1 800 MPa 超高強鋼變徑管熱氣脹成形特性研究

程超，韓非，石磊

（1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201999；2.汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室（寶鋼），上海 201999）

近年來，隨著國家環保法規的要求越來越嚴格，汽車節能降耗和輕量化減重趨勢更加明顯，同時輕量化不能以犧牲車身性能為代價[1]。研究表明，汽車質量每減輕100 kg，可節省燃油0.3～0.5 L/（100 km），可減少CO2排放8～11 g/（100 km）。汽車輕量化手段包括使用輕量化材料、設計輕量化結構和使用新型成形工藝，三者相互結合是更加有效的方式[2-5]。常規手段是采用沖壓分體成形再焊接組裝的方式對車身結構件進行成形，這種方式存在焊接法蘭邊和焊點。封閉截面的管狀零件可以很好地提高車身性能及實現輕量化減重[6-7]。目前常用工藝為液壓成形，但由于受內壓限制的影響，目前最高強度為1 000 MPa 級別，且存在回彈調整和尺寸精度控制難度較大，不利于零件進一步實現高強輕量化減重的缺陷[8-9]。

熱氣脹成形技術是在超塑性成形（SPF）和熱脹成形（HBF）的基礎上發展起來的一種新型成形工藝[10-12]，它以氣體作為傳力介質，結合熱成形專用材料，可用于超高強度和尺寸精度要求的管狀零件的加工[13-14]。采用B1800HS 熱成形專用材料，充分利用其高溫狀態下的高流動性和低強度，可以成形復雜截面零件，在保壓狀態下進行模內冷卻淬火可以減小零件回彈，提高零件的尺寸精度[15-18]。將熱氣脹成形的超高強度管狀零件用于車身重要結構件，可有效提升整車碰撞、頂壓、剛度及NVH 等性能。

變徑管是管類零件的典型特征結構，通過研究變徑管的熱氣脹成形特性，可以為管類零件熱氣脹成形的研發提供基礎。本文通過有限元分析和試驗驗證方法，研究了成形溫度、加載速率及脹形壓力對變徑管成形特性的影響。

1 變徑管熱氣脹成形工藝原理

熱氣脹成形工藝原理如圖1 所示。成形過程如下：將管坯加熱到特定溫度（830 ℃以上），使其奧氏體化，并迅速轉移到模具內；通過左右密封頭進給使管坯密封，通過氣道加入一定壓力的氣體，使管坯發生脹形直至貼合模具；在保壓狀態下，通過在冷卻水道通入冷卻水對變徑管進行模內淬火，待冷卻至指定溫度后開模取出零件。

圖1 熱氣脹成形工藝原理Fig.1 Principle of hot metal gas forming

2 變徑管熱氣脹成形有限元分析

為了研究B1800HS 超高強鋼在熱氣脹成形中的變形規律，借助有限元軟件ABAQUS 的熱力耦合模塊分析加熱溫度、氣壓加載速率和脹形壓力等對變形規律的影響，用材為B1800HS-1.4 mm。

2.1 有限元分析模型

有限元仿真分析模型包括上模、下模和管坯三部分?？紤]到有限元分析時模具和管坯之間的熱傳導，將上模、管坯和下模均設置為變形體，采用實體網格，模具的網格類型為C3D4T，管坯網格類型為C3D8T，沿厚度方向劃分3 層網格。由于變徑管左右對稱，為提高仿真分析效率采用1/2 模型，有限元分析模型如圖2 所示。將模具與管坯之間的摩擦定義為面與面接觸的切向屬性，摩擦因數為0.15，管坯和模具之間設置為對流熱交換[19-24]。

本文研究材料為B1800HS 超高強鋼，將材料定義為各向同性材料，屈服準則采用米塞斯（Mises）屈服準則。參考GB/T 228.1—2021 制備管材軸向拉伸試樣[25]，采用線切割方法從原始管坯上取樣，取樣位置和拉伸試樣如圖3 所示，拉伸曲線如圖4 所示，其他材料屬性參數如表1 所示。

表1 B1800HS 材料參數Tab.1 Material parameters of B1800HS

圖3 原始管坯拉伸試樣Fig.3 Tensile test sample for initial tube: a) sampling position; b) sample size; c) physical sample

圖4 不同溫度和應變速率下的真實應力-應變曲線Fig.4 True stress-strain curves at different temperature and strain rates

變徑管熱氣脹成形仿真分析有3 個步驟：1）將熱態管坯放在下模上，使上模豎直向下運動合模；2）按照一定的加壓速率向管坯內部通入一定壓力的氣體；3）在保持壓力不變的情況下，使管坯與模具緊密貼合進行冷卻淬火。

2.2 各因素對管坯變形的影響

根據以上模擬參數進行有限元仿真分析，成形零件的等效應變和溫度分布規律如圖5 所示。管坯左右的應變場與溫度場呈對稱分布，由于在熱氣脹冷卻過程中，管坯下半部分始終與下模具接觸，因此，下半部分的溫度較低，管坯上下的應變場和溫度場呈現不對稱分布。

圖5 管坯參數分布Fig.5 Distribution of tube blank parameters:a) equivalent strain; b) temperature

由于管坯的變形是沿環形均勻分布的，因此選取模具最下方的脹形高度來表征管坯的變形行為。沿管坯軸向選取若干節點，并提取這些節點的脹形高度進行比較，以此來分析不同工藝參數對管坯變形行為的影響。選取節點如圖6 所示。

圖6 數據節點選取圖Fig.6 Data node selection diagram

2.2.1 成形溫度

保持氣壓加載速率為 3 MPa/s、脹形壓力為15 MPa 不變，當管坯成形溫度為700、800、900 ℃時，各節點脹形高度如圖7 所示?？梢钥吹?，在脹形壓力和氣壓加載速率相同的情況下，管坯的初始成形溫度越高，管坯的脹形高度就越大，管坯的貼模情況就越好。

圖7 溫度對管坯變形規律的影響Fig.7 Effect of temperature on the deformation law of tube blank

2.2.2 氣壓加載速率

氣壓加載速率對管坯脹形的影響不僅體現在變形速度上，還與溫度有耦合關系，即在管坯初始溫度相同的情況下，管坯與模具之間的熱傳導會導致管坯在變形過程中溫度降低。保持管坯成形溫度為900 ℃、脹形壓力為9 MPa 不變，當氣壓加載速率為1、3、5 MPa/s 時，各節點脹形高度如圖8 所示?？梢钥吹剑诠芘鞒尚螠囟群妥畲竺浶螇毫ο嗤那闆r下，管坯的氣壓加載速率越大，管坯的脹形高度就越大，管坯的貼模情況就越好。

圖8 氣壓加載速率對管坯變形規律的影響Fig.8 Effect of pressurization rate on the deformation law of tube blank

2.2.3 脹形壓力

保持管坯成形溫度為900 ℃、管坯氣壓加載速率為1 MPa/s 不變，當管坯脹形壓力為9、12、15、18 MPa時，管坯上各節點的脹形高度如圖9 所示?？梢钥吹剑诔尚螠囟群蜌鈮杭虞d速率相同的情況下，管坯的脹形壓力越高，管坯的脹形高度就越大，管坯的貼模情況就越好。

圖9 脹形氣壓對管坯變形規律的影響Fig.9 Effect of bulging pressure on the deformation law of tube blank

3 變徑管熱氣脹成形試驗方案

由有限元仿真分析可知，溫度越高、加載速率越大、脹形壓力越大，零件貼膜精度越高。本文采用的熱氣脹成形試驗裝置原理圖如圖10 所示。采用氣液增壓快速合模壓力機提供合模力，采用感應加熱器對管坯進行加熱，采用紅外線熱像儀進行間接測溫，采用氣壓PLC 控制柜和氣瓶對管坯進行充氣加壓。

模具的三維圖如圖11 所示。將上模和壓力機上橫梁固定，下模和壓力機臺面固定，在試驗過程中，通過水對模具冷卻，通過感應線圈對管坯加熱，并通過紅外線熱像儀實時監控溫度并對溫度進行調節，通過左右端蓋對管坯進行密封，通過氣壓控制系統進行加壓試驗。

圖11 熱氣脹成形模具圖Fig.11 Hot metal gas forming mold diagram

變徑管熱氣脹成形試驗裝置和樣件如圖12 所示。設備主要包括模具、加壓系統和冷卻系統。采用試驗方法，研究了成形溫度、氣壓加載速率和脹形壓力等敏感參數的影響規律。通過優化工藝參數可以提高變徑管的貼膜精度，并獲得滿足試驗設定要求的樣件。

圖12 熱氣脹成形實驗裝置及樣件Fig.12 Hot gas expansion forming experimental device and sample: a) experimental device; b) sample

4 變徑管樣件性能

4.1 尺寸精度

為了精確測量成形后變徑管的尺寸精度，采用Power Scan 三維掃描儀對成形后的樣件進行測量，如圖13 所示。通過對掃描物體三維點云進行處理以及對樣件數模進行空間偏差計算，定量表征變徑管的尺寸精度，通過Geomagic Qualify 軟件提取成形后管坯的三維點云坐標，比較平行于軸線的直徑面輪廓與模具的內表面。

圖13 三維掃描及精度對比Fig.13 3D scanning and accuracy comparison

當內壓為18 MPa 時，成形溫度和增壓速率對變徑管外表面輪廓的影響如圖14 所示?？梢钥吹?，隨著溫度和增壓速率的升高，成形后管坯的外輪廓更加貼近模具型腔，成形后的圓角更小，成形精度更高。

圖14 溫度和增壓速率對變徑管成形精度的影響Fig.14 Effect of temperature and pressurization rate on forming accuracy of variable diameter tube

當溫度為900 ℃、增壓速率為3 MPa/s 時，脹形壓力對變徑管外表面輪廓的影響如圖15 所示。可以看到，隨著脹形壓力的增大，管坯的貼膜性逐漸改善，成形精度變好。

圖15 脹形壓力對變徑管成形精度的影響Fig.15 Effect of bulging pressure on forming accuracy of variable diameter tube

由變徑管試驗可知，提高溫度、增壓速率和最大脹形壓力可以改善變徑管的貼模情況，試驗結果和有限元仿真分析結果一致，從而閉環驗證了仿真分析的有效性。

4.2 力學性能

參考GB/T 228.1—2021制備管材軸向拉伸試樣[25]，采用線切割方法從零件上取樣，對脹形區域進行力學性能分析，取樣位置和拉伸試樣如圖16 所示。

圖16 變徑管拉伸試樣Fig.16 Tensile test sample for variable diameter tube: a) sampling position; b) sample size; c) physical sample

使用AG-X Plus 萬能試驗機對不同成形條件下變徑管脹形區的拉伸試樣進行單向拉伸試驗，抗拉強度如圖17 所示?？梢姡?00 ℃下成形的變徑管抗拉強度均已經超過1 800 MPa；當成形溫度為800 ℃時，變徑管脹形區的抗拉強度在3 MPa/s 和5 MPa/s的增壓速率下同樣達到了1 800 MPa，而在1 MPa/s的情況下抗拉強度偏低；在700 ℃下成形的變徑管脹形區抗拉強度偏低，隨增壓速率的增大而增大。

4.3 壁厚分布

不同試驗條件下的B1800HS 變徑管環向壁厚分布情況如圖18 所示。由于變徑管變形狀態呈對稱分布，每隔15°測量一個點直到180°位置?？梢钥闯?，變徑管的壁厚分布較為均勻，無明顯的增厚或減薄缺陷，厚度分布滿足設計要求。

圖18 環向壁厚分布Fig.18 Thickness distribution along circumferential wall

5 結論

變徑管熱氣脹有限元仿真和試驗研究表明，提高成形溫度、增壓速率和脹形壓力可以改善變徑管的貼模效果，提高變徑管的尺寸精度；當成形溫度為900 ℃時，變徑管的強度更容易達到1 800 MPa 級別，且增壓速率和脹形壓力的影響較??；沿環向變徑管的厚度分布均勻，且無明顯增厚或減薄缺陷；驗證了變徑管零件熱氣脹成形工藝的可行性，獲得了敏感參數的影響規律，為后續車身管件熱氣脹工藝開發提供了基礎和參考。未來需要進一步開展1 800 MPa 典型車身管件熱氣脹成形特性及零件開發研究。