汽車B柱熱沖壓成型工藝

本文對熱沖壓成型原理及工藝流程進行了介紹，并在翻邊工藝、拉延深度、產品結構及局部造型等方面對某車型B柱熱成型沖壓件的開發進行了細致探討，通過對缺陷問題的分析和總結，制定整改方案并實物驗證，歸納形成了B柱熱成型結構設計要點，為類似件熱成型開發提供借鑒經驗。

為了實現更大程度的汽車輕量化及汽車碰撞性能, 汽車制造企業對熱成型沖壓件的需求逐年增加。隨著熱成型沖壓技術高速發展, 汽車主機廠還將熱成型技術用于優化車身結構、降低壓機噸位、降低沖壓噪聲。

根據汽車車身結構設計要求, 熱成型沖壓件廣泛應用于保險杠、門檻、縱梁、B柱等。因熱成型與冷沖壓工藝差異, 熱成型技術對沖壓件結構有特定工藝要求, 本文以某車型B柱熱成型沖壓件為例, 分析總結沖壓件結構對熱成型工藝的影響。

1. 熱成型技術介紹

1.1 熱成型原理

將抗拉強度為400~600MPa的硼鋼通過冷沖壓落料或剪板機下料制得初始坯料, 將初始坯料放入加熱爐中, 加熱到AC3線左右, 充分奧氏體化, 快速移到壓力機中, 通過帶有冷卻系統的模具快速合模、成形、保壓冷卻到100-200℃, 最后室溫冷卻, 形成馬氏體組織抗拉強度可到1500MPa的產品件。圖1為熱沖壓工藝流程圖。

圖1 熱沖壓工藝流程圖

1.2 工序件后處理

后處理主要包括鐳射、拋丸、表面處理等內容, 鐳射是對修邊線、孔等進行激光切割, 因為鐳射成本較高切效率偏低, 對精度要求不高的止口可通過落料及熱成型過程控制。拋丸主要作用是除去沖壓件表面氧化皮, 以得到表面質量較高的產品件。表面處理又可分為涂油、電泳等, 所使用防銹油既要達到防銹的目的又不能影響白車身涂裝, 利用電極離子吸附原理使涂料均勻吸附在產品的表面, 從而達到產品完美的外觀及耐酸堿防腐的特殊性能。

2. 基于產品的工藝分析

2.1 翻邊工藝

熱成形零件翻邊中拉延-法蘭邊區域有很高的起皺、開裂傾向。外凸翻邊的最終線長度比初始長度短而產生壓縮法蘭邊, 容易導致起皺和疊料, 其起皺的趨勢隨翻邊高度的增加而增大。內凹翻邊屬于伸長類翻邊, 產生拉伸法蘭邊, 豎邊的長度在成形過程中會被拉長, 當變形程度過大時, 豎邊邊緣的切向伸長和厚度減薄就比較大, 容易發生拉裂。

法蘭邊越高, 拉伸失穩越明顯。無論是外凸翻邊, 還是內凹翻邊, 都應降低翻邊高度和曲率?？傮w上說, 熱成形B柱不宜有翻邊, 尤其是90°的翻邊特征, 如翻孔 (圖2a) , 翻邊特征轉角很急的情況下做缺口改進, 以避免局部堆料或開裂 (圖2b) 。

2.2 拉延工藝

2.2.1 拉延深度

圖2 翻孔與翻邊缺口

降低拉延深度, 且成形深度盡可能相同, 應能夠采用一次拉延成形, 避免多道次拉深。冷拉深成形中, 零件易在凸模圓角處開裂。而熱拉深成形時, 板料與模具在凸凹模圓角處先接觸 (圖3) , 導致這些部位首先冷卻硬化, 變形抗力增大。變形將轉向溫度較高、具有良好塑性流動性的拉延側壁, 導致應變集中。

圖3 拉延過程中的板件冷卻

由于側壁處于平面應變狀態, 拉延深度的增加依靠材料厚度的減薄, 因而易產生拉裂, 且拉裂的傾向隨著拉深深度的增加加劇。

2.2.2 拔模角

B柱拉延應采用錐形 (α≥97°) 或是拋物線形拉深成形 (圖4) , B柱的截面形狀上應避免直壁和階梯形零件的拉深成形。

圖4 錐形拉深成形與拋物線拉深成形

直壁和階梯型截面形狀在成形過程中, 材料流動阻力增大, 且熱板料與模具的接觸狀況差, 接觸壓力低, 甚至出現不與模具接觸的非接觸區域, 影響板料快速淬火。

因在模具制造過程中, 會根據壓料面積、受力均衡、沖壓負角等因素, 選擇沖壓方向。所以在考慮拔模角度的同時關注局部造型特征, 避免產生負角或深度過大。

2.2.3 產品局部結構

2.2.3. 1 反成形優化

結構中應避免出現較深和較大區域的反向沖壓成形 (圖5) 。反沖結構, 容易產生堆料, 若無法避免, 則應采用較大的過渡圓角, 反沖的區域的形狀特征以盡可能平順過渡為特點, 防止引發由高溫度梯度導致的局部變形, 降低起裂風險。

圖5 熱成形件局部造型

2.2.3. 2 避免高落差急劇變化

板料與模具間存在接觸時序上的差異, 急劇的幾何形狀過渡將會造成接觸時序相差更大, 更易產生高的溫度梯度, 加劇應變集中。B柱的形狀設計必須平緩過度, 增加過渡圓角半徑, 盡可能的減少變形過程中不與模具接觸的板料面積。減小零件沿長度方向的彎曲角度。過大的彎曲角度會使得沖壓方向的選擇變得困難, 影響零件的成形。

2.2.3. 3 R角

拐角處盡可能的以球R接順, 且盡可能的大;鎖扣為和門鉸鏈位的凸包在滿足功能要求的情況下, 盡可能降低凸包高度, 且凸包面的角度要盡可能的大, 然后倒R15以上圓角;孔位凸包不能做得太深, 且周邊R角和斜度都必須是做大, 以防止局部缺料而拉薄拉裂。

2.2.3. 4 整體結構

B柱零件應盡量采用規則的形狀設計, 降低不對稱度, B柱的截面形狀應該盡量簡單對稱。對稱度較差的零件設計, 會導致坯料難以定位, 如圖6a高度差h。在成形過程中, 坯料還可能會產生轉動, 模具與坯料接觸狀態差, 甚至影響材料的流動和淬火冷卻。

圖6 熱成形件整體結構

另外量避免封閉式設計, 而采用開放式設計。盡可能采取彎曲成形, 減少法蘭邊產生起皺、減薄以及拉裂的危險。封閉式的“杯狀”結構會導致成形過程中材料在凸凹模拐角處產生壓縮變形和起皺, 需要采用合適的壓邊力。

有起皺傾向的區域如B柱零件的端部的設計中, 應該設置吸皺筋 (圖6b) 。

3. 總結

圖7 B柱模具與實物

通過車身B柱的熱成型件的開發, 完成了熱成型模具設計制造及批量生產驗證, 如圖7所示。雖然近年來熱沖壓技術發展迅速, 通過本文可認識到熱成型對產品結構約束性很強, 但在新型熱成型材料應用及模具新技術發展方面還有很廣闊的空間。