汽車A 柱上加強板熱成形零件回彈研究

文/聶飛，劉鵬，尤寶卿，茹承曦，王韋，柯亮·東風(武漢)實業有限公司

A柱上加強板作為熱成形類模具的代表性零件，在整車安全上起到了至關重要的作用，目前隨著汽車行業輕量化需求越來越高，汽車設計上，A 柱上加強板長度越來越長，造型面越來越多，因此在熱成形后及進行激光切割時都會出現切割變形現象，在這里統稱為熱成形回彈，尺寸超差較多時也會嚴重影響整車的裝配。

目前，解決零件回彈一般采用冷卻水道模擬分析。冷卻系統是熱成形模具設計的重點，同時也是難點。冷卻系統設計的是否合理直接影響著熱成形生產的品質，在設計冷卻系統時，既要保證模具均勻冷卻，也要保證合理的冷卻時間，使熱成形板料在冷卻過程中內部組織能夠有效地轉化，但在實際生產過程中影響因素眾多，導致理論分析的結果往往會有偏差。

本文通過我司的實例，對熱成形A 柱上加強板激光切割回彈問題進行了深入分析，希望能夠給以后類似問題的解決帶來幫助。

熱成形工作原理概述

工作原理

一般是將板料加熱到再結晶溫度以上某個適當的溫度，使其完全奧氏體化后再進行沖壓成形，沖壓成形之后需要保壓一段時間使零件形狀尺寸趨于穩定。鋼板熱沖壓是一種將先進高強度鋼板加熱到奧氏體溫度后快速沖壓，在保壓階段通過模具實現淬火并達到所需冷卻速度，從而得到組織為馬氏體，強度在1500MPa 左右的超高強度零件的新型成形技術；板料放到加熱爐進行加熱，加熱要均勻，溫度達到900℃以上，通過機械手將加熱完畢的料片送到帶有冷卻系統的模具中進行沖壓成形，模具閉合后保壓5 ～10s，使板料在模具內快速冷卻淬火，鋼板內部組織從奧氏體轉化成馬氏體，制件溫度降至200℃左右取出，最后用激光切割機切割出最終的制件。

生產流程

如圖1 所示，熱成形工藝生產流程為：下料→板料堆垛→加熱(鋼板在輥底式加熱爐中加熱，形成奧氏體組織)→快速轉移到壓機(機器人或機械手帶夾持器)→成形、冷卻(快速合模、成形，保壓，冷卻形成馬氏體組織)→隨室溫冷卻，得到抗拉強度很高的零件→激光切割成品。

圖1 熱成形工藝生產流程

工藝分析

該A 柱上加強板采用Autoform 軟件分析。在分析過程中，最關鍵的是材料特性參數的輸入，由于熱成形制件在成形過程中內部組織由奧氏體轉化成馬氏體，材料的力學性能也在不斷發生變化。所以不是一條簡單的特性曲線。為了進行CAE 分析，通過實驗，根據不同溫度、不同微觀組織的變化，將材料參數簡化成多條特性曲線，如圖2 所示。

圖2 材料力學性能特性曲線

輸入材料參數后，要對一些特性參數及運動過程進行設置，如室溫為20℃，模具溫度設置為75℃，摩擦系數為0.45，板料溫度為930℃，網格單元采用殼單元及熱傳導率等，設置完成后再進行計劃。模擬結果主要參考材料的變薄率，只要不出現開裂和起皺現象即可。

問題解決方案

問題內容

圖3 為某車型A 柱上加強板的零件圖，材質為22MnB5，料厚為2.0mm，為熱成形零件常用材質之一。

圖3 某車型A 柱上加強板零件模型

(1)問題發生。問題發生在小頭端頭(圖4)，選取6 個點進行檢測(小頭處與A 柱骨架加強板搭接，熱成形零件激光切割變化后小頭處變形較大，選取6個點進行監控及分析解析)，檢測數據與理論分析數據有較大差別。

圖4 問題發生處示意圖

(2)理論分析。理論分析數據(圖5)也有回彈現象，甚至個別位置回彈量達到0.55mm。理論與實測數據對比如表1 所示。經生產過程左右件連續測量5 臺份，圖示部位最大偏差量為1.2mm。

表1 理論與實測數據對比

圖5 理論回彈分析

(3)問題發生頻率。連續生產5 件，均有不同程度的偏差，最大偏差1.2mm，與標準值(0 ～0.6mm)最大相差1.2mm，發生率100%。

(4)制件理論與實際狀態對比。圖6 所示為制件大小頭偏差位置，沖壓完成后制件兩處區域與理論狀態不一致(黑色為理論狀態，紅色為實際狀態)。

圖6 理論狀態與實際狀態對比

問題研究方法

(1)狀態不一致的影響因素。

通過對眾多影響因素對比，其中回彈補償量為0，以及研合率為70%，均不滿足標準要求，需重點研究對策，如表2 所示。

表2 狀態不一致影響因素分析

(2)工藝分析流程。工藝分析階段未分析回彈情況，只根據經驗做的模面受熱后膨脹補償，如圖7所示。

圖7 工藝分析流程

問題研究對策

(1)仿真驗證。采用Autoform 軟件進行模擬仿真，根據實際測量數據的變化量，重新設置模擬參數，并依據檢測數據制作細化補償數據，最大變化量0.6mm。

通過調整回彈數據后重新反算，零件最大還有0.2mm 回彈，分析方案有效，如表3 所示。

表3 回彈補償加入前后數據對比

(2)樣件驗證。根據模擬結果(表4)，通過實際模具整改并多輪模具回彈補償，提升模具貼合率，并壓件確認，零件上各處點偏差都在公差范圍內，整改方案有效，需對數據進行進一步優化，如表5 所示。

表4 加入回彈補償后模擬結果

表5 數據優化前后樣件狀態對比

模具對應型面回彈補償如下，回彈補償方式為凸凹模對應型面相應機加更改；模具具體更改方案如圖8 所示。

圖8 模具補償方案部分展示

回彈補償在模具調試階段可能不能一輪整改消除完畢，不能一蹴而就，在這個整改階段內需認真記錄整改前后零件對應型面變化量，我司在整改該零件過程中前后進行了4 輪回彈補償，在此分享部分數據，如圖9 所示。

圖9 模具補償方案部分樣件數據展示

通過數據的進一步優化，使大小頭位置的回彈量均達到標準0 ～0.6mm 要求，滿足裝車條件，且沖壓制件穩定，得到了客戶的認可。

結束語

目前我司后續自主開發的幾套熱成形模具已經投入生產，生產過程中也會出現大頭回彈量大的問題，均通過此方案更改模具。通過一次次的更改，最終找出了變化規律，并輸入到最新的參數設置中，生產出合格的產品。

針對實際生產過程中出現的問題，要層層分析，最后找出問題的真因，同時在過程中需要做好數據記錄及總結，而生產實踐證明此方案效果明顯，沖壓產品質量穩定，得到了客戶的一致好評，也為后期再次出現類似問題提供了解決思路。

熱成形技術仍然存在許多問題，比如進行淬火時很難控制冷卻速度；零件不同區域由于冷卻速度的差異而發生變形。模具加工的難度增大，成本增加，限制了熱沖壓技術的推廣和應用。相關企業及高校也應密切的聯系起來大力發展熱成形技術不斷推動和完善相關制造技術。汽車輕量化技術方興未艾，隨著新材料、新工藝和輕量化技術的不斷發展，不僅可以為環保事業作出貢獻，也可為汽車節能并提高動力性。而汽車輕量化技術也漸漸的成為世界汽車發展的新潮流。