1、汽 车 技 术汽 车 技 术汽 车 技 术汽车热压成型板研究与应用邓本波 鲁后国 唐程光（江淮汽车技术中心 ）【摘要 】综述了热压成型板的成型原理及成型加工工艺 。 以热压成型板在某款车型 B 柱内板上的应用为例 ，对比分析了热压成型工艺方案与冷成型工艺方案在部件数量 、质量 、成本及性能等方面的差异 。 分析结果表明 ，该汽车B 柱采用热压成型后 ，与冷压成型相比 ，其质量减轻 35.7%，成本降低 16.8%，最大变形量减少 28 mm，从而验证了热成型方案在该车 B 柱上应用的可行性 。主题词：汽车 B 柱 热压成型 冷压成型 对比分析中图分类号： U466 文献标识码： A 文章编号：
2、 10003703（2012）12006203Research and Application on Hot-press Forming Panel for VehicleDeng Benbo, Lu Houguo, Tang Chengguang（R&D Center of Anhui Jianghuai Automotive CO., LTD）【Abstract】The principle and processing of hot-press forming panel are introduced in general. With the applicationof hot-press
3、 forming panel on B-pillar inner panel as an example, a comparative analysis has been made on differencesbetween hot -press and cold -press forming processing solutions in terms of components number, quality, cost andperformance, etc. Analysis results show that compared with cold-press forming, the
4、application of hot-press formingprocessing on B pillar can reduce the weight by 35.7%, cost by 16.8% and maximum deformation by 28 mm, thus verifyingthe feasibility of applying hot-press forming solution on vehicles B pillar.Key words：Vehicle, B pillar, Hot-press forming, Cold-press forming, Compara
5、tive analysis1 前言目前 ，降低汽车燃料消耗 、减少 CO2和废气排放是社会的主要需求 ，为适应这种发展趋势 ，钢铁业已开发出多种高强度钢板来帮助减轻汽车质量 ，同时提高汽车的安全性 。 其中 ，热压成型板以其高减重潜力 、高碰撞吸收能 、高疲劳强度 、高成型性及低平面各向异性等优势2，3成为汽车工业轻量化的主要材料 。 为兼顾轻量化与碰撞安全性及避免高强度下冲压件回弹与模具磨损等问题 ，热压成型高强度钢及其成型工艺和应用技术应运而生 。 目前 ，凡是达到 U-NCAP 碰撞4 星或 5 星级水平的乘用车型 ，其安全件 （A/B/C 柱 、保险杠 、防撞梁等 ）多采用抗拉强度为
6、1 500 MPa、屈服强度为 1200MPa 的热成型高强度钢 。 热压成型工艺在国外特别是欧洲得到广泛应用 ，如大众系列车型中热冲压零件使用比例达 10以上 ；FIAT 拟在后续车型中使用 16以上的热冲压零件 ；VOLVO 后续新车型使用的热冲压零件将达 5以上 。 而我国汽车工业中热冲压零件的应用还处于初级阶段1。本文以某款车型 B 柱板热压成型为例 ，对比分析了热压成型板与冷压成型板在部件数量 、质量 、成本及性能等方面的差异 。2 热压成型加工工艺2.1 理论基础与传统的冷压成型工艺相比 ， 热压成型工艺的特点是在板料上存在一个不断变化的温度场 ， 如图1 所示 。 在温度场的影响
7、下 ，板料的基体组织和力学性能发生变化 ，导致板料的应力场也发生变化 ，同时板料的应力场变化又反作用于温度场 ， 所以热压成型工艺是板料内部温度场与应力场共存且相互耦合的变化过程 。图 1 温度场 、应力场和金属微观组织的相互作用2.2 加工工艺热压成型加工工艺过程如图 2 所示 。 首先将常应力场温度场微观组织演化123456材料 工艺 设备 62 2012 年 第 12 期20 年 第 期年 第 期温下强度为 400600 MPa 的硼合金钢板加热到880950 ，使之均匀奥氏体化 ，然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成型 ，最后快速冷却 ，将奥氏体转变为马氏体 ， 使冲压件得到硬化 ，
8、 大幅提高强度 ，此过程被称为 “冲压硬化 ”技术4。图 2 热压成型加工工艺过程实际生产中 ，热压成型工艺又分为直接成型工艺和间接成型工艺 。 直接成型工艺是指板料加热到奥氏体化温度 ，保温一段时间后直接进行成型及淬火 。其优点为 ：板料在一套模具中进行成型及淬火 ，节省了预成型模具费用并加快了生产节奏 ；板料加热前为平板料 ，不仅可节省加热区面积和能源 ， 而且可选取多种加热方式 。 其缺点是 ：复杂形状的零部件成型困难 ，且模具冷却系统的设计更复杂 ，需要增加激光切割设备等 。间接成型工艺是指板料先经过冷压工艺进行预成型 ，然后加热到奥氏体化温度 ， 保温一段时间后进行最终成型及淬火5。
9、其优点为 ：可成型复杂形状的零部件 ；板料预成型后 ， 后续热压成型工艺不需要考虑板料高温成型性能 ， 可确保板料完全淬火得到所需要的马氏体组织 ；板料预成型后可进行修边 、翻边 、冲孔等加工 ，避免板料淬火硬化后加工困难等问题 。目前 ， 应用较广的汽车用热压成型高强度钢板为含硼合金钢 ，其常温下强度为 400600 MPa，经加热后其伸长率由 20%上升至 70%左右 ， 热压成型后其抗拉强度可达到 1 500 MPa，如图 3 所示 。图 3 热压成型件强度变化示意3 热压成型板应用研究3.1 方案对比分析为了解热压成型工艺在实际工程中的应用情况 ，对某款车型 B 柱板的冷压成型方案和热
10、压成型方案进行对比分析 ，2 种成型方案对比如图 4 所示 。（a）冷压成型 （b）热压成型图 4 2 种成型方案对比经分析 ，冷压成型方案存在以下问题 ：结构部件较多 ，增加车身质量 ；件 1 和件 2 材料均为 B410LA的高强度板 ，板件冲压深度较深 ，成型易开裂 ；件 1强度不足 ，将直接导致车身侧碰性能不能达到要求 。热压成型方案取消了件 2件 4， 件 1 材料由B410LA 改为 B1500HS，部件厚度不变 。 2 种成型方案的 B 柱质量对比见表 1。由表 1 可知 ，采用热压成型方案后 ，左 、右 B 柱板质量比冷压成型方案时减轻 4.788 kg，另外左 、右 B 柱各
11、节省了 3 个模具 。表 1 2 种成型方案的 B 柱质量对比结果3.2 成本对比分析为确认热压成型方案的可行性 ， 根据冲压工序排布情况 、板材价格 、模具成本及台数分摊预算 、加工费用及板件物流费等对 2 种成型方案的成本进行了计算 ，结果见表 2。由表 2 可知 ， 当该 B 柱采用冷压成型方案时 ，由于其左 、 右共设计 8 个件 ， 单台车合计成本为363.37； 采用热压成型方案后 ，B 柱左 、 右共设计 2个件 ，单台车合计成本为 302.28 元 。 热压成型方案比冷压成型方案可节省 61.09 元 。3.3 性能对比分析由于 B 柱板结构直接影响侧碰性能 ，因而采用相同约束
12、边界条件对 2 种成型方案在侧碰时的 Y下料 （冲孔 ）在步进炉加热到 Ac3左右 ，充分奥氏体化快速移到压机快速合模 、成型 ，保压冷却到 100200 抗拉强度约为 400600 MPa的硼合金钢板随室温冷却 ，激光 （模具 ）切边 、冲孔得到抗拉强度约为1 500 MPa的零件若采用裸板则应进行喷丸处理以去除零件表面氧化皮卷料 下料 加热 成型冷凝系统8060402000 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600抗拉强度 /MPa伸长率/%热压成型原始状态 成品状态冷却保压加热B 柱加强板（件 2）B 柱下侧加强板（件 4）B 柱板（件 1）B 柱上
13、侧加强板（件 3）方案 名称 厚度 /mm 材料 质量 /kg冷压成型B 柱板 1.6 B410LA 4.309B 柱加强板 2 B410LA 1.623B 柱上侧加强板 2 B410LA 0.523B 柱下侧加强板 2 B410LA 0.248热压成型 B 柱板 1.6 B1500HS 4.309材料 工艺 设备 63 汽 车 技 术汽 车 技 术汽 车 技 术向侵入量进行对比分析 。约束条件为总成单点约束 ，零件间约束梁单元连接 ，碰撞块为 500 kg 刚性质量块 ，碰撞速度为 12 km/h。碰撞分析主要衡量指标为 B 柱处 Y 向最大变形量和最终变形量 。 在碰撞分析过程中 ，分别在
14、 50ms、100 ms、200 ms、300 ms 时间段对 B 柱 Y 向的侵入量进行测算 ，2 种成型方案计算结果见图 5。 由图5 可看出 ，最大变形量出现在 100 ms 时 ，冷压成型方案最大变形量约为 128 mm， 热压成型方案约为116 mm； 冷压成型方案最终变形量约为 88 mm，热压成型方案约为 37 mm。（a）冷压 100 ms 时 B 柱 （b）热压 100 ms 时 B 柱最大变形量 最大变形量（c）冷压 100 ms 时 B 柱 （d）热压 100 ms 时 B 柱最终变形量 最终变形量图 5 2 种成型方案侧碰变形分析云图由模拟分析可知 ， 该 B 柱采用热
15、压成型方案时的最大变形量和最终变形量均比冷压成型方案有较大改善 ，说明热压成型方案可提高 B 柱结构性能 。4 结束语通过对汽车用热压成型板的应用研究 ，分析了热压成型板成型加工工艺 。 针对某款车型 B 柱板的热压成型方案和冷压成型方案 ， 在部件数量 、部件质量 、成本 、性能等方面进行了对比分析 。结果表明 ， 热压成型方案在各方面均优于冷压成型方案 ，进而验证了热压成型方案在该款车型 B 柱上应用的可行性 。参 考 文 献1 张式程 .汽车轻量化技术及其发展趋势 .汽车轻量化设计技术高级培训讲义 ，2011.2 Heller T， End B， Ehrhardt B，et al. Ne
16、w High StrengthSteels Production， Properties & Applications. 40th MWSPConfrPoc， ISS， 1998. 25234.3 Shi M F， Thomas G H， Chen X M. Formability Perfor-manceComparison Between Dual Phase and HSLA Steels.43th MWSP Conf Proc. ISS， 2001， 1652174.4 谷诤巍 ，单忠德 ，徐虹 .汽车高强度钢板冲压件热成型技术研究 .模具工业 ，2009，35（4）:2729.5 高
17、云凯 ，高大威 ，余海燕 ，等 .汽车用高强度钢热成型技术 .汽车技术 ，2010（8）：5660.（责任编辑 文 楫 ）修改稿收到日期为 2012 年 9 月 4 日 。表 2 2 种成型方案成本计算结果方案 制件名称 材质 料厚 /mm单件质量/kg单件材料费 /元10 万台分摊费 /元单件加工费 /元其它费用/元合计费用/元冷压成型左 B 柱板 B410LA 1.6 4.309 94.316 22 22.873 6 17 134.19左 B 柱加强板 B410LA 2.0 1.622 29.791 55 5.016 8.6 43.41左 B 柱上侧加强板 B410LA 2.0 0.523
18、 7.559 05 0.65 1.2 9.41左 B 柱下侧加强板 B410LA 2.0 0.248 3.112 55 0.505 1.2 4.82右 B 柱板 B410LA 1.6 4.309 94.316 22 19.76 17 131.08右 B 柱加强板 B410LA 2.0 1.622 29.791 55 （与 5401326 合模 ） 29.79右 B 柱上侧加强板 B410LA 2.0 0.523 7.559 05 （与 5401326 合模 ） 7.56右 B 柱下侧加强板 B410LA 2.0 0.248 3.112 55 （与 5401326 合模 ） 3.11热压成型左
19、B 柱板 B1500HS 1.6 4.31 77.00 38.24 34.6 1.3 151.14右 B 柱板 B1500HS 1.6 4.31 77.00 38.24 34.6 1.3 151.14N12173-0.299.6119.5129.4239.3249.2359.1369.0378.9488.8498.75108.65118.55128.46变形量 /mmN59886YZXYZXN14139N01977-1.267.7916.8225.8534.8843.9152.9461.9771.0080.0389.0698.09107.12116.15变形量 /mmN14404-0.436.4113.2620.1126.9533.8040.6547.4954.3461.1968.0374.8881.7388.57变形量 /mmN59840YZXYZXN61978-0.912.014.927.8410.7513.6716.5819.5022.4125.3328.2431.1634.0736.99变形量 /mmN46232材料 工艺 设备 64
