, et al. Testing and evaluation of material data for analysis of forming and hardening of boron steel components [J]. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng, 2002, 10: 277-294.

[10] Alexandre Blaise, Brahim Bourouga, Bakri Abdulhay, et al.Thermal contact resistance estimation and metallurgical transformation identification during the hot stamping [J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 61: 141-148.

[11] A. Turetta, S. Bruschi, A. Ghiotti. Investigation of 22MnB5 formability in hot stamping operations [J] , Journal of materials Processing Technology, 2006, 117: 396-400.

[12] Naderi M, Durrenberger L, Molinari A, et al. Constitutive relationships for 22MnB5 boron steel deformed isothermally at high temperatures [J]. Materials Science and Engineering A, 2008, 478: 130-139.

[13] Merklein M, Lechler, J. Determination of material and process characteristics for hot stamping processes of quenchenable ultra high strength steels with respect to a FE-based process design [J]. SAE World Congress: Innovations in steel and applications of advanced high strength steels for automotive structures, 2008:853-585.

[14] 邢忠文，包軍，楊玉英, 等. 可淬火硼鋼板熱沖壓成形實驗研究[J]. 材料科學與工藝，2008，16(2)：172-175.

[15] 林建平，王立影，田浩彬, 等. 超高強度鋼熱流變行為[J]. 塑性工程學報，2009，16(2)：180-183.

[16] 馬寧，申國哲，張宗華, 等. 高強度鋼板熱沖壓材料性能研究及在車身設計中的應用[J]. 機械工程學報，2011，47(8)：60-65.

[17] Shaw,J., Watanabe,K. Steel Strength and Processing Effects on Impact Deformation for a Crash Energy Management Component[J]. Society of Automotive Engineers, 2001(1):46-53.

[18] Huh,H., Kim,K. P. Kim, S.H., Song, J.H., Kim, H.S., Hong, S. K. Crashworthiness assessment of front side members in an auto-body considering the fabrication histories [J]. International Journal of Mechanical Sciences,2003, 45:1645-1660.

[19] 馬寧，胡平，翟述基，等. 高強度鋼板熱成形技術及其工程實現[J]. 汽車工藝與材料，2009(12)：32-34.

[20] 馬寧，胡平，郭威. 熱成形硼鋼熱、力及相變耦合關系研究[J]. 材料熱處理學報，2010，13: 33-36.