关于某SUV车型B柱应用热成型技术的研究

朱红霞，李博，喻哲，张永春

（东风小康汽车技术中心，重庆理工大学）

关于某SUV车型B柱应用热成型技术的研究

朱红霞，李博，喻哲，张永春

（东风小康汽车技术中心，重庆理工大学）

综述了车身轻量化的要求、热压成型的原理以及在车身上的应用，以某款SUV车型B柱加强板为例，分别采用热压成型方案和冷压成型方案对侧面碰撞安全性能进行分析对比，结果表明，热压成型技术方案较冷压成型方案侧面碰撞安全性能得到了较大提升，且车身两侧B柱加强板的质量减少了6.018 kg。

轻量化；B柱；热压成型；侧面碰撞安全性能

朱红霞

毕业于烟台大学机电汽车工程学院，现任东风小康汽车技术中心车身部部长，主要从事车身及附件的设计开发工作。

1 引 言

SUV（Sport Utility Vehicle），即运动型多用途汽车，近年来国内发展迅猛，每年都保持很高的增长率，特别是城市型SUV车型。此类车型不仅具备轿车的舒适性，而且兼具越野车的运动性能。因此，SUV车型的车身设计尤为重要，既要确保有足够的刚强度和安全性能，又不能使车身质量较重。研究资料表明：汽车的燃油消耗与汽车的自身重量成正比，汽车质量每减轻1%，燃油消耗就降低0.6%-1.0%，进而提高汽车的动力性，降低燃油消耗，减少排气污染[1]。因此减轻汽车自身重量成为提高节能环保性能的有效途径。而白车身作为车身骨架一般占整车质量的22%-25%[2]，使其轻量化对减轻整车质量的意义重大。

本文以B柱加强板为例，该零部件是车身重要的立柱之一，需要足够的刚度和强度来满足整车要求和车门装配需求，同时又是侧面碰撞的主要支撑部件，需要在碰撞过程中很好的传递力，并被车体吸收[3]。通过CAE分析对比研究，和冷压成型相比较，采用热成型工艺，不仅能够确保整车性能和安全性能满足要求，而且能使车身达到轻量化的目的。

2 高强度钢热压成型技术

为实现汽车车身轻量化，除了许多轻质材料（如铝合金，镁合金，工程塑料等）外，主要的还是采用超高强度钢，按照抗拉强度的不同，抗拉强度低于210 MPa的称为普通钢；抗拉强度在210-550 MPa之间的称为高强度钢，抗拉强度超过550 MPa的称为超高强度钢[1]。

对于抗拉强度较低的普通钢板通常采用冷压成型方法，然而对于高强度钢和超高强度钢采用冷冲压成型过程中会伴随出现开裂，过量回弹等现象，影响车身后续的装配[3]。为避免此类不利因素，热压成型技术应运而生。与传统的冷成型工艺相比，热成型工艺的特点是在板料上存在一个不断变化的温度场，如图1所示，在温度场的影响下，板料的基体组织和力学性能发生变化，导致板料的应力场也随之发生变化，同时板料的应力场反作用于温度场，所以热成型工艺就是板料内部温度场与应力场共存且相互耦合的变化过程[4]。

高强度钢板热冲压成型工艺是将常温下强度为500-600 Mpa的硼合金钢板加热到880-950 ℃，使之均匀奥氏体化，然后送到内部带有冷却系统的模具内冲压成型，最后快速冷却，将奥氏体转化成马氏体，使冲压件得到硬化，大幅度提高制件的强度[5]。在实际生产过程中，热成型工艺又分为直接工艺和间接工艺，如图2所示，直接工艺（图2（a））即下料后直接将钢板加热后冲压成型，其优点是板料在一套模具中进行成型及淬火，节省了预成型的模具费用并加快了生产节奏，主要应用于形状简单且变形程度相对较小的零件;对于形状复杂或拉深深度较大的零件则需要采用间接工艺（图2（b）），即先将落料后的钢板进行预成型，然后再加热实施热冲压工艺[6]。

热冲压成型技术作为一种零件冲压强化的有效途径，在汽车上有很大的应用前景，可应用到B柱、A柱、边梁、保险杠、门梁及侧梁等重要结构件中，热成型件在不少车型上都有应用，例如AD的A3和A4L，BC的S-Class和C-Class等，其中DZ率先采用了热成型超高强钢件，基于最新PQ46平台的MT轿车车身使用的超高强度钢热成型钢板达到12%（高强钢共占有79%），xc60车身结构中超高强钢占11%，并规定后续生产的新车型中，热冲压零件的使用比例为35%以上[7]。

3 某SUV车型B柱采用冷压成型和热压成型的对比分析

3.1 冷压成型与热压成型方案

对某款SUV车型B柱采用不同的成型方案，冷压成型方案是将B柱上下板采用焊接工艺,将不同厚度的上板(件1)和下板(件4)激光拼焊在一起，由于采用的材料是B340LA，屈服强度在340 Mpa左右，强度较低，需贴合内部焊接一B柱加强板（件2）以保证B柱强度如图3（a）。而热成型方案B柱只采用一块BR1500HS钢板一体冲压而成，如图3（b）所示。

3.2 质量对比

冷压成型与热成型方案的B柱质量对比见下表1。

表1 不同成型方案的B柱质量对比

由图2和表1可知，较冷压成形方案相比，热成型方案取消了B柱加强板（件2）和（件3），件1材料由B340LA改为BR1 500HS，上端厚度由原来的2.0 mm改为1.4 mm，下端厚度由原来的1.6 mm降为1.4 mm，由表1数据可知，采用热成型后，左、右两侧B柱质量比冷压成型方案减轻6.018 kg，而且左、右B柱各省了2个模具。由图3(a)中可知，B柱加强板（件2）和（件3）拉伸深度较大，形面复杂，采用冷压成型所需的冲压力较大，极易开裂，同时成型后零件的回弹增加，导致零件尺寸和形状的稳定性较差，而且冷压成型方案所需的工序较多，生产周期较长。

3.3 刚度和模态的对比分析

B柱采用不同成型方案扭转工况下，带有玻璃的白车身Z向变形图如图4、5所示。

由上图数据可计算出白车身的扭转刚度，采用冷压成型方案的带有玻璃的白车身扭转刚度为14 316.4 N·m/°，采用热压成型方案的带有玻璃的白车身扭转刚度为14 114.3 N·m/°，扭转刚度降低1.4%，降低较小，满足要求。

B柱采用不同成型方案，带有玻璃的白车身模态如图6、7所示。

由上图数据可知白车身的扭转模态，采用冷压成型方案的带有玻璃的白车身扭转模态为34.65 HZ，采用热压成型方案的带有玻璃的白车身扭转模态为34.39 HZ，扭转模态降低0.75%，降低较小，满足要求。

3.4 侧碰性能对比分析

对某款SUV车型B柱加强板采用冷压成型和热成型两种不同方案进行仿真对比分析。由于汽车B柱板直接影响侧碰性能，在相同边界条件下，仿真分析这两种成型方案在侧碰时的Y向侵入量和侵入速度。下图4为建立某SUV车型的侧碰模型，图5为B柱对应假人部位的参考点。

由仿真分析得到不同成型方案B柱假人对应部位参考点的侵入量曲线如下表2所示。

由仿真分析得到不同成型方案B柱假人对应部位参考点的侵入速度曲线如下表3所示。

由表2、3数据分析可知，与冷压成型方案，采用热冲压成型方案B柱对应假人部位参考点的最大侵入量和最大侵入速度均有部分改善，说明热成型方案完全可以替代冷压成型的方案提高侧碰性能。

表2 B柱假人对应部位参考点的侵入量曲线

4 总结与讨论

通过对热压成型板的应用研究，介绍了热压成型的理论基础以及该技术在车型的应用状况，对比分析了某款SUV车型B柱加强板采用冷压成型方案和热成型方案下的侧面碰撞安全性能，结果表明，热压成型技术方案不仅可以节省模具，减少工序，而且B柱一侧质量减少了3.009 kg，且模态和刚度变化较小，但侧面碰撞安全性能却有部分提升。因此采用热压成型方案既提高了侧面碰撞安全性能，又能够为车身的轻量化做出较大的贡献。

但热成型工艺也存在着零件成型后冷却速度和保压时间较难控制，冷却过程中，冷却速度的不同导致零件的严重变形影响零件的尺寸精度等问题，因此在热冲压模具的设计中，充分考虑钢板的热胀冷缩效应，采取有效的补偿方案，模具内部冷却回路的设计（冷却孔径的间距与布置方式、冷却孔径的大小以及冷却水的流动方式等）以及模具冷却水泄漏的解决途径等问题，而且，热冲压生产线的固定投资较大，但从长远利益来看，热压成型板以其高减重潜力、高碰撞吸收能、高疲劳强度、高成型性等优势将成为实现车身轻量化，提高汽车安全的有效途径。

[1]牛胜福, 李炜.汽车车身轻量化技术[J].上海汽车, 2009(9):34-37.

[2]蔡玉俊, 王玉广等.超高强度钢板热冲压成型CAE技术的研究现状与发展趋势[J].锻压技术, 2011(4)：7-11.

[3]徐伟力, 艾健等.钢板热冲压新技术介绍[J].塑形工程学报, 2009（16）：40-43.

[4]邓本波, 鲁后国等.汽车热压成型板研究与应用[J].汽车技术, 2012（12）：62-64.

[5]高云凯, 高大威等.汽车用高强度钢热成型技术[J].材料工艺设备, 2010(8):56-58.

[6]席艳秋, 胡建新等.浅谈 B 柱热成型在车辆节能方面的设计应用[J].研究与开发, 2012(11):106-108. [7]庄百亮, 单忠德等.热冲压成型工艺技术及其在车身上的应用[J].金属加工, 2010(21):62-64.

专家推荐

李三红：

轻量化是汽车设计的重要主题，本论文创造性尚有新意，学术性国内先进，采用仿真对比冷压与热成型方案，科学性良好，但最好能有试验验证，论文具有理论价值、实用价值与经济价值，文字流畅，建议全文发表。

Research of B-pillar Hot-press Forming Technology on a Certain SUV

ZHU Hong-xia, LI Bo, YU Zhe, ZHANG Yong-chun
（Technology Center of Chongqing DFSK Automotive CO.LTD, Chongqing University of Technology）

The demand of the BIW light-weighting, principle and use on the BIW of Hotpress Forming are introduced, take a SUV B-pillar strengthened plate for example, a comparative analysis has been made on side impact safety performance between hot-press and cold-press forming solution, Analysis results show that compared with cold-press forming solution, the side impact safety performance used the hot-press forming is improved greatly, what’s more, the mass of B-pillar both sides of BIW reduce 6.018kg.

light-weighting; B-pillar; Hot-press Forming; side impact; safety performance

TG142.1+2

A

1005-2550（2016）01-0073-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.015

2015-09-10