热成型技术的车身中柱设计的应用研究

苏小明

中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司天津300462

摘要：本文主要介绍了热成型技术在车身开发中的研究与应用情况，以某车型B柱加强板为例，借助AutoForm软件，分析加热温度、加热时间、成型速度、冷却速度等工艺参数对热成形过程的影响，避免热成型模具因冷却水道布置不合理而影响整个车身结构的布置问题产生。同时根据热成型零件的加工特点，提出了一系列有效措施来降低热成型零件的成本。

关键词：热成型；车身；设计

1引言

随着人们生活水平的提高，对轿车使用的安全性和舒适性的要求也越来越高，这就意味着人们对轿车在安全耐撞性和承压能力以及车身量轻化的要求也越来越高。传统的冷冲压工艺在进行车身成型过程中容易产生破裂回弹现象，无法适应超高强度钢板的制造要求。而热成型技术是一项专门用于成型高强度钢板冲压件的新技术，可以成型强度高于1500MPa的冲压件，而且高温下成型几乎没有回弹，具有成型精度高、成型性能好等优点，因此引起业界的普遍关注并迅速成为汽车制造领域的热门技术。

2热成型工艺概述

热成型工艺是一项专门用来形成超高强度钢板冲压件的工艺，是获得超高强度钢板的有效途径。基本原理是通过对低碳合金钢的热处理得到高强度、高硬度的零件状态。主要过程有上料、加热、成型冷却、下料、激光切割等主要工序。其优点是极好的可塑性、良好的成型性及热加工性，复杂零件可以一次冲压成型完成，回弹力比冷冲压减少90%以上，同时减重效果明显。

3车身B柱的设计

车身B柱是车身中十分关键的部分，在设计时必须严格考虑车身B柱的耐撞性、承压性。如果利用传统的加工工艺，可能会增加车身B柱的耐撞性，但同时也增加了其重量，与当前时代要求的轻量化冲突了。因此我们研究新设计模式，不仅要增强其耐撞性，同时也要利于汽车的轻量化设计和改善燃油经济性。

3.1开发流程

鉴于TRB产品的工艺特殊性，区别于常规的产品开发流程，需要在设计优化前增加零件排样设计的步骤。通过如图1所示的TRB产品开发流程，可以在设计初期极大地降低成本。

图2排样图

3.2CAE优化流程

设置好热成型工艺流程并代表就结束了，因为设置出来的工艺流程也未必是最优的，我们还需要通过实验初步验证，然后利用当前使用最多的ANSYS软件进行模式优化处理，处理结果如图2所示，即是车身B柱的最优化排样图。

4热成型技术的应用

4.1通过优化切割工艺，降低成本

优化工艺最主要的就是优化激光切割，即要减少激光切割的有效时间，以加快生产节拍。同时有效减少激光切割线长，也是降低热成型零件成本的重要途径之一。我们可以采用热切割方法，这种方法可以使零件的激光切割周长减少、节拍加快、费用降低。产品设计时，根据匹配需要，局部放宽公差带要求，这样成型后零件的边界在尺寸精度范围内，这一段就无需激光切割，可以有效减少激光切割线长，并且无废料产生提高零件的材料利用率，达到降低成本的目的。

4.2通过优化合模工艺，降低成本

共模生产也是制作过程中一个高耗能，高费用的流程，要想热成型技术得到充分的肯定，我们还需要优化合模工艺，通过在机床允许的情况下可以采用一模2件（如图3所示），有的细长零件甚至采用一模4件的生产方式，不仅使模具受力对称，而且提高了模具寿命和生产效率，在热成型生产时减少冲次费用也能够降低单件成本。

图3某车型B柱外板一模2件模具照片图4某车型B柱外板

4.3通过合理排样，降低成本

合理排样提高材料利用率，就B柱外板这个零件而言，热成型的拉伸过程中所需的料片轮廓比传统的冷热冲压更接近于零件外形。通过对料片的合理排样，可以显著地提高材料利用率，从而降低板材采购成本。（如图4所示）

虽然热成型技术具有很多优点，但其也是一种高投资、高能耗的生产方式，后续工序中采用的激光切割修边工序成本也很昂贵，即使考虑到热成型技术带来的轻量化特点，热成型零件的成本还是很高，这点在整车应用中受到约束。因此，我们在在设计开发中，应当选用合适的材料和工艺手段，用以降低成本。

对于热成型材料的选择主要是针对镀层与非镀层钢板，钢板按镀层分可分为带涂层钢板(铝硅镀层)以及不带涂层钢板(光板)两种。其中原材料是否有镀层就是影响热成型成本的重要因素之一。铝硅镀层板在成型时，操作工艺虽然简单一点，但镀层原材料价格较贵且供应商单一。而光板材料虽然相对便宜，但是其操作工艺相对比较繁琐复杂，同样加大了整体成本。

综上来看，选择使用材料，就应当综合材料的功能、质量、成本进行全面分析，选择最优方案。

小结：对于热成型材料来说，最突出的特点就是，能够在提高车身中柱耐撞性的同时，还能够比较好的实现车身结构的轻量化模式，从而实现整体车身的量轻化，最终降低油耗和CO2排放，实现了节能减排，绿色设计的理念。但热成型工艺还是比较复杂，前期应当通过一定的仿真技术，对开发出来的流程进行实验和优化，提高其生产的稳定性。本文通过对车身B柱的虚拟分析介绍了热成型与冷冲压的设置区别，来保证分析与实物的接近。另外由于热成型较高的能耗致使生产成本相对较高，本文根据热成型零件的加工特点，提出了一系列有效措施来降低热成型零件的成本。随着热成型新工艺的出现和发展，如连续变截面、激光拼焊板、补丁板等为这项技术的应用提供了更广阔的前景。

参考文献：

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