汽車后保險(xiǎn)杠成形工藝基礎(chǔ)研究及發(fā)展

1、汽車后保險(xiǎn)杠成形工藝基礎(chǔ)研究及發(fā)展摘要：汽車保險(xiǎn)杠是吸收緩和外界沖擊力、防護(hù)車身前后部的安全裝置。采用高強(qiáng)度鋼板制造的保險(xiǎn)杠能大大提高乘員安全性，但高強(qiáng)度鋼板成形非常困難，在總結(jié)國內(nèi)外汽車保險(xiǎn)杠成形技術(shù)及研究概況的基礎(chǔ)上，分析了高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠沖壓成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀及主要研究方向，討論了高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠沖壓成形領(lǐng)域要解決的關(guān)鍵問題，采用現(xiàn)有水平下的先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)與調(diào)整沖壓工藝相結(jié)合能解決該問題。對于同類相關(guān)高強(qiáng)度鋼汽車零件的生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：汽車保險(xiǎn)杠高強(qiáng)度鋼板沖壓工藝數(shù)值模擬研究Abstract：automobilebumperisabsorbingexternalimpact

2、,easingthebodyforwardprotectionsafetydevice.Productionofhighstrengthsteelbumpercangreat1yenhancetheoccupantsafety.However,itisveryhardtoformhighstrengthsteelplate.Thispaperbasedonthetheresearchanddevelopmentprogressofhighstrengthsteelaresummarized,theresearchstatusandmaindirectionofstampingtechnolog

3、yareanalyzed.Thekeypointsofstampingofhighstrengthsteelarediscussed.thesolutioniscombiningadvanced numericalsimulationechnologywithcurrentadjustingstampingprocess.Itprovidesreferencesformanufacturingsimi1arhighstrengthsteelpartsofautomobile.Keywords:automobilebumper;highstrengthstee1;stamping;numeric

4、alsimulation;study1，前言20年前，汽車前后保險(xiǎn)杠是以一般鋼材為主，用厚度為3毫米以上的鋼板沖壓成U形梢鋼，表面處理鍍銘，與車架縱梁鐘接或焊接在一起，與車身有一段較大的間隙，好像是一件附加上去的部件。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保險(xiǎn)杠作為一種重要的安全裝置也走向了革新的道路上。今天的轎車前后保險(xiǎn)杠除了保持原有的保護(hù)功能并提高其安全性外，還要追求與車體造型的和諧與統(tǒng)一，追求本身的輕量化。為了達(dá)到這種目的，目前一些汽車的前后保險(xiǎn)杠采用了高強(qiáng)度鋼板。有資料表明，使用高強(qiáng)度鋼板，原厚度為1.01.2mm的車身板可減薄至0.70.8mm,車身整體質(zhì)量減少15%20%,節(jié)油8%15%。但是高

5、強(qiáng)度鋼板變形抗力大，對模具要求高，同時(shí)普遍存在較大回彈。某進(jìn)口車型高強(qiáng)度鋼后保險(xiǎn)杠采用的高強(qiáng)度鋼板屈服強(qiáng)度達(dá)到采用常規(guī)沖壓工藝很難達(dá)到產(chǎn)品要求，主要問題是破裂和回彈6-10,而國內(nèi)可供參考的成功經(jīng)驗(yàn)也很少，如果采用國外熱成形技術(shù)又會(huì)顯著增加成本712,而且效率低下。由于沒有攻克這個(gè)技術(shù)難題，國內(nèi)很多汽車企業(yè)放棄高強(qiáng)度鋼板制造保險(xiǎn)杠而采用中強(qiáng)度鋼板再增加料厚的辦法，不僅增加成本而且造成車身重量加大，耗油量增加，性差；即使有汽車企業(yè)采用高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠，也是直接交由國外企業(yè)采用熱成形制造，所以一直受限于國外企業(yè)的技術(shù)壟斷1315。為了打破這一技術(shù)壟斷，在國內(nèi)現(xiàn)有工藝水平下采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)與調(diào)整

6、沖壓工藝相結(jié)合最終成功攻克這一技術(shù)難關(guān)。本文主要分析沖壓用高強(qiáng)度鋼板、模具材料和設(shè)計(jì)的要求，歸納汽車高強(qiáng)度鋼后保險(xiǎn)杠的開發(fā)及其沖壓成形技術(shù)，力求為該技術(shù)進(jìn)一步的研究及其在汽車工業(yè)上的應(yīng)用提供參考。2研究汽車高強(qiáng)度鋼后保險(xiǎn)杠沖壓成形的背景和意義21板料沖壓成形技術(shù)概述冷沖壓是塑性加工的基本方法之一,它是利用安裝在壓力機(jī)上的模具,在室溫下對板料施加壓力使其變形和分離,從而獲得具有一定形狀、尺寸的零件的壓力加工方法。因?yàn)樗饕糜诩庸ぐ辶狭慵砸卜Q板料沖壓。金屬板料在沖壓力的作用下,其應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限而沿一定的輪廓線斷裂,稱為分離工序。分離工序又可分為落料、沖孔、切斷、切邊、剖切、切口和剪切等;

7、金屬板料在沖壓力的作用下,其應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度極限但低于強(qiáng)度極限而產(chǎn)生塑性變形,從而獲得一定形狀和尺寸要求的制件,稱為變形工序,變形工序又可分為彎曲、拉延、翻邊、翻孔、脹形、擴(kuò)孔、縮口和旋壓等。與其他加工方法相比，無論在技術(shù)方面，還是在經(jīng)濟(jì)方面沖壓加工都具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）能沖壓出其他加工工藝難以加工或無法加工的形狀復(fù)雜的制件；（2）由于沖壓加工是靠模具成形,模具制作精度高,使用壽命長,故沖壓件質(zhì)量穩(wěn)定,制件互換性好；（3）材料利用率高。一般為75%-85%,因此沖壓加工能實(shí)現(xiàn)少廢料，甚至無廢料生產(chǎn)。在某些情況下,邊角余料也可充分利用；（4）生產(chǎn)效率高且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化生產(chǎn)。對于高

8、強(qiáng)度鋼，若配以合適的后繼熱處理方式，還可以使板料發(fā)揮其最佳的性能，為汽車提供高質(zhì)量的零部件，從而不但降低了汽車保險(xiǎn)杠的重量，還提高了其抗沖擊性能及疲勞性能，提高了汽車的安全性。2.2研究高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠沖壓工藝的意義還未走遠(yuǎn)的*和嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)導(dǎo)致當(dāng)前汽車制造企業(yè)面臨慘烈的市場競爭，如何回應(yīng)日益高漲的環(huán)保和安全呼聲將是汽車制造企業(yè)能否生存、發(fā)展的關(guān)鍵。采用高強(qiáng)度鋼板制造車身則是解決這些問題的有效手段。某進(jìn)口車型高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠采用的高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度達(dá)到800Mpa,為普通鋼板強(qiáng)度的2-3倍，并且降低了車身重量，還提高了汽車的安全性，以及相關(guān)聯(lián)的降低油耗，節(jié)約能源、減少汽車排放等。此外，高強(qiáng)度鋼板廢物

9、可以充分回收利用，有利于降低環(huán)境污染。車身重量的減輕，還有助于改善汽車的行駛、轉(zhuǎn)向、加速、制動(dòng)等運(yùn)動(dòng)性能和排氣性能，同時(shí)，還為降低噪聲、振動(dòng)、實(shí)現(xiàn)大功率創(chuàng)造條件。我國汽車工業(yè)己進(jìn)入高速增長的發(fā)展階段，xx年汽車產(chǎn)量超過400萬輛，已成為世界汽車生產(chǎn)大國，xx年前，年均增長率為10%-15%。汽車輕量化和原料國產(chǎn)化、高性能化是中國汽車工業(yè)及相關(guān)工業(yè)努力的方向。而汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，作為一個(gè)獨(dú)立的總成安裝在汽車上，它對車輛的安全防護(hù)、造型效果、空氣動(dòng)力性等有著較大*。保險(xiǎn)桿作為汽車車身的一個(gè)重要部件，其作用有兩方面：一是當(dāng)汽車與其他車輛或障礙物發(fā)生碰撞時(shí)，起保護(hù)翼子板、散熱器和燈具的作用；二是

10、起裝飾作用。由于保險(xiǎn)桿具有這些功能，國內(nèi)外=須加快促進(jìn)汽車高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠冷沖壓工藝的研究和發(fā)展。3汽車高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠成形工藝研究現(xiàn)狀在汽車工業(yè)中，基于減重和環(huán)保的目的，高強(qiáng)度鋼板沖壓成形技術(shù)逐漸受到關(guān)注與重視，各大鋼鐵公司、汽車制造廠商以及國內(nèi)外的部分大學(xué)紛紛開始了高強(qiáng)度鋼板的沖壓成形技術(shù)的研究。然而，基于技術(shù)保密的原因，各高強(qiáng)度沖壓部件供應(yīng)商對于沖壓技術(shù)的研究文獻(xiàn)很少見，現(xiàn)僅對國內(nèi)外開展高強(qiáng)度鋼板及其保險(xiǎn)杠沖壓研究的現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。為減重和提高抗沖擊性能，法國USINO宓司開發(fā)出了系列高強(qiáng)度鋼板，其主要性能見下表；研究表明TRIP800（冷軋）具有良好的成形性能，實(shí)際成形性能接近DDQ勺水平，

11、但當(dāng)TRIP鋼的強(qiáng)度超過800Mp寸，成形性能顯著下降。TRIP鋼能更多地吸收沖擊能，特別適用于碰撞罩，保險(xiǎn)杠等抗沖擊類零件。國際上已研制出超輕鋼車身，在滿足xx年美國碰撞法規(guī)前提下，應(yīng)用先進(jìn)高強(qiáng)度可在不增加成本的條件下使車身質(zhì)量減少20%。高強(qiáng)度鋼板等先進(jìn)材料的廣泛應(yīng)用使得回彈控制更加困難，而回彈量的預(yù)測精度是回彈控制的基礎(chǔ)。熱沖壓成形技術(shù)是解決高強(qiáng)度鋼板難成形問題和減少回彈的有效途徑。德國紐倫堡大學(xué)亦在進(jìn)行德國研究基金DF狽目-淬火鋼板的熱沖壓成形原理研究。xx年進(jìn)行了熱沖壓成形的基礎(chǔ)研究，通過實(shí)驗(yàn)確定了22MnB5勺奧氏體化溫度和保溫時(shí)間。xx年采用Gleeble1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，起

12、簡圖如圖1所示，對板料進(jìn)行等溫拉伸以獲得熱沖壓工藝的時(shí)間-溫度參數(shù)所決定的22MnB5的流動(dòng)性能，獲得了奧氏體狀態(tài)下材料軋制方向、溫度和應(yīng)變速率對流動(dòng)性能*。在此基礎(chǔ)上研究了拉伸錢冷卻速率對材料性能*。結(jié)果表明，材料的軋制方向?qū)W氏體狀態(tài)下的流動(dòng)性能沒有影響，而溫度對流動(dòng)應(yīng)力*很大，增加溫度可減小流動(dòng)應(yīng)力和材料的加工硬化。此外，應(yīng)變速率亦是影響材料流動(dòng)應(yīng)力的重要因素，增加應(yīng)變速率會(huì)增加材料流動(dòng)應(yīng)力水平。拉伸前冷卻速率在一定程度上影響材料的力學(xué)性能。*大學(xué)某課題組xx年采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)與調(diào)整沖壓工藝相結(jié)合的方法對汽車高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠冷沖壓成形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其采用板料成形數(shù)值模擬軟件Dyna

13、form對該型轎車的保險(xiǎn)杠成形過程進(jìn)行了模擬仿真，并通過實(shí)驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)與仿真結(jié)果的對比研究了工藝補(bǔ)充部分形狀變化及回彈補(bǔ)償對保險(xiǎn)杠成形性能*，最終得到優(yōu)化的型面設(shè)計(jì)，順利生產(chǎn)出制件，為同類相關(guān)高強(qiáng)度鋼零件的生產(chǎn)起到了指導(dǎo)作用。試驗(yàn)表明鋼板的成形性能優(yōu)于級的鋼板,成綜上所述，由于高強(qiáng)度鋼板沖壓成形具有成形難，回彈大等特點(diǎn)，故高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠的成型工藝研究集中在以下幾個(gè)方面：強(qiáng)度級別不同的高強(qiáng)度鋼板的成形性能區(qū)別顯著。選擇合適的高強(qiáng)度鋼種對高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠的成形至關(guān)重要。如適于制造保險(xiǎn)杠等抗沖擊類零件的TRIP800（冷軋）具有良好的成形性能，但當(dāng)TRIP鋼的強(qiáng)度超過800MP寸，成形性能顯著下降。術(shù)

14、熱成型技術(shù)可以克服高強(qiáng)度鋼成形困難，回彈大的缺陷。和普通鋼板相比，高強(qiáng)度鋼板在沖壓過程中不僅會(huì)造成較大的彎曲回彈和扭曲回彈，而且還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的側(cè)壁卷曲，這將嚴(yán)重影響沖壓件的形狀尺寸精度和整車裝配。熱沖壓成形技術(shù)是解決高強(qiáng)度鋼板難成形問題和減少回彈的有效途徑。熱沖壓是將沖壓板材在奧氏體溫度區(qū)加熱，在高溫下沖壓成形并使其在模具內(nèi)進(jìn)行馬氏體相變后，在保證高強(qiáng)度的前提下獲得需要的形狀。但熱成型技術(shù)會(huì)顯著增加成本采用數(shù)值模擬技術(shù)研究熱沖壓成形過程。分析各參數(shù)對部件性能*規(guī)律。隨著計(jì)算技術(shù)尤其是有限元理論和方法的不斷發(fā)展，描述宏觀尺度的塑性變形物理模型、數(shù)值計(jì)算方法日臻完善，數(shù)值模擬成為研究塑性變形過程的

15、有力手段。借助數(shù)值模擬技術(shù)可以對汽車高強(qiáng)度剛保險(xiǎn)杠的成形過程進(jìn)行模擬如果工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)導(dǎo)致回彈較大，進(jìn)而影響后工序的產(chǎn)品質(zhì)量和尺寸精度。通過實(shí)驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)與仿真結(jié)果的對比研究了工藝補(bǔ)充部分形狀變化及回彈補(bǔ)償對保險(xiǎn)杠成形性能*，最終得到優(yōu)化的型面設(shè)計(jì)4 、高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠成形工藝關(guān)鍵問題及解決方法國內(nèi)可供參考的成功案例非常有限，如果采用國外熱成形技術(shù)又會(huì)顯著增加成本且效率低。只能在現(xiàn)有水平下采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)與調(diào)整沖壓工藝相結(jié)合才能解決該問題。通過有限元分析軟件Dynaform對汽車高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠冷沖壓成形過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)回彈和破裂是其主要缺陷?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面改善高強(qiáng)度鋼沖壓件

16、的成形質(zhì)量：(1) 增大塑性變形量可以有效降低零件的破裂傾向和回彈。汽車后保險(xiǎn)杠形狀如圖2所示，從側(cè)視圖中可見其曲率較大，且縱向截面呈U形，如果工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)導(dǎo)致回彈較大，進(jìn)而影響后工序的產(chǎn)品質(zhì)量和尺寸精度。為保證制件質(zhì)量，需在工藝設(shè)計(jì)時(shí)盡量增加零件的塑性變形，故先將工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)成盒形。彎曲件產(chǎn)生破裂是因?yàn)锳處和C處的產(chǎn)品型面圖2保險(xiǎn)杠零件三維模型上分別有加強(qiáng)支耳，工藝補(bǔ)充面為盒形時(shí)，這兩處圓角過小，加±DP800材料的流動(dòng)性較差，所以造成破裂。故只能根據(jù)零件型面將工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)成類似U形件。但U形工藝補(bǔ)保險(xiǎn)杠成形有限元模型充面的回彈較大，通過對比盒形和類似U形工藝補(bǔ)充

17、面的模擬結(jié)果就可看出塑性變形量較小的U形工藝補(bǔ)充面具回彈較大。(2) 模面補(bǔ)償法。根據(jù)回彈大小采用模面補(bǔ)償，增大壓邊力對對回彈角*法，將中間B處型面提升并重新構(gòu)建模面，使其曲率半徑減小，從而減小實(shí)際生產(chǎn)零件與目標(biāo)型面的距離。采用模面補(bǔ)償法雖然不能有效降低回彈數(shù)值但是可以使零件型面接近目標(biāo)型面。但是當(dāng)B處升高超過6mm時(shí)把實(shí)際生產(chǎn)的樣件安放在檢具上發(fā)現(xiàn)靠近A處的安裝面影響到模面補(bǔ)償法的效果。除了采取模面補(bǔ)償法外，還需在工藝補(bǔ)充時(shí)盡量增加其塑性變形，如減小凸模圓角，適當(dāng)增加壓邊力，設(shè)置局部凸頂?shù)取?3) 在凸模局部型面上設(shè)置凸頂。其原理是不改變模具閉合高度的情況下，減小凸頂部分的模具間隙，使凸模強(qiáng)

18、制擠壓材料，增加塑性變形。通過模擬發(fā)現(xiàn)設(shè)置凸頂后材料的塑性變形增加，回彈減小。通過改進(jìn)上述方面，升高B處并重構(gòu)型面，凸模型面上設(shè)置適當(dāng)凸頂，合理設(shè)置壓邊力，板料外形根據(jù)型面展開落料而成的，工序采用“落料、沖定位孔拉延修邊、整形、沖孔”，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可得出滿意的結(jié)果。5 結(jié)束語作為汽車輕量化的重要途徑高強(qiáng)度鋼板沖壓成形技術(shù)正倍受世界各國學(xué)者的普遍關(guān)注。而高強(qiáng)度剛保險(xiǎn)杠不僅減輕了車身重量，降低成本，還提高了碰撞安全性和抗疲勞性，其發(fā)展?jié)摿薮?。但由于國外技術(shù)壟斷和國內(nèi)制造水平的限制，因此以快速準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和具有工程實(shí)用水平的優(yōu)化技術(shù)為手段的系統(tǒng)地發(fā)展高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠的成形工藝研究，對同類相關(guān)高強(qiáng)

19、度鋼零件的生產(chǎn)以及我國汽車業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。：1 魯春艷汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其實(shí)施途徑J輕型汽車技術(shù)，xx(6)：2225.2 王利，楊雄飛，陸匠心汽車輕量化用高強(qiáng)度鋼板的發(fā)展J.鋼鐵，xx,41(9):18.3 彭穎紅金屬塑性成形仿真技術(shù)M上海：上海大學(xué)出版社19994 NaderiM，Saeed-AkbariA，BleckWThedffectsofnon isothermaldeformationonmartensitictransformationin22MnB5steelJMaterialsScienceandEngineering，xx：l l15 張旭，周杰高強(qiáng)度鋼保險(xiǎn)杠成形工藝及回彈控制的數(shù)值模擬優(yōu)化J，*大學(xué)學(xué)報(bào)xx(9)：104-056 王昶，何玉林，胡亞民，等轎車車身覆蓋件沖壓模具工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)與應(yīng)用J鍛壓技術(shù)，xx，31(5)：100-103.7王孝培.沖壓手冊M.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.8林忠欽車身覆蓋件沖壓成形仿真