热成型车门防撞杆的设计及制造工艺分析

王科 卢利辉 吴相磊 曹渊

摘 要：热成型车门防撞杆的设计，是根据客户输入条件及目标要求，进行的产品结构和性能设计。然后客户对模型进行整车校核，直至冻结产品数据。产品制造过程进行工艺参数优化，并通过检测数据验证是否达到了设计目标。最后通过试验数据与设计数据相对比，找出差异点，为后续同类产品积累设计经验和生产经验，达到缩短开发周期和降低生产调试成本的目的。

关键词：车门防撞杆;热成型;性能设计;设计目标

中图分类号：U467.14  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）05-52-05

Abstract： The design of vehicle hot stamping door bar is designed about structure and performance， based on the input conditions and target requirements of customers. Then the customer checks the model and freezes the product data. The process parameters are optimized in the manufacturing process， and the design objectives are verified by the test data. Finally， by comparing the test data with the design data， we can find out the differences， accumulate design experience and production experience for the follow-up similar products， so as to shorten the development cycle and reduce production commissioning costs.

Keywords： Door bar; Hot stamping; Performance; Design objectives

前言

当前汽车工业发展的主要方向是安全、环保和节能。安全是毋容置疑放在首位的，也是各项法律法规可以量化的指标。环保和节能，世界各国都在陆续出台对应的政策，也逐步会梳理出可量化的指标。按欧洲材料协会调查结果：汽车自重每降低100Kg，百公里油耗可减少1.6L，排放降低5-6%[1]。三者的关系是：降低汽车自重以获得更佳的燃油经济性和达到节能减排的目的，但又必须满足日益严苛的各项安全法规，以保护车内乘客的安全。在汽车交通事故中，发生频次最高的是侧碰，且侧面柱碰撞事故具有极高的致死率，受到设计者的高度重视[2]。所以，车门系统的安全设计显得尤为重要。引用参考文献3的数据，某车刚性柱碰的车门系统各部件吸能情况如表1。

从表1可以看出，车门防撞杆的吸能值最大，其安装在车门内、外板的夹层内，起到保护乘客被动安全的作用。车门防撞杆的强度、变形量和吸能值等是衡量车辆侧碰安全的主要设计指標。如何在轻量化的条件下满足各项安全指标是设计师必须考虑的。汽车轻量化的途径主要是新结构设计、新材料应用和新工艺技术。当前主流车门防撞杆按材料分：铝合金、高强钢、热成型材料;按结构分：管件、板材、型材;按工艺分：热冲压、冷冲压、滚压、挤压、冷拔等。随着热冲压工艺的成熟，热成型工艺成本优势较大，且轻量化效果明显，应用日益广泛。文章将以热成型高强板车门防撞杆为例，展开产品设计及工艺过程的讨论。

1 汽车零部件的开发过程

车门防撞杆的开发过程与其他汽车零部件的开发过程相似，如图1所示。零部件级的设计输入是由整车工况提取出来的。设计输入包括：空间拓扑结构、重量要求、载荷信息、性能要求等。零部件供应商按照主机厂提供的设计输入进行详细的结构设计，在满足主机厂的目标要求下，双方进行设计评审，包含整车校核、产品重量、工艺可行性、图纸签核、成本组成等。图纸冻结后，试制新产品并进行设计验证，设计验证包含台架试验和道路试验。设计验证完成后转入试生产，试生产主要验证工艺过程的稳定性和产品标准的合理性。最后达到量产目的。

2 车门防撞杆的设计

2.1 设计要求

（1）造型空间无干涉。（2）三点弯位移70mm，最大支反力≥14.2KN，且受力值在各位移处满足给定的曲线范围如图2，在满足最大变形的情况下，边缘无裂纹。（3）在-38℃低温冲击下，冲击部位边缘无裂纹。（4）成品材质要求：Ts≥1480Mpa，Ys≥1080Mpa，Ls≥6.5%，表面硬度≥HV390。

2.2 设计过程

2.2.1 按客户要求或客户提供的概念模型识别出安装硬点及空间区域布置

2.2.2 主体部件的断面选择

可选用“O”型、“几”字型、“m”型。“O”型断面主要是管件，由于制管工艺复杂，且与安装支架需要焊接连接，如图3，工艺链较长，成本高，应用较少。在同等重量和板厚的条件下，“m”型防撞杆的吸能值及支反力均大于“几”字型防撞杆，且成型性“m”型防撞杆也较佳，如图4。所以选择 “m” 型断面为设计目标。

2.2.3 3D设计

3D设计是按装配空间区域、性能要求及历史参考数据反复进行CAE验证的过程。

Step1造型设计。根据装配空间要求，进行3D造型设计，并同步进行热成型工艺分析，初步设计造型如图5。

Step2 CAE建模。CAE建模主要是模拟三点弯试验，前后处理采用Hyperworks11.0，求解器采用ABAQUS2016。目标材料选用宝钢热成型材质B1500HS。热成型材质成型后的硬度与机械性能呈正相关，所以在前期CAE分析时，材料属性的输入，可以按不同硬度对应的材质机械性能定义。这样也为后期工艺优化硬度目标值提供了依据。HV420、HV450、HV480三种不同硬度材质的工程拉伸曲线转换为真实拉伸曲线如图6。

尺寸定义：半圆压头半径160mm，支撑跨距825mm，支撑半径13mm，产品板厚分别按1.0mm、1.2mm定义。网格定义：车门防撞杆属于薄壁件，采用壳单元划分网格，网格大小3mm;半圆压头和支撑采用刚性体定义。边界条件定义：两侧支撑完全固定;上压头施加垂向强迫位移为100mm。接触定义：三处接触均设置为“surface-to-surface contact”。CAE建模如图7。

Step3  CAE判定。求解完成后，提取压头的支反力与位移的关系曲线，1.0mm板厚在HV420、HV450、HV480不同硬度材质下的受力曲线如图8，1.2mm板厚在三种不同硬度材质下的受力曲线如图9。

Step4数据冻结。将设计模型发给客户，由客户进行整车分析。根据客户整车分析的反馈，重复step1-step3，直至满足单件及整车的性能要求。本例的冻结模型和产品属性分别按图5和表2执行。

受力曲线判断：根据与目标曲线值对比，1.0mm板厚产品在前20mm段各硬度材质支反力均较差，不建议采用。1.2mm板厚产品除HV420材质前20mm段不满足目标，其他硬度材质均满足目标。考虑工艺经济性，重点考虑采用板厚1.2mm&硬度HV450材质。

裂纹判断：板厚1.2mm &硬度HV450材质的应力云图分布如图10。边缘最大Mises应力1485Mpa<材料抗拉强度1500MPa，边缘不会产生裂纹。中部最大Mises应力1688Mpa>材料抗拉强度1500MPa，中部有产生裂纹的风险，但满足设计要求。

根据上述分析，考虑工艺经济型设计初步定型，为满足产品性能，产品的材质属性应满足表2。

3 工艺实现

热成型产品实现的工艺流程如图11。

卷料入厂后，落料采用600T级进工装进行。通过成型性分析，考虑成本经济性，热冲压采用一模四腔、800T液压机进行。加热采用滚底炉。通过一轮轮试制调试，锁定工艺参数见表3。生产现场见图11。

抛丸的目的主要是为了去除表面氧化皮。如果是涂层板，如铝硅涂层，一般不会出现氧化皮，则不需要抛丸。本产品材质非涂层，在热成型过程中会产生一层氧化皮，对产品表面质量及后期电泳会产生严重影响，所以需要抛丸去除氧化皮。图12抛丸前后的产品表面对比。

激光切割的目的主要是切具有高精度要求的搭接边或者割位置度要求较高的安装孔。鉴于降低成本、缩短工艺流程，设计阶段需要与客户讨论明确产品的装配关系，尽力避免采用激光切割工艺。对于普通的孔或边，可考虑在落料片上实现或在热冲压模具中实现模内热切来替代激光切割。

是否涂防锈油是由空气湿度和库存周期决定的。非涂层板在较高湿度环境一般4-7天会生锈，所以对周转率较低的产品一般都要涂防锈油。对长周期存放的产品，为防止防锈油挥发，需要密封起来，但存放周期一般也不超过90天。涂层板也需要对切口进行涂防锈油处理。

4 试验验证

涉及产品性能的试验包括四项：机械性能、硬度、低温冲击和三点弯。

4.1 热成型件的机械性能

试片需要取自不同的区域，以反映产品的性能分布，并要求各区域均要达到目标值。该产品的试片取样位置在“m”型侧壁，如图13所示，用线切割方式每个侧壁取3片，4个侧壁合计取12片。测试均满足要求。表4是其中一个侧壁的三试片试验数据。

4.2 硬度测量

为确保产品硬度均质化，需要在不同区域不同断面取点，如图15所示，分布在5个特征面上、每个特征面上取9点，合计45点。图16是硬度值分布，最小值HV455>HV450，即硬度满足设计要求。

4.3 低温冲击试验

试验是在﹣38℃低温下，落锤冲击车门防撞杆。落锤重量160Kg，落锤高度1.3m，产品支撑跨距270mm。如图17所示，试验后产品仅塑性变形，边缘无断裂产生，试验合格。

4.4 三点弯试验

试验是按设计标准，设置支撑跨距825mm、压头半径160mm、压载速度1mm/s及位移100mm，进行试验，如图18所示。图19是获取的三点弯试验曲线与CAE分析、设计标准的对比。

通过图19的试验曲线可以看出，产品的三点弯支反力值和吸能值在各个阶段均满足，最大支反力为19.4KN>14.2KN，发生在34mm位移时。表5是各位移点的支反力数值对比，可以看出CAE分析与实际试验的最大误差为8.62%，

为后续类似产品的设计提供了可信度参考。

5 结论

汽车零部件供应商与客户协同开发，一方面可以缩短开发周期，另一方面可以从产品结构和工艺路线上降低产品成本。在开发过程中，CAE仿真分析建模应用以往经验的材质属性及边界定义，可大幅提高仿真结果的可信度。最后通过产品的试验数据，证实产品的各项性能均已达到设计目标，也为类似产品开发提供了开发经验。

参考文献

[1] 常穎，靳菲，李晓东等.车用热成形先进高强度钢板样件的热胀形特征及成形性分析[J].机械工程学报，2014，50（12）：73-78.

[2] 唐 涛，张维刚，陈鼎等.侧面柱碰撞条件下轿车车门抗撞性优化设计[J].中国机械工程，2016，27（2）：278-283.

[3] 冯克建.汽车车门防撞梁结构改进与优化[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.