2.3 热冲压B柱开发案例
2.3.1 总体方案
B柱外板采用热冲压钢板（B1500HS，t=1.6mm），考虑成本采用不带涂层的裸板，其内部加强件分为上、下两个零件，上加强件材料厚度为1.2mm，下加强件材料厚度为1.6mm。
2.3.2 典型断面结构形式
车身结构典型断面作为设计前期定义车身关键区域、关键结构、布置细节几何关系、校核造型可行性的重要工具。与B柱相关的断面包括B柱上部、后门上下铰链部位、前门锁扣处、后门限位器处，如图2-6所示。
B柱上部典型断面如图2-7所示，包含布置零件有：①前门玻璃；②前门密封；③前门止口处密封；④后门玻璃；⑤后门密封；⑥后门止口处密封；⑦安全带高调器；⑧后门框密封。
图2-6 B柱典型断面分布
图2-7 B柱上部典型断面
前门锁扣处典型断面如图2-8所示，包含布置零件有：①后门止口密封；②后门密封；③后门运动空间；④前门止口处密封；⑤玻璃导轨；⑥前门密封；⑦胶堵。
图2-8 前门锁扣处典型断面
后门上铰链处典型断面如图2-9所示，包含布置零件有：①后门止口密封；②后门密封；③后门运动空间；④前门止口处密封；⑤前门密封。
图2-9 后门上铰链处典型断面
后门下铰链处典型断面如图2-10所示，包含布置零件有：①后门止口密封；②后门密封；③后门下铰链运动空间；④前门止口处密封；⑤前门密封；⑥安全带卷收器。
图2-10 后门下铰链处典型断面
后门限位器处典型断面如图2-11所示，包含布置零件有：①后门止口密封；②后门密封；③胶堵；④前门止口处密封；⑤前门密封；⑥后门运动空间。
图2-11 后门限位器处典型断面
依据B柱结构的典型断面设计，B柱加强板各处位置形状基本确定。基于侧围外板几何形面设计B柱的基础面，并通过修剪形成B柱加强板的基础结构，如图2-12所示。
图2-12 B柱加强板基础结构
2.3.3 冲压方向确定
热冲压零件为一次成形，选择产品各方面比较均衡的方向，以保证上模时零件两边最低点能同时接触坯料为原则制定冲压方向，如图2-13所示。冲压方向确定后零件不能出现负角。
图2-13 冲压方向确定
2.3.4 细节设计
热冲压零件应该避免圆孔翻边设计，目前热冲压工艺中进行圆孔热翻边比较困难，很难达到要求的精度，且很难将坯料优化到可以翻孔位置，并且翻边后难以做激光切割，如图2-14所示。
热冲压零件设计翻边结构时应注意拉延-法兰边区域，这些区域有更高的起皱、开裂倾向。外凸翻边的最终线长度比初始长度短会产生压缩法兰边，如图2-15a所示，容易导致起皱和折叠，且起皱的趋势随翻边高度的增加而增大。内凹翻边属于伸长类翻边，产生拉伸法兰边，如图2-15b所示，竖边的长度在成形过程中会被拉长，当变形程度过大时，竖边边缘的切向伸长和厚度减薄就比较大，容易发生拉裂。法兰边越高，拉伸失稳越明显。无论是外凸翻边，还是内凹翻边，都应降低翻边高度和曲率。总体上说，热冲压B柱不宜有翻边，尤其是90°的翻边特征。
图2-14 热冲压零件避免圆孔翻边设计
图2-15 外缘翻边
降低拉延深度，且成形深度尽可能相同，应能够采用一次拉延成形，避免多道次拉深。冷拉深成形中，零件易在凸模圆角处开裂。而热拉深成形时，板料与模具在凸凹模圆角处先接触，导致这些部位首先冷却硬化，变形抗力增大（图2-16）。变形将转向温度较高、具有良好塑性流动性的拉延侧壁，导致应变集中。由于侧壁处于平面应变状态，拉延深度的增加依靠材料厚度的减薄，因而易产生拉裂，且拉裂的倾向随着拉深深度的增加而加剧。
图2-16 板料与模具接触时序对成形的影响
图2-17 不对称零件设计引起的坯料定位问题
B柱零件应尽量采用规则的形状设计，降低不对称度，B柱的截面形状应该尽量简单对称。对称度较差的零件设计，会导致坯料难以定位（图2-17）。此外，在成形过程中，坯料还可能产生转动，模具与坯料接触状态差，甚至影响材料的流动和淬火冷却。
B柱的截面形状应避免直壁和阶梯形。直壁和阶梯形截面形状在成形过程中，材料流动阻力增大，且热板料与模具的接触状况差，接触压力低，甚至出现不与模具接触的非接触区域，影响板料快速淬火。因此，应采用锥形（α≥93°）或是抛物线形拉深成形（图2-18）。
图2-18 拉深成形
侧壁的拔模角尽量加大，否则造成侧壁有可能产生非全马氏体区域，侧壁冲压拔模角最好在7°以上，冲压拔模角如图2-19所示。
图2-19 冲压拔模角
一般情况下，零件结构中应避免出现较深和较大区域的反向冲压成形（图2-20）。若无法避免，则应采用较大的过渡圆角，防止引发由高温度梯度导致的局部变形，降低起裂风险。
图2-20 反向冲压拉延
反冲结构（图2-21）容易产生堆料，反冲区域的形状特征尽可能平顺过渡。
图2-21 反冲结构
拉延成形角尽可能大些，方便在成形过程中材料的流动，避免产品表面的刮伤和刮痕。一般应满足：R≥5t（t为料厚，R为圆角半径），如图2-22所示。
图2-22 拉延成形角设计
前门锁扣位置的凸包（图2-23）在满足功能要求的情况下，尽可能地降低高度，且凸包面的角度要尽可能大，倒角最好在R10mm以上，形状特征避免高度落差急剧变化，以减少堆料问题。
图2-23 前门锁扣位置凸包设计
设计吸皱筋，降低起皱倾向。板料在奥氏体状态下的变形抗力低，流动速度快，易形成起皱。因此，应设计吸皱筋，降低起皱倾向，如图2-24所示。
设计板件（侧壁）弯曲时，应预留切口（图2-25），防止圆角在弯曲时受压产生挤料后起皱。
避免封闭式设计，应采用开放式设计（图2-26）。封闭式的“杯状”结构会导致成形过程中材料在凸凹模拐角处产生压缩变形和起皱。
设计减少凸起、凹陷特征的高度或深度（图2-27），并增大特征处的圆角半径。这些小的特征减薄严重，易拉裂。
热冲压零件修边、冲孔都采用激光切割（图2-28），不用考虑冲压工序问题，其数量一般为≤30个，并且在弧度较大曲面上也可以切孔，且精度可以保证技术要求。
2.3.5 材料性能目标
热冲压成形后，材料屈服强度为950～1250MPa，抗拉强度为1300～1600MPa，伸长率≥6%。热冲压件组织应以马氏体为主，心部硬度不低于400 HV10。对于厚度不超过1.0mm的热冲压件，表面脱碳层深度不应超过原材料厚度的10%；对于厚度超过1.0mm的热冲压件，表面脱碳层深度不超过0.1mm。
图2-24 设计吸皱筋
图2-25 切口示意
图2-26 封闭式和开放式结构示意
图2-27 较深凹陷特征示意
图2-28 激光切割边界
2.3.6 产品性能CAE分析
从侧面碰撞仿真分析结果来看，考察项符合要求（图2-29、图2-30）。
图2-29 侧碰B柱侵入量仿真结果
车门铰链安装点刚度仿真分析，考察项符合要求（图2-31）。
2.3.7 产品工艺分析
1.热冲压成形分析
热冲压数值模拟过程包含了板料加热过程中的温度场变化、热膨胀、奥氏体相变转变及奥氏体均匀化阶段；将板料传递到模具过程中红热板料的热传导、对流、辐射；板料接触模具的热传导、高温接触、高温摩擦、冷却收缩及成形与相变同时进行等复杂问题。热冲压数值模拟不仅多了温度场、相变场两个物理场，而且它们与传统冷冲压的应力场相互耦合，这使得热冲压数值模拟问题更加复杂。
图2-30 侧碰侵入速度仿真结果
目前，许多材料成形有限元分析软件都加入了热冲压分析模块，都能对热冲压零件进行仿真分析。Dynaform和Pam-stamp软件都采用壳单元，运用动力学中心差分格式的显式算法求解，而Autoform软件采用三角形膜单元，基于完全拉格朗日（Total Lagrange）静力隐式解耦算法求解。
图2-31 铰链安装点刚度分析仿真界面
（1）模面设计
热冲压零件为一次成形，不允许出现负角，其模面的设计与冷冲压的不同，压边圈的作用较小。使用Autoform软件进行分析，根据提供的B柱加强板零件数模，对其进行网格划分、工艺参数设置等，建立热力耦合冲压分析模型，料厚为1.6mm，摩擦系数设为0.4，模面设计如图2-32所示。
图2-32 模面设计
（2）减薄率、起皱分析
热冲压仿真分析与冷冲压分析的结果判定标准一样，主要从减薄率、厚度变化、主应变及材料流动方向等方面进行冲压仿真结果的判定。计算结果显示减薄率不大于20%（图2-33），无起皱现象（图2-34）。
图2-33 减薄分析
图2-34 起皱分析
热冲压变形过程如图2-35所示。
（3）马氏体含量分布（图2-36）
（4）成形后温度分布（图2-37）
（5）切边、冲孔采用激光切割（图2-38）
（6）排样设计
通过产品设计变更，B柱与其他热冲压件的材质、厚度一致，对毛坯料的合理排样设计（图2-39），可以有效降低料片尺寸，进而降低成本。
图2-35 热冲压变形过程
图2-36 马氏体含量分布
图2-37 温度分析
图2-38 激光切割
图2-39 排样设计
2.焊接可行性分析
（1）有效焊接边长度最小15mm（图2-40）
图2-40 焊接重合长度
（2）侧围止口焊接边长度最小13mm（图2-41）
图2-41 侧围止口焊接边
3.涂装可行性分析
非涂层热冲压零件需抛丸、喷油（图2-42），涂油量需控制，避免过多造成电泳液腐蚀，一般涂油量检验方法为：零件涂油后挂置0.5h，无淌油现象即可。
图2-42 抛丸、喷油
2.3.8 生产线及设备
引进国外的热冲压成形自动化生产线（简称热冲压生产线），将耗资近2亿元，其中，带有冷却系统的热冲压成形零件模具的设计技术、带有保护气氛的加热炉设计技术、热冲压生产线的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）总线控制系统等都是热冲压生产线建设的关键所在。
热冲压生产线设计是一个系统工程，包括自动化生产线本身的组成和管理两部分。目前，热冲压生产线上的进口设备大部分是由瑞典AP&T公司和德国舒勒公司生产的非标设备。对于这两家公司来说，大部分设备都是根据各公司标准化的生产体系定制生产的。
热冲压生产线的生产节拍决定了生产线的生产效率、设备利用率等。生产线建设初期，一个零件生产周期为20～30s（生产中通常记为2～3SPM），对工艺及设备进行改进可提高循环时间，达4～5SPM等。假如生产节拍为2～3SPM，按照一模两件计算，每分钟生产4～6件，激光切割单件工作时间为30～60s，需配备4～6台激光切割机。抛丸生产线单件处理时间较短，且大部分抛丸生产线是2件或4件同时工作，一条抛丸生产线足以满足生产节拍需要。
热冲压生产线核心设备是液压机、加热炉、上下料系统和模具，如图2-43所示，同时配备激光切割机、抛丸生产线、制氮机、冷却塔、换模装置等辅助设备。
图2-43 热冲压生产线及设备
1.液压机
热冲压成形液压机不同于传统的液压机和机械式压力机，由于机械式压力机不具备保压功能，传统液压机快下速度慢等特点都不符合热冲压成形的要求。热冲压成形液压机要求既能快速合模，又能实现任意时间保压的功能。空程快下速度达到700mm/s，传统液压机目前的快下速度普遍为300～400mm/s，热冲压成形液压机主要参数如表2-4所示。
表2-4 热冲压成形液压机主要技术参数表
（续）
2.上下料系统
热冲压生产线上下料系统包含加热炉上下料机械手、液压机上下料机械手，如图2-44所示。设备可以实现机械手暂停，方便工人对模具上油，所有设备可以24h连续工作，其主要技术参数如表2-5所示。
图2-44 上下料系统
表2-5 上下料系统主要技术参数
3.激光切割机
激光切割机主要用于成形后板料的切边和切孔，选取合适的激光器决定了合理的激光切割精度，选用固体激光器，采用柔性化控制。其主要技术条件为：
1）切割宽度为1000～3000mm。
2）精度高：定位精度为0.05mm，重复定位精度为0.02mm。
3）切缝窄：切口宽度一般为0.10～0.20mm。
4）切割面光滑：切割面无毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5μm以内。
5）速度快：最大定位速度可达50m/min。
6）切割质量好：无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。
7）不损伤工件：激光切割头不会与材料表面相接触，保证不划伤工件。
8）不受被切材料的硬度影响：激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工，不管什么样的硬度，都可以进行无变形切割。
9）不受工件形状的影响：激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割管材及其他异型材。
激光切割机主要技术参数如表2-6所示。
表2-6 激光切割机主要技术参数
