汽车B柱内板热冲压成形工艺优化的模拟分析

摘    要：针对某品牌汽车B柱内板的成形工艺问题，研究了零件22MnB5高强度钢的热冲压成形参数对成形质量的影响，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标，通过正交实验和极差分析，获得零件热冲压成形的最优工艺参数，并完成最优工艺参数的成形仿真和回弹分析，仿真结果表明零件的厚度分布均匀，零件最大减薄率为10.1%,最大增厚率为7.1%,零件的回弹量小，最大回弹量为0.714 mm,该零件成形质量符合设计要求，表明了该零件热冲压成形优化方案的可行性。

关键词：B柱内板;热冲压;工艺参数;

目前，中国汽车工业飞速发展，汽车保有量逐年上升，同时也面临能源、环保等问题，如何开发节能环保的“绿色汽车”受到各汽车厂商的重视[1]。实现“绿色汽车”的主要方法为应用新能源、优化引擎性能和汽车轻量化等，其中汽车轻量化是较为有效的方法。据相关研究表明，汽车质量减少100 kg, 百公里可节省0.5 L燃油[2,3]。汽车轻量化的方法主要为材料优化和结构优化两种，材料优化是使用高性能或轻质材料替代普通材料，例如使用高强钢或铝合金材料替代普通钢铁材料达到车身减重的目的；结构优化是通用对零件的内部结构进行改进和优化达到减少材料用量[4,5,6]。汽车B柱内板属于钣金件，很难通过结构优化实现轻量化，采用材料优化是比较合理的方法。高强钢具有安全性高、成本低廉等优点，是汽车轻量化用材应用最广泛的材料，但在冷冲压成形中易出现开裂和回弹问题，为了解决这些问题，可采用热冲压成形技术[7,8]。在热冲压成形中板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度等工艺参数对零件成形质量有较大影响[9,10],因此，对热冲压成形工艺参数优化具有十分重要的意义。本文以某汽车B柱内板为例，运用Dynaform软件对热冲压成形中的板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度进行优化，获得最优工艺参数，并完成模拟分析。

2 汽车B柱内板热冲压成形仿真参数设计

2.1 有限元模型设计

图1为某品牌汽车B柱内板的三维设计图。零件是位于汽车前门与后门的交界处，起着支撑和安全保护作用，需具备高强度和抗碰撞能力。零件呈T字形状，尺寸为1 500 mm×500 mm×110 mm, 设计厚度为1.5 mm, 型面形状复杂且拉延深度大，在成形过程中易出现开裂和回弹现象。

图1 汽车B柱内板的三维设计图  

利用Dynaform软件中的DFE模块完成汽车B柱内板工艺补充面和压料面设计，并通过Tools模块进行凸模、凹模、压边圈和坯料等工具的设计，在Setup模块对各个工具进行定位及参数设置，完成有限元模型设计，如图2所示。

图2 有限元模型   

2.2 板料模型及参数设计

汽车B柱内板设计材料为22MnB5高强度钢，根据材料的各向同性可知，材料模型有*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL(#4)和*MAT_ELASTIC_VISCOPLASTIC_THREMAL(#106)2种模型可选，同时还需要考虑材料在热冲压成形过程中热力耦合和组织转变下弹性变形，使用#106材料模型能更加准确反映材料性能与温度变化的关系，可以提高成形仿真的精度，因此本实验22MnB5高强度钢板选用#106材料模型。22MnB5高强度钢的性能随温度变化而变化，温度变化范围为0～1 000 ℃,实验主要的各温度点的弹性模量、泊松比、考珀·西蒙黏性影响系数(P和C)如表1所示。

表1 22MnB5高强度钢实验主要温度点性能

3 汽车B柱内板热冲压成形质量优化

3.1 热冲压成形质量评价设计

汽车B柱内板形状复杂，拉深深度大，在成形中材料内部发生滑移会造成板料厚度不均匀，造成零件开裂或折皱现象，可通过零件的最大减薄率和最大增厚率判别其是否合格。最大减薄率TL和最大增厚率TH为：

式中：t0为板料成形前的厚度；t1为板料成形后的厚度。最大减薄率达到一定值时，材料变形超过极限会发生开裂，严重影响零件的安全性，汽车B柱内板的设计要求最大减薄率不超过15%,即TL≤15%;最大增厚率达到一定值时，材料会出现起皱或堆积，对零件的强度和有效性带来影响，汽车B柱内板设计要求最大增厚率不超过10%,即TH≤10%。

在热冲压过程中，板料在发生塑性变形过程中有部分区域仍是弹性变形，卸载后弹性变形会恢复原状即回弹现象，回弹会影响零件的尺寸精度，造成零件无法顺利安装。可通过零件的最大回弹量评判其是否合格，最大回弹量N为：

式中：S为回弹件测量点位置；D为设计件测量点位置。汽车B柱内板属于多点位配合件，安装精度要求高，最大回弹量要求不超过1 mm, 即N≤1 mm。

3.2 热冲压成形正交实验设计

热冲压成形涉及多个工艺参数，如果将每个工艺参数都进行组合需要花费大量的时间。正交实验是基于数理统计理论和正交性原理设计出具有代表性的实验组合，能够合理地减少实验数量，是工艺分析中最常用的方法之一。

实验选取板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度作为试验因素，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标完成热冲压成形工艺参数优化。板料初始温度会影响板料进入奥氏体化和组织的均匀性，进而影响板料的成形性，根据22MnB5高强度钢奥氏体化温度(900～950 ℃)及板料加热后到达模具成形需要一定时间会使温度下降，本实验板料初始温度选取910,930,950 ℃;模具初始温度会影响成形时板料温度下降速度和模具的寿命，本实验模具初始温度选取50,80,110 ℃;压边力会影响板料在成形过程的流动性和模具的磨损程度，根据压边力的计算公式(式4)可得压边力为80～120 kN,本实验压边力选取80,100,120 kN;冲压速度会影响热冲压成形的效率和板料塑性变形程度，根据塑性变化理论和冲压机设备参数，本实验冲压速度选取50,100,150 mm/s。各因素和各水平的取值范围见表2。

F=A×P。 (4)

式中：F为压边力，kN;A为压边圈的面积，mm2;P为单位压边力，N/mm2。

表2 各因素和各水平的取值范围 

3.3 热冲压成形正交实验结果及分析

根据正交实验设计原理完成4因素3水平的L9(34)正交实验表，并将正交表中的各参数组合通过Dynaform软件进行成形仿真和回弹分析，获得零件的最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量3个评价目标，如表3所示，零件的最大减薄率在9.27%～16.29%,方案3的最大减薄率为16.29%,超过设计要求(≤15%);零件的最大增厚率在8.45%～13.42%,方案4、方案5、方案8和方案9的最大增厚率超过设计要求(≤10%);零件的最大回弹量在0.53～0.89 mm, 所有方案的最大回弹量均符合设计要求(≤1 mm)。表4为各评价目标的极差分析统计表。根据最大减薄率的极差分析结果可知，以最大减薄率为评价指标时，影响零件最大减薄率的因素主次关系为模具初始温度>板料初始温度>冲压速度>压边力，最优工艺参数为模具初始温度50 ℃、板料初始温度930 ℃、冲压速度100 mm/s、压边力80 kN;根据最大增厚率的极差分析结果可知，以最大增厚率为评价指标时，影响零件最大增厚率的因素主次关系为板料初始温度>模具初始温度>冲压速度>压边力，最优工艺参数为板料初始温度910 ℃、模具初始温度100 ℃、冲压速度50 mm/s、压边力100 kN;根据最大回弹量的极差分析结果可知，以最大回弹量为评价指标时，影响零件最大回弹量的因素主次关系为压边力>模具初始温度>冲压速度>板料初始温度，最优工艺参数为压边力120 kN、模具初始温度80 ℃、冲压速度100 mm/s、板料初始温度950 ℃。由上述分析可知，根据不同的评价目标热冲压最优工艺参数不一致，因此需要进行多目标优化，使各评价目标值同时达到最小值，利用Design-Expert软件进行多目标优化求解，获得最优工艺参数为板料初始温度930 ℃、模具初始温度80 ℃、压边力80 kN、冲压速度100 mm/s。

表3 正交实验结果统计

表4 各评价目标的极差分析统计

3.4 最优工艺参数的仿真分析

将上述多目标优化后的最优工艺参数导入Dynaform软件进行热冲压成形仿真和回弹分析，获得零件的成形极限见图3,厚度分布见图4,回弹分布见图5。

图3 零件成形极限  

图4 零件厚度分布   

图5 零件回弹量分布

由图3可知，零件成形极限大部分区域处于安全状态，未出现开裂现象，只有少部分区域处于起皱状态，零件是内板件少部分起皱不会对性能造成很大影响；由图4可知，零件的最小厚度为1.349 mm, 最大厚度为1.606 mm, 对应的最大减薄率为10.1%,最大增厚率为7.1%,2个评价指标均在允许范围内；由图5可知，零件的最大回弹量为0.714 mm, 最大回弹发生在右上角区域，整体的回弹量分布符合零件后续的装配要求。

4 结论

本文以某品牌汽车的B柱内板件为实例，完成成形质量评价设计，通过正交实验和极差分析法，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标，求解出热冲压成形最优工艺参数，并对最优工艺参数组合进行热冲压成形仿真和回弹分析，仿真结果表明零件最大减薄率为10.1%、最大增厚率为7.1%、最大回弹量为0.714 mm, 3个评价目标均符合设计要求，本文的优化方案可以为同类零件的热冲压成形优化提供参考。

参考文献

[1] 刘建荣，郝小妮.考虑环保意识的低碳出行行为研究[J].交通运输系统工程与信息，2019,19(1):26-32.

[2] 陈志耀，马天战，马丹萍.汽车轻量化的技术动向[J].汽车零部件，2022(8):92-95.

[3] 李洺君，王明明，吕文静.汽车轻量化材料的应用及现状[J].时代汽车，2020(8):31-33.

[4] 王童，杜轶群，陈轶嵩，等.基于结构轻量化的城市客车车身生命周期评价[J].汽车工程，2022,44(5):778-788.

[5] 刘芳.乘用车车身结构轻量化设计影响因素研究[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2022,34(1):47-51,60.

[6] 孙然.基于材料轻量化的商用汽车驾驶室CAE分析与建模[J].红河学院学报，2021,19(5):147-150.

[7] 李琦，纪沙沙，王章忠，等.22MnB5超高强度钢防撞梁的冷冲压成形数值模拟[J].冶金与材料，2019,39(4):78-80.

[8] 张清郁.车用DP780高强钢板热冲压成形数值模拟及模具磨损[J].锻压技术，2022,47(8):35-40.

[9] 马闻宇，杨建炜，姚野，等.热冲压工艺参数对零件成形性影响规律分析[J].中国冶金，2021,31(11):29-33.

[10] 陈建彬，佐凯，靳凯，等.冲压速度对高温合金卡圈成形的影响[J].塑性工程学报，2022,29(1):60-65.

文章来源：成都工业学院学报

摘    要：针对某品牌汽车B柱内板的成形工艺问题，研究了零件22MnB5高强度钢的热冲压成形参数对成形质量的影响，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标，通过正交实验和极差分析，获得零件热冲压成形的最优工艺参数，并完成最优工艺参数的成形仿真和回弹分析，仿真结果表明零件的厚度分布均匀，零件最大减薄率为10.1%,最大增厚率为7.1%,零件的回弹量小，最大回弹量为0.714 mm,该零件成形质量符合设计要求，表明了该零件热冲压成形优化方案的可行性。

关键词：B柱内板;热冲压;工艺参数;

目前，中国汽车工业飞速发展，汽车保有量逐年上升，同时也面临能源、环保等问题，如何开发节能环保的“绿色汽车”受到各汽车厂商的重视[1]。实现“绿色汽车”的主要方法为应用新能源、优化引擎性能和汽车轻量化等，其中汽车轻量化是较为有效的方法。据相关研究表明，汽车质量减少100 kg, 百公里可节省0.5 L燃油[2,3]。汽车轻量化的方法主要为材料优化和结构优化两种，材料优化是使用高性能或轻质材料替代普通材料，例如使用高强钢或铝合金材料替代普通钢铁材料达到车身减重的目的；结构优化是通用对零件的内部结构进行改进和优化达到减少材料用量[4,5,6]。汽车B柱内板属于钣金件，很难通过结构优化实现轻量化，采用材料优化是比较合理的方法。高强钢具有安全性高、成本低廉等优点，是汽车轻量化用材应用最广泛的材料，但在冷冲压成形中易出现开裂和回弹问题，为了解决这些问题，可采用热冲压成形技术[7,8]。在热冲压成形中板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度等工艺参数对零件成形质量有较大影响[9,10],因此，对热冲压成形工艺参数优化具有十分重要的意义。本文以某汽车B柱内板为例，运用Dynaform软件对热冲压成形中的板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度进行优化，获得最优工艺参数，并完成模拟分析。

2 汽车B柱内板热冲压成形仿真参数设计

2.1 有限元模型设计

图1为某品牌汽车B柱内板的三维设计图。零件是位于汽车前门与后门的交界处，起着支撑和安全保护作用，需具备高强度和抗碰撞能力。零件呈T字形状，尺寸为1 500 mm×500 mm×110 mm, 设计厚度为1.5 mm, 型面形状复杂且拉延深度大，在成形过程中易出现开裂和回弹现象。

图1 汽车B柱内板的三维设计图  

利用Dynaform软件中的DFE模块完成汽车B柱内板工艺补充面和压料面设计，并通过Tools模块进行凸模、凹模、压边圈和坯料等工具的设计，在Setup模块对各个工具进行定位及参数设置，完成有限元模型设计，如图2所示。

图2 有限元模型   

2.2 板料模型及参数设计

汽车B柱内板设计材料为22MnB5高强度钢，根据材料的各向同性可知，材料模型有*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL(#4)和*MAT_ELASTIC_VISCOPLASTIC_THREMAL(#106)2种模型可选，同时还需要考虑材料在热冲压成形过程中热力耦合和组织转变下弹性变形，使用#106材料模型能更加准确反映材料性能与温度变化的关系，可以提高成形仿真的精度，因此本实验22MnB5高强度钢板选用#106材料模型。22MnB5高强度钢的性能随温度变化而变化，温度变化范围为0～1 000 ℃,实验主要的各温度点的弹性模量、泊松比、考珀·西蒙黏性影响系数(P和C)如表1所示。

表1 22MnB5高强度钢实验主要温度点性能

3 汽车B柱内板热冲压成形质量优化

3.1 热冲压成形质量评价设计

汽车B柱内板形状复杂，拉深深度大，在成形中材料内部发生滑移会造成板料厚度不均匀，造成零件开裂或折皱现象，可通过零件的最大减薄率和最大增厚率判别其是否合格。最大减薄率TL和最大增厚率TH为：

式中：t0为板料成形前的厚度；t1为板料成形后的厚度。最大减薄率达到一定值时，材料变形超过极限会发生开裂，严重影响零件的安全性，汽车B柱内板的设计要求最大减薄率不超过15%,即TL≤15%;最大增厚率达到一定值时，材料会出现起皱或堆积，对零件的强度和有效性带来影响，汽车B柱内板设计要求最大增厚率不超过10%,即TH≤10%。

在热冲压过程中，板料在发生塑性变形过程中有部分区域仍是弹性变形，卸载后弹性变形会恢复原状即回弹现象，回弹会影响零件的尺寸精度，造成零件无法顺利安装。可通过零件的最大回弹量评判其是否合格，最大回弹量N为：

式中：S为回弹件测量点位置；D为设计件测量点位置。汽车B柱内板属于多点位配合件，安装精度要求高，最大回弹量要求不超过1 mm, 即N≤1 mm。

3.2 热冲压成形正交实验设计

热冲压成形涉及多个工艺参数，如果将每个工艺参数都进行组合需要花费大量的时间。正交实验是基于数理统计理论和正交性原理设计出具有代表性的实验组合，能够合理地减少实验数量，是工艺分析中最常用的方法之一。

实验选取板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度作为试验因素，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标完成热冲压成形工艺参数优化。板料初始温度会影响板料进入奥氏体化和组织的均匀性，进而影响板料的成形性，根据22MnB5高强度钢奥氏体化温度(900～950 ℃)及板料加热后到达模具成形需要一定时间会使温度下降，本实验板料初始温度选取910,930,950 ℃;模具初始温度会影响成形时板料温度下降速度和模具的寿命，本实验模具初始温度选取50,80,110 ℃;压边力会影响板料在成形过程的流动性和模具的磨损程度，根据压边力的计算公式(式4)可得压边力为80～120 kN,本实验压边力选取80,100,120 kN;冲压速度会影响热冲压成形的效率和板料塑性变形程度，根据塑性变化理论和冲压机设备参数，本实验冲压速度选取50,100,150 mm/s。各因素和各水平的取值范围见表2。

F=A×P。 (4)

式中：F为压边力，kN;A为压边圈的面积，mm2;P为单位压边力，N/mm2。

表2 各因素和各水平的取值范围 

3.3 热冲压成形正交实验结果及分析

根据正交实验设计原理完成4因素3水平的L9(34)正交实验表，并将正交表中的各参数组合通过Dynaform软件进行成形仿真和回弹分析，获得零件的最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量3个评价目标，如表3所示，零件的最大减薄率在9.27%～16.29%,方案3的最大减薄率为16.29%,超过设计要求(≤15%);零件的最大增厚率在8.45%～13.42%,方案4、方案5、方案8和方案9的最大增厚率超过设计要求(≤10%);零件的最大回弹量在0.53～0.89 mm, 所有方案的最大回弹量均符合设计要求(≤1 mm)。表4为各评价目标的极差分析统计表。根据最大减薄率的极差分析结果可知，以最大减薄率为评价指标时，影响零件最大减薄率的因素主次关系为模具初始温度>板料初始温度>冲压速度>压边力，最优工艺参数为模具初始温度50 ℃、板料初始温度930 ℃、冲压速度100 mm/s、压边力80 kN;根据最大增厚率的极差分析结果可知，以最大增厚率为评价指标时，影响零件最大增厚率的因素主次关系为板料初始温度>模具初始温度>冲压速度>压边力，最优工艺参数为板料初始温度910 ℃、模具初始温度100 ℃、冲压速度50 mm/s、压边力100 kN;根据最大回弹量的极差分析结果可知，以最大回弹量为评价指标时，影响零件最大回弹量的因素主次关系为压边力>模具初始温度>冲压速度>板料初始温度，最优工艺参数为压边力120 kN、模具初始温度80 ℃、冲压速度100 mm/s、板料初始温度950 ℃。由上述分析可知，根据不同的评价目标热冲压最优工艺参数不一致，因此需要进行多目标优化，使各评价目标值同时达到最小值，利用Design-Expert软件进行多目标优化求解，获得最优工艺参数为板料初始温度930 ℃、模具初始温度80 ℃、压边力80 kN、冲压速度100 mm/s。

表3 正交实验结果统计

表4 各评价目标的极差分析统计

3.4 最优工艺参数的仿真分析

将上述多目标优化后的最优工艺参数导入Dynaform软件进行热冲压成形仿真和回弹分析，获得零件的成形极限见图3,厚度分布见图4,回弹分布见图5。

图3 零件成形极限  

图4 零件厚度分布   

图5 零件回弹量分布

由图3可知，零件成形极限大部分区域处于安全状态，未出现开裂现象，只有少部分区域处于起皱状态，零件是内板件少部分起皱不会对性能造成很大影响；由图4可知，零件的最小厚度为1.349 mm, 最大厚度为1.606 mm, 对应的最大减薄率为10.1%,最大增厚率为7.1%,2个评价指标均在允许范围内；由图5可知，零件的最大回弹量为0.714 mm, 最大回弹发生在右上角区域，整体的回弹量分布符合零件后续的装配要求。

4 结论

本文以某品牌汽车的B柱内板件为实例，完成成形质量评价设计，通过正交实验和极差分析法，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标，求解出热冲压成形最优工艺参数，并对最优工艺参数组合进行热冲压成形仿真和回弹分析，仿真结果表明零件最大减薄率为10.1%、最大增厚率为7.1%、最大回弹量为0.714 mm, 3个评价目标均符合设计要求，本文的优化方案可以为同类零件的热冲压成形优化提供参考。

参考文献

[1] 刘建荣，郝小妮.考虑环保意识的低碳出行行为研究[J].交通运输系统工程与信息，2019,19(1):26-32.

[2] 陈志耀，马天战，马丹萍.汽车轻量化的技术动向[J].汽车零部件，2022(8):92-95.

[3] 李洺君，王明明，吕文静.汽车轻量化材料的应用及现状[J].时代汽车，2020(8):31-33.

[4] 王童，杜轶群，陈轶嵩，等.基于结构轻量化的城市客车车身生命周期评价[J].汽车工程，2022,44(5):778-788.

[5] 刘芳.乘用车车身结构轻量化设计影响因素研究[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2022,34(1):47-51,60.

[6] 孙然.基于材料轻量化的商用汽车驾驶室CAE分析与建模[J].红河学院学报，2021,19(5):147-150.

[7] 李琦，纪沙沙，王章忠，等.22MnB5超高强度钢防撞梁的冷冲压成形数值模拟[J].冶金与材料，2019,39(4):78-80.

[8] 张清郁.车用DP780高强钢板热冲压成形数值模拟及模具磨损[J].锻压技术，2022,47(8):35-40.

[9] 马闻宇，杨建炜，姚野，等.热冲压工艺参数对零件成形性影响规律分析[J].中国冶金，2021,31(11):29-33.

[10] 陈建彬，佐凯，靳凯，等.冲压速度对高温合金卡圈成形的影响[J].塑性工程学报，2022,29(1):60-65.

文章来源：成都工业学院学报