本文阐述了热冲压成型机制及其工艺步骤，针对某车型B柱热成型冲压件的开发，深入研究了翻边工艺、拉延深度、产品构造和局部外观等问题，经过对瑕疵问题的剖析和归纳，拟定改进措施并实施实物验证，最终总结出B柱热成型结构设计的关键要素，为其他类似零件的热冲压开发提供参考依据。
为了达成更高的汽车减重目标及提升车辆碰撞安全指标, 汽车生产商对热成型工艺件的需求呈现逐年上升态势。伴随热成型工艺技术的迅猛进步, 汽车制造商还将该技术应用于改进车身构造方案、减小压机设备吨位参数、降低冲压作业时产生的噪音水平。
依据汽车车身构造规范, 热成型加工件常用于保险杠、门槛、纵梁、B柱等部位。由于热成型和冷冲压流程不同, 热成型工艺对加工件构造有专门要求。本文以某车型B柱热成型加工件为样本, 探讨总结加工件构造对热成型流程的作用。
1. 热成型技术介绍
1.1 热成型原理
用抗拉强度在400到600兆帕范围内的硼钢, 通过冷冲压落料或者使用剪板机下料, 获得初始坯料, 将初始坯料置入加热炉, 加热至AC3线附近, 实现充分的奥氏体化, 迅速转移到压力机, 借助配备冷却系统的模具, 快速完成合模、成形、保压冷却至100至200摄氏度, 最后在常温下冷却, 最终形成具有马氏体组织且抗拉强度可达1500兆帕的产品件。图1为热冲压工艺流程图。
图1 热冲压工艺流程图
1.2 工序件后处理
后续加工包含激光加工、抛丸处理、表面整平等环节, 激光加工用于对边缘、孔洞实施激光裁剪, 由于激光加工费用较贵且切割速度较慢, 对于精度要求不严的接合边, 可采用落料及热压成型工艺加以控制。抛丸工艺主要目的是去除冲压件表面锈蚀层, 以确保产品表面品质优良。表面处理包含涂油和电泳等技术, 选用的防锈油需满足防锈要求, 同时不能干扰白车身涂装, 利用电极离子吸附机制, 使涂料均匀附着在物件表面, 这样能确保物件拥有良好的外观, 并具备耐酸碱和防腐蚀的性能。
2. 基于产品的工艺分析
2.1 翻边工艺
热成形零件在翻边过程中,法兰边部位容易发生起皱和开裂现象。外凸形状的翻边,其最终轮廓线长于初始轮廓线,从而形成压缩的法兰边,这种情况很容易引发起皱和材料堆积。随着翻边高度的提升,起皱的可能性会持续增强。内凹翻边属于延伸类工艺, 制造出拉伸的边缘部分, 垂直部分的尺寸在加工时会变长, 若形变程度过高, 垂直边缘的周向延展和截面收缩会很明显, 容易出现断裂现象。
法兰边高度越大，材料在拉伸过程中越容易失去稳定形态。不管是向外突出的翻边工艺，还是向内凹陷的翻边工艺，都需要减小翻边的垂直尺寸和弯曲程度。一般来说，采用热成形工艺制造的车门立柱不建议设置翻边结构，特别是角度为90度的翻边构造，例如翻孔（见图2a）。当翻边结构的转折角度非常尖锐时，应当通过增设薄弱环节来优化设计，以防止局部出现金属堆积或开裂现象（见图2b）。
2.2 拉延工艺2.2.1 拉延深度
图2 翻孔与翻边缺口
减小拉伸幅度，并且使成型高度尽量一致，这样或许可以只用一道工序完成成型，无需多次深拉。在冷成型过程中，零件常常会在凸模的圆弧部位出现开裂现象。而在热成型时，金属板先和模具的凸凹模圆角部位接触（见图3），造成这些区域最先发生冷却硬化，抗变形能力随之增强。于是变形会转向温度较高、塑性较好的成型侧壁，进而引发局部应力高度集中。
图3 拉延过程中的板件冷却
因为侧边壁处在均匀变形情形下, 拉拔尺寸的加大主要借由材料横截面积的缩小来实现, 所以非常容易发生破裂现象, 并且随着拉拔尺寸的持续增大, 破裂的征兆会变得越来越明显。
2.2.2 拔模角
B柱的拉延工艺宜选用锥形模具（锥角不小于97度）或者抛物线形模具进行成型，如图4所示，B柱的横截面形态不应采用直壁式或阶梯状零件的拉延方式。
图4 锥形拉深成形与抛物线拉深成形
直壁和阶梯型截面构造在加工时, 材料移动难度加大, 并且热金属板与模具的贴合情况不佳, 施加的力道不足, 有时甚至有部分金属板完全不接触模具, 这阻碍了金属板的迅速冷却。
模具生产时, 要依据压料区域、受力分布、冲压逆向角度等条件, 决定冲压的方位, 因此在确定脱模斜度的同时, 要留意局部外观形态, 防止形成逆向角度或凹陷过深。
2.2.3 产品局部结构2.2.3. 1 反成形优化
构造里要防止深度大且范围广的逆向挤压加工（见图5）。反冲构造容易导致堆积，假如无法避免，就必须使用半径较大的过渡弧度，反冲部分的轮廓特征要尽可能做到平滑衔接，以此防止因温度差异大而引起的局部形变，减少开裂的可能性。
图5 热成形件局部造型
2.2.3. 2 避免高落差急剧变化
当板料和模具接触时,二者间会出现时序上的不同,如果几何轮廓转换过于陡峭,这种时序差异会更加显著,从而容易引发显著的温度分布不均,进而导致应力集中现象恶化。B柱的造型应当采用渐进式设计,增大过渡段的弧度,务求在变形期间与模具接触的板材区域尽可能小。同时需要降低零件在纵向上的弯曲程度。弯曲幅度过大，将导致冲压路径难以确定，进而妨碍零件的制造过程。
2.2.3. 3 R角
转弯位置尽量采用球R连接, 并且尺寸要尽量大;锁扣与门铰链处的凸起部分, 在确保功能实现的前提下, 尽量减小凸起的高度, 同时凸起表面的倾斜角度要尽量大, 接着制作半径超过15的圆角;孔洞周围的凸起部分不宜过深, 并且周边的R角和斜面都要尽量取大值, 以避免局部材料缺失导致被拉伸变薄甚至开裂。
2.2.3. 4 整体结构
B柱零件最好选用形状规整的设计, 减少不均衡性, B柱的横截面形态宜尽量简洁均衡。形态均衡性欠佳的零件构思, 会造成原料难以准确安放, 如图6a所示的高度差异h。在加工阶段, 原料还可能发生偏转, 与模具的贴合效果不佳, 甚至干扰材料的移动和冷却处理。
图6 热成形件整体结构
另当尽量防止采用封闭式构造, 而选用开放式构造, 多加运用弯曲造型, 以避免法兰部位出现褶皱、变薄及拉断的情况。封闭式的“杯状”构造在成型时会引发材料在凸模凹模转角位置发生挤压形变和褶皱, 因此必须使用恰当的夹持力度。
容易产生褶皱的部位比如B柱零件的边缘部分, 需要布置防皱加强筋 (见图6b)。
3. 总结
图7 B柱模具与实物
借助车身B柱热成型部件的研发, 实现了热成型模具的构思、打造以及量产的检验, 参见图7。尽管近年来热冲压工艺进步显著, 从本内容能够了解到热成型对物件构造的限制性很大, 但在创新热成型材料的使用和模具领域新技术的开拓上, 依然存在巨大的进步余地。
