汽車後保險槓成形工藝基礎研究及發展

摘要：汽車保險槓是吸收緩和外界衝擊力、防護車身前後部的安全裝置。採用高強度鋼板製造的保險槓能大大提高乘員安全性，但高強度鋼板成形非常困難，在總結國內外汽車保險槓成形技術及研究概況的基礎上，分析了高強度鋼保險槓衝壓成形技術的研究現狀及主要研究方向，討論了高強度鋼保險槓衝壓成形領域要解決的關鍵問題，採用現有水平下的先進的數值模擬技術與調整衝壓工藝相結合能解決該問題。對於同類相關高強度鋼汽車零件的生產具有一定的指導意義。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

關鍵詞：汽車保險槓    高強度鋼板    衝壓工藝     數值模擬     研究

Abstract：automobile bumper is absorbing external impact, easing the body forward protection safety device.Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｅｅｌ　ｂｕｍｐｅｒ　ｃａｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｏｃｃｕｐａｎｔ　ｓａｆｅｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔ　ｉｓ ｖｅｒｙ　ｈａｒｄ　ｔｏ　ｆｏｒｍ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ. This paper based on the the research and development progress of high strength steel are summarized, the research status and main direction of stamping technology are analyzed. The key points of stamping of high strength steel are discussed.ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｓｔａｍｐｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｉｍｉｌａｒ　

ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｅｅｌ　ｐａｒｔｓ of automobile.

Key words: automobile bumper；ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｅｅｌ；stamping；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ；study

1，前言

２０年前，汽車前後保險槓是以一般鋼材為主，用厚度為<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />３毫米以上的鋼板衝壓成Ｕ形槽鋼，表面處理鍍鉻，與車架縱梁鉚接或焊接在一起，與車身有一段較大的間隙，好像是一件附加上去的部件。隨着汽車工業的發展，汽車保險槓作為一種重要的安全裝置也走向了革新的道路上。今天的轎車前後保險槓除了保持原有的保護功能並提高其安全性外，還要追求與車體造型的和諧與統一，追求本身的輕量化。為了達到這種目的，目前一些汽車的前後保險槓採用了高強度鋼板。有資料表明，使用高強度鋼板，原厚度為１．０～１．２ｍｍ 的車身板可減薄至０．７～０．８ｍｍ，車身整體質量減少１５％～２０％，節油８％～１５％。

但是高強度鋼板變形抗力大，對模具要求高，同時普遍存在較大回彈。某進口車型高強度鋼後保險槓採用的高強度鋼板屈服強度達到５５０ＭＰａ，採用常規衝壓工藝很難達到產品要求，主要問題是破裂和回彈［６－１０］，而國內可供參考的成功經驗也很少，如果採用國外熱成形技術又會顯著增加成本［７－１２］，而且效率低下。由於沒有攻克這個技術難題，國內很多汽車企業放棄高強度鋼板製造保險槓而採用中強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，環保性差；即使有汽車企業採用高強度鋼保險槓，也是直接交由國外企業採用熱成形制造，所以一直受限於國外企業的技術壟斷［１３－１５］。為了打破這一技術壟斷，在國內現有工藝水平下采用先進的數值模擬技術與調整衝壓工藝相結合最終成功攻克這一技術難關。

本文主要分析衝壓用高強度鋼板、模具材料和設計的要求，歸納汽車高強度鋼後保險槓的開發及其衝壓成形技術，力求為該技術進一步的研究及其在汽車工業上的應用提供參考。

2研究汽車高強度鋼後保險槓衝壓成形的背景和意義

2．1板料衝壓成形技術概述

冷衝壓是塑性加工的基本方法之一,它是利用安裝在壓力機上的模具,在室温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。因為它主要用於加工板料零件,所以也稱板料衝壓。金屬板料在衝壓力的作用下,其應力超過其強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、衝孔、切斷、切邊、剖切、切口和剪切等;金屬板料在衝壓力的作用下,其應力超過其屈服強度極限但低於強度極限而產生塑性變形,從而獲得一定形狀和尺寸要求的製件,稱為變形工序,變形工序又可分為彎曲、拉延、翻邊、翻孔、脹形、擴孔、縮口和旋壓等。與其他加工方法相比，無論在技術方面，還是在經濟方面衝壓加工都具有許多獨特的優點：（1）能衝壓出其他加工工藝難以加工或無法加工的形狀複雜的製件；（2）由於衝壓加工是靠模具成形,模具製作精度高,使用壽命長,故衝壓件質量穩定,製件互換性好；（3）材料利用率高。一般為75%～85%,因此衝壓加工能實現少廢料,甚至無廢料生產。在某些情況下,邊角餘料也可充分利用；（4）生產效率高且易於實現機械化與自動化生產。對於高強度鋼，若配以合適的後繼熱處理方式，還可以使板料發揮其最佳的性能，為汽車提供高質量的零部件，從而不但降低了汽車保險槓的重量，還提高了其抗衝擊性能及疲勞性能，提高了汽車的安全性。

2.2研究高強度鋼保險槓衝壓工藝的意義

還未走遠的經濟危機和嚴重的環境危機導致當前汽車製造企業面臨慘烈的市場競爭，如何迴應日益高漲的環保和安全呼聲將是汽車製造企業能否生存、發展的關鍵。採用高強度鋼板製造車身則是解決這些問題的有效手段。某進口車型高強度鋼保險槓採用的高強度鋼板強度達到800ＭＰａ，為普通鋼板強度的2-3倍，並且降低了車身重量，還提高了汽車的安全性，以及相關聯的降低油耗，節約能源、減少汽車排放等。此外，高強度鋼板廢物可以充分回收利用，有利於降低環境污染。車身重量的減輕，還有助於改善汽車的行駛、轉向、加速、制動等運動性能和排氣性能，同時，還為降低噪聲、振動、實現大功率創造條件。

我國汽車工業己進入高速增長的發展階段，2003年汽車產量超過400萬輛，已成為世界汽車生產大國，2010年前，年均增長率為10%-15%。汽車輕量化和原料國產化、高性能化是中國汽車工業及相關工業努力的方向。而汽車保險槓結構較為複雜，作為一個獨立的總成安裝在汽車上，它對車輛的安全防護、造型效果、空氣動力性等有着較大的影響。保險桿作為汽車車身的一個重要部件，其作用有兩方面：一是當汽車與其他車輛或障礙物發生碰撞時，起保護翼子板、散熱器和燈具的作用；二是起裝飾作用。由於保險桿具有這些功能，國內外=須加快促進汽車高強度鋼保險槓冷衝壓工藝的研究和發展。

3 汽車高強度鋼保險槓成形工藝研究現狀

在汽車工業中，基於減重和環保的目的，高強度鋼板衝壓成形技術逐漸受到關注與重視，各大鋼鐵公司、汽車製造廠商以及國內外的部分大學紛紛開始了高強度鋼板的衝壓成形技術的研究。然而，基於技術保密的原因，各高強度衝壓部件供應商對於衝壓技術的研究文獻很少見，現僅對國內外開展高強度鋼板及其保險槓衝壓研究的現狀進行闡述。

為減重和提高抗衝擊性能，法國USINOR公司開發出了系列高強度鋼板，其主要性能見下表；

研究表明TRIP800（冷軋）具有良好的成形性能，實際成形性能接近DDQ的水平，但當TRIP鋼的強度超過800MP時，成形性能顯著下降。TRIP鋼能更多地吸收衝擊能，特別適用於碰撞罩，保險槓等抗衝擊類零件。

國際上已研製出超輕鋼車身，在滿足2004 年美國碰撞法規前提下，應用先進高強度可在不增加成本的條件下使車身質量減少20%。高強度鋼板等先進材料的廣泛應用使得回彈控制更加困難，而回彈量的預測精度是回彈控制的基礎。熱衝壓成形技術是解決高強度鋼板難成形問題和減少回彈的有效途徑。德國紐倫堡大學亦在進行德國研究基金DFG項目-淬火鋼板的熱衝壓成形原理研究。2005年進行了熱衝壓成形的基礎研究，通過實驗確定了22MnB5的奧氏體化温度和保温時間。2006年採用Gleeble1500熱模擬試驗機，起簡圖如圖1所示，對板料進行等温拉伸以獲得熱衝壓工藝的時間-温度參數所決定的22MnB5的流動性能，獲得了奧氏體狀態下材料軋製方向、温度和應變速率對流動性能的影響。在此基礎上研究了拉伸錢冷卻速率對材料性能的影響。結果表明，材料的軋製方向對奧氏體狀態下的流動性能沒有影響，而温度對流動應力的影響很大，增加温度可減小流動應力和材料的加工硬化。此外，應變速率亦是影響材料流動應力的重要因素，增加應變速率會增加材料流動應力水平。拉伸前冷卻速率在一定程度上影響材料的力學性能。

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重慶大學某課題組2010年採用先進的數值模擬技術與調整衝壓工藝相結合的方法對汽車高強度鋼保險槓冷衝壓成形進行了優化設計。其採用板料成形數值模擬軟件Ｄｙｎａｆｏｒｍ對該型轎車的保險槓成形過程進行了模擬仿真，並通過實驗及實際生產與仿真結果的對比研究了工藝補充部分形狀變化及回彈補償對保險槓成形性能的影響，最終得到優化的型面設計，順利生產出製件，為同類相關高強度鋼零件的生產起到了指導作用。試驗表明鋼板的成形性能優於級的

鋼板, 成    

綜上所述，由於高強度鋼板衝壓成形具有成形難，回彈大等特點，故高強度鋼保險槓的成型工藝研究集中在以下幾個方面：

①強度級別不同的高強度鋼板的成形性能區別顯著。選擇合適的高強度鋼種對高強度鋼保險槓的成形至關重要。如適於製造保險槓等抗衝擊類零件的TRIP800（冷軋）具有良好的成形性能，但當TRIP鋼的強度超過800MP時，成形性能顯著下降。

②熱成型技術可以克服高強度鋼成形困難，回彈大的缺陷。和普通鋼板相比，高強度鋼板在衝壓過程中不僅會造成較大的彎曲回彈和扭曲回彈，而且還會產生嚴重的側壁捲曲，這將嚴重影響衝壓件的形狀尺寸精度和整車裝配。熱衝壓成形技術是解決高強度鋼板難成形問題和減少回彈的有效途徑。熱衝壓是將衝壓板材在奧氏體温度區加熱，在高温下衝壓成形並使其在模具內進行馬氏體相變後，在保證高強度的前提下獲得需要的形狀。但熱成型技術會顯著增加成本

③採用數值模擬技術研究熱衝壓成形過程。分析各參數對部件性能的影響規律。隨着計算技術尤其是有限元理論和方法的不斷髮展，描述宏觀尺度的塑性變形物理模型、數值計算方法日臻完善，數值模擬成為研究塑性變形過程的有力手段。藉助數值模擬技術可以對汽車高強度剛保險槓的成形過程進行模擬．如果工藝補充面設計不合理，將會導致回彈較大，進而影響後工序的產品質量和尺寸精度。通過實驗及實際生產與仿真結果的對比研究了工藝補充部分形狀變化及回彈補償對保險槓成形性能的影響，最終得到優化的型面設計

 4、高強度鋼保險槓成形工藝關鍵問題及解決方法

國內可供參考的成功案例非常有限，如果採用國外熱成形技術又會顯著增加成本且效率低。只能在現有水平下采用先進的數值模擬技術與調整衝壓工藝相結合才能解決該問題。通過有限元分析軟件Ｄｙｎａｆｏｒｍ對汽車高強度鋼保險槓冷衝壓成形過程進行模擬，，發現回彈和破裂是其主要缺陷。可從以下幾個方面改善高強度鋼衝壓件的成形質量：

 (1)增大塑性變形量可以有效降低零件的破裂傾向和回彈。汽車後保險槓形狀如圖2所示，從側視圖中可見其曲率較大，且縱向截面呈Ｕ 形，如果工藝補充面設計不合理，將會導致回彈較大，進而影響後工序的產品質量和尺寸精度。為保證製件質量，需在工藝設計時儘量增加零件的塑性變形，故先將工藝補充面設計成盒形。彎曲件產生破裂是因為Ａ處和Ｃ 處的產品型面

                          圖2  保險槓零件三維模型

上分別有加強支耳，工藝補充面為盒形時，這兩處圓角過小，加上ＤＰ８００材料的流動性較差，所以造成破裂。故只能根據零件型面將工藝補充面設計成類似Ｕ形件。但Ｕ形工藝補

                            圖３　保險槓成形有限元模型

充面的回彈較大，通過對比盒形和類似Ｕ 形工藝補充面的模擬結果就可看出塑性變形量較小的Ｕ 形工藝補充面其回彈較大。

(2)模面補償法。根據回彈大小採用模面補償，增大壓邊力對對回彈角的影響法，將中間Ｂ處型面提升並重新構建模面，使其曲率半徑減小，從而減小實際生產零件與目標型面的距離。採用模面補償法雖然不能有效降低迴彈數值但是可以使零件型面接近目標型面。但是當Ｂ處升高超過６ｍｍ時把實際生產的樣件安放在檢具上發現靠近Ａ 處的安裝面影響到模面補償法的效果。除了採取模面補償法外，還需在工藝補充時儘量增加其塑性變形，如減小凸模圓角，適當增加壓邊力，設置局部凸頂等。

(3)在凸模局部型面上設置凸頂。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，使凸模強制擠壓材料，增加塑性變形。通過模擬發現設置凸頂後材料的塑性變形增加，回彈減小。

通過改進上述方面，升高Ｂ處並重構型面，凸模型面上設置適當凸頂，合理設置壓邊力，板料外形根據型面展開落料而成的，工序採用“落料、衝定位孔—拉延—修邊、整形、衝孔”，經過實驗可得出滿意的結果。

5 結束語

作為汽車輕量化的重要途徑高強度鋼板衝壓成形技術正倍受世界各國學者的普遍關注。而高強度剛保險槓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，其發展潛力巨大。但由於國外技術壟斷和國內製造水平的限制，因此以快速準確的計算機仿真技術和具有工程實用水平的優化技術為手段的系統地發展高強度鋼保險槓的成形工藝研究，對同類相關高強度鋼零件的生產以及我國汽車業的發展具有十分重要的現實意義。

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