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超高强钢热冲压成形汽车构件与梯度力学性能

超高强钢汽车构件热冲压成形技术的应用

  汽车轻量化是汽车重要的发展方向,是世界各国实现节能、减排、降耗的重大举措,也是国家重大科技需求。超高强钢热冲压构件的应用能够在减轻汽车整车重量的同时,保证车身强度及安全性,是实现汽车轻量化的重要途径。燃油车整车重量每降低10%,燃油效率提升6%~8%,排放下降4%;纯电动车、混合动力车等新能源汽车对重量更加敏感,整车每减重10%,续航里程增加10%~15%。
  高强度轻量化材料在汽车上的应用能有效地推进轻量化进程。《中国制造2025》提出要提升轻量化材料等核心技术的工程化和产业化能力,同时推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。然而随着钢板强度的提升,传统冷冲压成形中往往存在开裂、回弹、起皱等缺陷,同时成形力明显增加又对压力机和模具寿命提出更高的要求。为解决这些问题,一种能够降低成形力和成形难度,且成形后所得构件兼具超高强度和高精度的先进材料加工技术——热冲压技术应运而生。时至今日,如下图所示,热冲压成形技术已广泛用于汽车车身及底盘结构件成形制造中。
热冲压成形构件在汽车中的应用

热冲压成形技术的概念与特点

  热冲压成形技术包括直接热冲压和间接热冲压两种形式。以常用的直接热冲压成形为例,其工艺流程如下图所示,首先将高强度硼钢板坯料加热到奥氏体化温度以上,并保温一定时间使其充分奥氏体化(通常为900~950℃),随后将加热的坯料迅速转移至带有冷却系统的模具内冲压成形,同时保压淬火,使构件材料发生马氏体转变。与传统的冷冲压相比,钢板在高温时成形性好,可一次成形复杂形状的构件,并且构件强度可达1500MPa甚至更高。此外,热冲压工艺的构件回弹小、精度高、变形抗力约为冷冲压的三分之一、设备吨位小。
热冲压成形工艺流程简图
  目前热冲压成形材料主要用22MnB5,包括铝硅(Al-10Si)镀层、GI/GA镀层、锌镍(Zn-10Ni)镀层、复合镀层及其他涂层和裸板。作为典型的第三代先进高强度钢,将中锰钢加热至750℃即可获得全奥氏体组织,扩大了热成形工艺窗口。

热冲压汽车构件组织性能协同控制技术

  国内已有研究团队提出了基于急动度的伺服热冲压工艺设计方法,能够有效地控制冲压速度和成形温度,提升成形效果;研发了低温热冲压技术,降低连续生产时的模具温度、缩短保温时间、节约成本;研发了热冲压汽车构件组织性能协同控制技术,以改善高强度钢板热冲压件综合性能和精度;建立了A柱、B柱、C柱、前纵梁、保险杠等汽车安全结构件热冲压全过程有限元模型,可以有效预测零件成形性、减薄率、马氏体含量及抗拉强度的变化。
耦合位错密度的高温本构模型及试验值和预测值曲线图 几种不同汽车构件的热冲压模拟结果
  通过伺服热冲压及组织性能协同调控技术,对B柱等样件进行了试制。对不同部位进行力学性能检测,结果表明不同区域的试样抗拉强度基本在1500~1600MPa,延伸率范围为8%~13%(目前文献资料中多数报道为5%~8%),其微观组织的主要成分为马氏体,夹杂有少量残余奥氏体。此外还对零件的成形精度进行了检测分析,产品关键点尺寸误差不超过±0.21mm。试验结果表明,相关样件已实现了组织强韧性和精度的协同控制,完全满足装车要求。

B柱热冲压样件及关键区域的马氏体组织形貌组织形貌分析

B柱热冲压样件精度检测结果精度检测

梯度力学性能热冲压构件设计制造一体化技术

  传统的热冲压成形工艺,板料的各个位置变形条件基本相同,所以得到的热冲压零件基本为全马氏体组织,抗拉强度达1500MPa甚至更高。但是延伸率相对较低,造成零件塑性或韧性急剧降低、冷弯性能差。一旦发生碰撞,热冲压结构件的碰撞吸能效果大大降低。
整车侧面碰撞有限元模型
  为进一步提升热冲压构件的碰撞吸能性能,采用侧碰吸能分析方法对其进行了梯度力学性能优化设计,得到了具有合理梯度力学性能分布的B柱构件,相关梯度力学性能设计方案如下图所示。
B柱梯度力学性能区域位置梯度力学性能
  结果表明,应用梯度力学性能,B柱可以简化B柱总成结构,达到减重12.1%的轻量化目的,且能够很好地兼顾强度与碰撞吸能性能。陶瓷热障涂层技术制造的梯度力学性能样件如图所示。
B柱梯度力学性能热冲压成形件B柱热冲压成型件

具有随形冷却水道的超高强度钢热冲压模具

  与冷冲压模具不同,热冲压模具除了具有成形功能外,还具有冷却淬火功能。为了保证其冷却效果,在其内部设有冷却管道,模具结构更加复杂,对模具材料的选择及结构设计等方面要求更为严格。
  热冲压成形模具冷却系统的设计需要考虑加工方式、冷却均匀性等方面,因此冷却管直径、冷却管间距、冷却管距模具型面距离等参数都是设计的关键,热冲压B柱加强板采用镶块式模具结构。为实现构件冷却效果并保证模具的强度,采用与模具型面相近的随形冷却水道。模芯镶块内部与镶块之间冷却水管道采用直径φ10mm的孔,相邻冷却水管道中心距约为17~20mm,冷却水管道中心距型面距离为15~20mm。每个镶块都配给相对独立的进出水冷却系统,相邻镶块之间冷却水道不连通。采用ANSYS CFX进行流固耦合数值模拟,并对凸凹模的冷却水流速及温度均匀性进行分析。工艺循环模具冷却水热传递系数云图如图所示,冷却水流速快的中间部位HTC值较高,大部分位置HTC均大于10000W/(m2·K),说明冷却效果较好,可以满足连续生产所需的冷却效果。

工艺循环模具冷却水热传递系数云图

  下图为加工制造完成后的模具实物图

B柱加强板热冲压模具图

先进热冲压生产示范线

  先进的轻量化车身结构件伺服热冲压成形示范线,主要装备包含高速伺服压力机、数控加热炉、热冲压模具、低自由度桁架机器人、激光切割机和喷丸装备等主要装备。通过运用工业以太网技术实现装备平台的互联互锁,可以完成满足工业生产节拍需求的加热、成形-保压淬火和上、下料全过程各项功能及安全防护要求。
热冲压成形生产示范线

技术与应用总结

  作为汽车轻量化的重要途径,超高强度钢板热冲压成形技术正在被世界各国企业和学者广泛关注。系统地、深层次地开展相关研究,形成具有完全自主常识产权的热冲压成形工艺及装备关键技术,对我国汽车行业的发展具有十分重要的现实意义。
——信息摘自网络
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