李 松，张海龙

（长城汽车股份有限公司 技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

0 引 言

高强钢板热成形技术作为汽车轻量化的重要途径，近几年在汽车行业的应用呈现爆发式增长，热冲压制件的应用范围已经从传统的中高档车型拓展到低档车型[1]，与此同时，热成形技术也有了较大发展，拼焊板、补丁板、热成形冷热分区等先进技术应运而生，并逐渐应用于车身结构。差厚板热成形技术是在激光拼焊板和补丁板的基础上发展而成，将不等厚的板料整体加热到930～950℃保温，然后在模具内完成冲压及淬火，既克服了激光拼焊板焊缝缺陷问题又避免了补丁板焊点虚焊、镀层析出、焊点开裂等问题[2]。

高强钢冲压性能随着强度增高而降低，强度越高成形越困难，B柱这种复杂的高强度零件使用冷冲压不能成形，只能采用热冲压成形[3]。B柱作为汽车重要的安全部件，除了抵抗外部的冲击还要保证驾驶舱的完整性，要求中间区域强度高，而顶端和底端需要吸收汽车受到冲击时的能量以保证驾乘人员的安全，因而需要相对较低的强度[4]。因此B柱差厚板热成形技术应运而生，相比传统的热成形技术可降低4.8 kg的整车质量，具有较高的经济性。差厚板热成形技术的难点是板料厚度不一致，制件淬火冷却速度不均匀导致马氏体转化率不一致，影响制件的抗拉强度和硬度，不能满足整车强度设计标准。

1 制件结构

某车型差厚板热成形B柱如图1所示，材料厚度变化区间为1.4～2.2 mm，材质为22MnB5，线体机床压力为12 000 kN，要求成形后制件刚度大于450 HV，抗拉强度大于1 300 MPa。

2 有限元模型建立

使用AutoForm R8建立差厚板热成形有限元分析模型，其中板料模型如图2所示，板料厚度分为1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 mm，板料由厂家轧制而成，既避免了补丁板焊点缺陷又避免了传统激光拼焊板焊缝带来的缺陷。

图2 板料形状尺寸

由于B柱结构复杂，使用凸模和凹模直接压合成形时，B柱大端和小端位置马氏体转化不充分，靠近大端位置产生褶皱，制件无法成形，因而采用图3所示工艺方案，成形过程是压边圈和凹模首先闭合，然后压料芯1和压料芯2闭合，最后凸模和凹模闭合。

图3 差厚板B柱热成形有限元模型

由于板料加热后延展性提高、强度降低，为了防止板料开裂，按照1.1t（料厚）设置板料间隙[5]，压边圈和凹模采用间隙控制，间隙设为2 mm；压料芯1和凸模采用间隙控制，间隙设为1.5 mm；压料芯1和压料芯2分别与凸模采用间隙控制，间隙都设为1.5 mm。

3 工艺参数设定及优化

3.1 工艺参数设定

22MnB5差厚板热成形按照板料温度变化可以分为4个阶段：加热保温阶段、转移及等待合模阶段、快速成形阶段和保压淬火阶段。板料在加热保温阶段需要设置合适的加热曲线和保温时间，使板料充分奥氏体化，同时需要避免保温时间过长导致奥氏体晶粒长大，设置环境温度为25℃，换热系数为 0.075 mW/(mm²·K)。

在转移和合模等待过程中，板料主要与周围空气进行对流和辐射换热，设置转移时间为6 s，板料在模具中等待时间为2 s，环境温度为25℃，换热系数为0.075 mW/(mm²·K)，转移及等待导致板料温度下降约140℃（板料加热温度为950℃），板料入模温度约为810℃，模具本体温度为150℃。

成形过程中，板料除了与空气进行换热外，还与模具产生接触换热，设定板料与模具的接触换热系数为3.5 mW/(mm²·K)。

保压淬火过程中，板料主要与模具零件接触换热，设定保压压力为2 500 kN，保压淬火时间为10 s。另外，设定板料与模具零件之间的热摩擦因数为0.45，冲压速度为100 mm/s，CAE分析参数如表1所示。

表1 CAE分析参数

基于以上工艺参数进行成形过程仿真分析，马氏体转化率靠近大端位置最低为76.46%，如图4所示，与之对应的制件抗拉强度最小为1 076 MPa，不能满足抗拉强度≥1 300 MPa要求，如图5所示；制件硬度最低为364.7 HV，如图6所示，不能满足制件硬度＞450 HV的要求。

图4 优化前马氏体转化率

图5 优化前制件抗拉强度

图6 优化前制件硬度HV

3.2 工艺参数优化

考虑B柱大端位置厚度为1.4 mm，压料芯和凸模间隙为1.5 mm，制件与压料芯间隙偏大影响制件淬火降温速率，有研究表明[6]当冷却速度＞30 K/s时，钢板直接转变为马氏体。为提高大端位置温度降低速率，将压料芯与凸模间隙调整为0.5 mm，同时将保压时间调整为14 s，重新进行仿真分析。分析结果显示：制件马氏体转换率提升24%达到100%，如图7所示；制件抗拉强度最小值由1 076 MPa提高到1 337 MPa，如图8所示；制件最小硬度由364.7 HV提高到455.8 HV，如图9所示。

图7 优化后马氏体转化率

图8 优化后制件抗拉强度

图9 优化后制件硬度HV

成形后制件最大厚度为2.126 mm，最小厚度为1.38 mm，如图10所示，最大减薄率为12.8%，如图11所示，制件厚度和最大减薄率均在标准范围内（22MnB5热成形要求制件减薄率控制在-15%内）。

图10 成形后板料厚度分布

图11 成形后料厚减薄率

4 差厚板热成形试验研究

按照上述工艺方案进行结构设计并设计模具，差厚板热成形工艺试验按照优化后的工艺参数进行试压，首先将板料在加热炉中加热至930℃，保温3 min，然后将板料转移至热成形模具中，转移时间控制在5 s内，完成成形和淬火，保压压力为2 500 kN，保压时间为14 s，成形后制件无起皱开裂等问题。对热成形制件按图12所示位置进行取样，并按图13加工拉伸试样进行拉伸试验。

图12 差厚板热成形B柱取样位置

图13 拉伸试样

在电子万能试验机上分别对原板料和成形制件上4个试样进行拉伸试验，拉伸后的力学性能数据如表2所示。

由表2可知，经过热成形工艺加工后，材料的抗拉强度得到大幅提高，但延伸率大幅降低，选取试样抗拉强度均大于1 300 MPa，满足整车设计要求。

表2 热成形制件抗拉强度及延伸率

5 结束语

通过对差厚板热成形B柱进行仿真分析，模拟板料加热、转移、成形、保压淬火整个过程，结合仿真结果对工艺参数进行了优化，得出以下结论。

（1）确定制件最优的工艺参数为：制件大端位置压料芯与凸模间隙设置为0.5 mm，保压压力为2 500 kN，保压时间为14 s。

（2）仿真结果与试验结果一致，实际成形制件抗拉强度均大于1 300 MPa，硬度大于450 HV，满足制件设计要求。

（3）差厚板热成形制件的马氏体转化率与模具零件间隙、淬火冷却速率、保压时间有直接关系，进行工艺参数优化时需要重点关注。