汽车B柱高强度钢热冲压工艺分析

引言

热冲压工艺又称为热成形技术、冲压硬化技术,是指当板料处于红热阶段时冲压成形。在热冲压之前,需要计算原材料用量,先行下料,然后把下料好的高强度钢放置到加热设备中直至奥氏体化,温度一般为880～950℃,再然后将其放到具有冷却功能的模具上成形,在此过程中模具表面会使钢冷却、淬火,出现相变,形成马氏体,此时已经成形的汽车B柱的强度大幅提高。实践表明,钢强度可由500～600MPa提升到1500MPa,提高了250%,该技术被广泛应用于汽车高强度钢的成形过程中。

1汽车B柱高强度钢热冲压工艺

本文以某汽车B柱高强度钢成形为例,对热冲压工艺展开分析。该汽车B柱规格为1316mm×282mm×295mm,厚度0.8mm。其顶部凸台高,两端存在较深台阶,局部形状易变,成形过程中容易出现起皱问题。该工艺主要包括拉延、修边、冲孔、整形4道工序,高温状态下高强度钢的流动性良好。

1.1确定参数值

通过CATIA构建B柱有限元模型,热冲压工艺部件成形期间会受到温度、塑性等参数的影响。因此,实践中往往通过热-力-相变耦合分析方法进行研究。高强度钢材模型使用22MnB5,厚度0.8mm,加热后最后温度设定为950℃。热冲压工艺应用初期,模具温度因其与板料接触而上升,同时又因其内部包含冷却水道,该过程中模具温度人为感受近似不变。将模具温度设定为50℃。相对模具而言,板料热传导系数设定为3500w/(m2·K）。热冲压速度设定为100mm/s。冲压期间全部摩擦系数均设定为0.35。有限元模拟全过程包括加热、传输、成形、淬火与冷却。加热与传输的热量传递主要处于材料与环境间,包括材料自身热辐射、环境对流,后期因板料同模具接触,其导热系数会高于对流与辐射换热系数,因此可以只考量板料和模具接触后的热量传递。

1.2数值模拟前期处理

1.2.1模型导入

构建有限元模型后,需要进行B柱高强度钢模拟,上述B柱有限元模型是在CATIA中构建的,存储为CATPart格式。将该模型传输到Autoform软件中,通过弯曲加强膜单元分析模型。

1.2.2明确冲压

明确冲压主要是指对冲压方向的确定,例如开展拉延工序时,在明确参数值的基础上确定冲压方向,应当尽可能确保其方向同其他工序方向相同,这样能够在流水线生产期间减少翻转次数,有利于流水线作业,缓解操作人员压力,降低其劳动强度,节约生产时间,同时有助于保证模型制造质量。

1.2.3压料面设计

压料面设计是指对压料面形状的确定,该过程能够保证板料成形过程中不会破损、开裂,使其顺利成形。从拉延工序来看,压料面形状能够有效减小拉延深度,确保凸模拉延效应。另外,还需要保证压料面光滑,便于板料向凹模移动。结合考量B柱高强度钢部件形状以及压料面设计理念,合理设计压料面形状。

1.2.4拉延筋设计

拉延是热冲压工艺的难点,生产过程中容易出现破裂、颈缩、起皱等问题。为了防止这些问题的出现,可以通过设计拉延筋的方式改善板料流动状态。拉延筋能够在凹模口部的板料流动状态得以变化,提高部件流动均匀性,保证其成形质量[3]。在Autoform中可以采用两节点线单元建立拉延筋。根据其参数差异,设计多种拉延筋形状。

1.2.5补充面设计

工艺补充面主要包括内外两部分。其中内部工艺补充面的主要功能是填补部件内部孔洞、倒角:外部工艺补充面的主要功能是依照特定拔模角度连接压料面和部件外轮廓线。在Autoform中即可实现工艺补充设计。

1.3数值模拟结果分析

板料厚度为0.8mm,加热后膨胀为0.81mm,厚度变化较小。从整体来看,加热后板料分布均匀,在高温环境下呈现出奥氏体化状态,晶体结构为面心立方性质,具有良好的成形基础。板料减薄率模拟结果显示其数值较大为14.195%,远远小于标准值25%。高强度钢成形、淬火环节会随着温度的改变而出现变化,微观组织会出现相应改变。具体而言,在前10s,板料与压料板尚未接触,板料局部位置会随着时间与温度的变化而出现变化:在10～11s期间,板料大部分区域与压料板接触开始冲压成形,部件平面区域大的位置温度下降相比其他区域快,B柱顶部凸台温度相比其他区域下降慢,出现该情况的原因主要是B柱大平面最先和板料接触出现热传递现象,顶部凸台最后与板料接触:在11～21s淬火时期,大平面、顶部凸台这两部分冷却最快,这两部分能够与模具充分接触,因此散热速度快,能够完全转变为马氏体。但B柱侧壁深度最高,为变形区域,又因为模具间隙影响,部件和模具接触较差,因此散热较慢,难以完全转化为马氏体。

热冲压工艺下部件表面硬度、强度标准对热冲压工艺的应用性能会产生直接影响。通过有限元模拟设计,再对各个部位数值进行模拟结果分析,能够明确B柱各个部件的强度、硬度。经分析可知,部件的硬度、强度分布均匀,硬度大于HV470,强度大于1400MPa,板料抗压性能大大增强。结合该部分的数值分析以及前文所述的设计参数值,进行热冲压成形工艺,汽车B柱成形后,其整体厚度均匀,没有破损、开裂、起皱等问题。马氏体转变基本完全,B柱硬度、强度都高于标准要求,成形效果佳。

2应用热冲压工艺的模具选择

汽车B柱高强度钢热冲压过程中,需要注意模具的选择。具体而言,相比于冷冲压模具只负责部件成形外,热冲压工艺所应用的模具不仅需要服务于部件成形,还需要负责冷却淬火,因此往往更复杂,在选择模具材料方面以及模具设计方面需要更加严谨地把控。

模具材料需要具备优良的热传导系数,能够促使钢板和模具表面高效传热,发挥冷却功能。模具材料还需要有较高的热导能力,硬度高、耐磨、热疲劳性能佳,能够在成形过程中保持尺寸稳定、硬度良好,且能够负担硬氧化皮与高度摩擦所形成的磨损,还需要在冷热交替状态下保持良好性能,不影响使用寿命。此外,模具材料还需要具有防腐蚀性能,以保证内部冷却管道不会被锈蚀。国外用于热冲压的模具材料通常含有较高的Ni、Cr元素。在选择模具材料时应当结合实际应用需求,综合考量加热、用热等因素,进而合理选择模具材料。

热冲压工艺回弹性差,在设计模具时,需要注意结合热胀冷缩原理,要求冷却系统能够快速、均匀地发挥冷却功能,管道布局、形状、工作面等相互间的距离以及系统密封性均是设计重点,也是热冲压工艺的重要组成部分。在设计模具时,可以结合数值结果分析与数值设计,前期模拟模具,以保证管道效果。此外,在成形部件设计、工艺调试等方面,热冲压工艺均具有鲜明特点,对B柱成形均可能产生影响,因此需要结合热冲压工艺进行细致分析。

3结语

本文以某汽车B柱为例进行了热冲压工艺研究,从数值设计、前期模拟、结果分析、模具选择等方面,分析了应用热冲压工艺的关键点,论述了应用热冲压工艺的合理性与科学性。通过分析可知,应用热冲压成形工艺所生产的B柱完全能够达到汽车生产标准要求,满足汽车B柱高强度钢的生产需求。