差厚板熱成形B柱仿真分析及試驗研究

李 松，張海龍

（長城汽車股份有限公司 技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

0 引 言

高強鋼板熱成形技術作為汽車輕量化的重要途徑，近幾年在汽車行業的應用呈現爆發式增長，熱沖壓制件的應用范圍已經從傳統的中高檔車型拓展到低檔車型[1]，與此同時，熱成形技術也有了較大發展，拼焊板、補丁板、熱成形冷熱分區等先進技術應運而生，并逐漸應用于車身結構。差厚板熱成形技術是在激光拼焊板和補丁板的基礎上發展而成，將不等厚的板料整體加熱到930～950℃保溫，然后在模具內完成沖壓及淬火，既克服了激光拼焊板焊縫缺陷問題又避免了補丁板焊點虛焊、鍍層析出、焊點開裂等問題[2]。

高強鋼沖壓性能隨著強度增高而降低，強度越高成形越困難，B柱這種復雜的高強度零件使用冷沖壓不能成形，只能采用熱沖壓成形[3]。B柱作為汽車重要的安全部件，除了抵抗外部的沖擊還要保證駕駛艙的完整性，要求中間區域強度高，而頂端和底端需要吸收汽車受到沖擊時的能量以保證駕乘人員的安全，因而需要相對較低的強度[4]。因此B柱差厚板熱成形技術應運而生，相比傳統的熱成形技術可降低4.8 kg的整車質量，具有較高的經濟性。差厚板熱成形技術的難點是板料厚度不一致，制件淬火冷卻速度不均勻導致馬氏體轉化率不一致，影響制件的抗拉強度和硬度，不能滿足整車強度設計標準。

1 制件結構

某車型差厚板熱成形B柱如圖1所示，材料厚度變化區間為1.4～2.2 mm，材質為22MnB5，線體機床壓力為12 000 kN，要求成形后制件剛度大于450 HV，抗拉強度大于1 300 MPa。

2 有限元模型建立

使用AutoForm R8建立差厚板熱成形有限元分析模型，其中板料模型如圖2所示，板料厚度分為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 mm，板料由廠家軋制而成，既避免了補丁板焊點缺陷又避免了傳統激光拼焊板焊縫帶來的缺陷。

圖2 板料形狀尺寸

由于B柱結構復雜，使用凸模和凹模直接壓合成形時，B柱大端和小端位置馬氏體轉化不充分，靠近大端位置產生褶皺，制件無法成形，因而采用圖3所示工藝方案，成形過程是壓邊圈和凹模首先閉合，然后壓料芯1和壓料芯2閉合，最后凸模和凹模閉合。

圖3 差厚板B柱熱成形有限元模型

由于板料加熱后延展性提高、強度降低，為了防止板料開裂，按照1.1t（料厚）設置板料間隙[5]，壓邊圈和凹模采用間隙控制，間隙設為2 mm；壓料芯1和凸模采用間隙控制，間隙設為1.5 mm；壓料芯1和壓料芯2分別與凸模采用間隙控制，間隙都設為1.5 mm。

3 工藝參數設定及優化

3.1 工藝參數設定

22MnB5差厚板熱成形按照板料溫度變化可以分為4個階段：加熱保溫階段、轉移及等待合模階段、快速成形階段和保壓淬火階段。板料在加熱保溫階段需要設置合適的加熱曲線和保溫時間，使板料充分奧氏體化，同時需要避免保溫時間過長導致奧氏體晶粒長大，設置環境溫度為25℃，換熱系數為 0.075 mW/(mm2·K)。

在轉移和合模等待過程中，板料主要與周圍空氣進行對流和輻射換熱，設置轉移時間為6 s，板料在模具中等待時間為2 s，環境溫度為25℃，換熱系數為0.075 mW/(mm2·K)，轉移及等待導致板料溫度下降約140℃（板料加熱溫度為950℃），板料入模溫度約為810℃，模具本體溫度為150℃。

成形過程中，板料除了與空氣進行換熱外，還與模具產生接觸換熱，設定板料與模具的接觸換熱系數為3.5 mW/(mm2·K)。

保壓淬火過程中，板料主要與模具零件接觸換熱，設定保壓壓力為2 500 kN，保壓淬火時間為10 s。另外，設定板料與模具零件之間的熱摩擦因數為0.45，沖壓速度為100 mm/s，CAE分析參數如表1所示。

表1 CAE分析參數

基于以上工藝參數進行成形過程仿真分析，馬氏體轉化率靠近大端位置最低為76.46%，如圖4所示，與之對應的制件抗拉強度最小為1 076 MPa，不能滿足抗拉強度≥1 300 MPa要求，如圖5所示；制件硬度最低為364.7 HV，如圖6所示，不能滿足制件硬度＞450 HV的要求。

圖4 優化前馬氏體轉化率

圖5 優化前制件抗拉強度

圖6 優化前制件硬度HV

3.2 工藝參數優化

考慮B柱大端位置厚度為1.4 mm，壓料芯和凸模間隙為1.5 mm，制件與壓料芯間隙偏大影響制件淬火降溫速率，有研究表明[6]當冷卻速度＞30 K/s時，鋼板直接轉變為馬氏體。為提高大端位置溫度降低速率，將壓料芯與凸模間隙調整為0.5 mm，同時將保壓時間調整為14 s，重新進行仿真分析。分析結果顯示：制件馬氏體轉換率提升24%達到100%，如圖7所示；制件抗拉強度最小值由1 076 MPa提高到1 337 MPa，如圖8所示；制件最小硬度由364.7 HV提高到455.8 HV，如圖9所示。

圖7 優化后馬氏體轉化率

圖8 優化后制件抗拉強度

圖9 優化后制件硬度HV

成形后制件最大厚度為2.126 mm，最小厚度為1.38 mm，如圖10所示，最大減薄率為12.8%，如圖11所示，制件厚度和最大減薄率均在標準范圍內（22MnB5熱成形要求制件減薄率控制在-15%內）。

圖10 成形后板料厚度分布

圖11 成形后料厚減薄率

4 差厚板熱成形試驗研究

按照上述工藝方案進行結構設計并設計模具，差厚板熱成形工藝試驗按照優化后的工藝參數進行試壓，首先將板料在加熱爐中加熱至930℃，保溫3 min，然后將板料轉移至熱成形模具中，轉移時間控制在5 s內，完成成形和淬火，保壓壓力為2 500 kN，保壓時間為14 s，成形后制件無起皺開裂等問題。對熱成形制件按圖12所示位置進行取樣，并按圖13加工拉伸試樣進行拉伸試驗。

圖12 差厚板熱成形B柱取樣位置

圖13 拉伸試樣

在電子萬能試驗機上分別對原板料和成形制件上4個試樣進行拉伸試驗，拉伸后的力學性能數據如表2所示。

由表2可知，經過熱成形工藝加工后，材料的抗拉強度得到大幅提高，但延伸率大幅降低，選取試樣抗拉強度均大于1 300 MPa，滿足整車設計要求。

表2 熱成形制件抗拉強度及延伸率

5 結束語

通過對差厚板熱成形B柱進行仿真分析，模擬板料加熱、轉移、成形、保壓淬火整個過程，結合仿真結果對工藝參數進行了優化，得出以下結論。

（1）確定制件最優的工藝參數為：制件大端位置壓料芯與凸模間隙設置為0.5 mm，保壓壓力為2 500 kN，保壓時間為14 s。

（2）仿真結果與試驗結果一致，實際成形制件抗拉強度均大于1 300 MPa，硬度大于450 HV，滿足制件設計要求。

（3）差厚板熱成形制件的馬氏體轉化率與模具零件間隙、淬火冷卻速率、保壓時間有直接關系，進行工藝參數優化時需要重點關注。