【技术帖】后防撞梁外板的超高强钢热成形工艺

1.1 热成形工艺路线

本文研究对象为某汽车后防撞梁外板，零件整体尺寸为1260mm×135mm×102mm，如图1所示。零件材料选用22MnB5超高强度硼合金钢板，常温下抗拉强度为450~600MPa，板料厚度为1mm，以满足零件轻量化要求。

根据零件的材料、预期性能及设备要求，初步制定超高强钢热成形工艺路线，如图2所示。钢板开卷落料后打标并转运至加热炉，加热温度需高于亚共析钢奥氏体化临界温度，使板料充分奥氏体化，故设置加热温度为950℃。加热完成后，将钢板快速转移至压机冲压位置，根据初始成形温度对热成形件力学性能的影响，板料初始成形温度为750～850℃时，钢板的抗拉强度和硬度会明显提高，故转移时间应控制在1.5~3.5s内，以保持板料处于较高温度，并保证板料温度不低于亚共析钢的冷却上临界点，防止奥氏体向铁素体的转变。同时，钢板的热成形也应在亚共析钢冷却上临界点以上的温度进行，以保证钢板的热成形性，由于加热后的板料与模具制件接触时会发生热传递，造成板料冷却不均，故压机滑块需快速下降以减小板料热量散失，合模时间控制在2s左右。随后通过模具制件型面内部的冷却管路系统进行保压淬火，保压时间根据零件形状及冷却速率决定，冷却时保证板料冷却至马氏体转变起始温度（约200℃）以下。最后进行激光切割，若钢板无镀层再进行喷砂和抛丸处理，制得超高强钢零件的目标抗拉强度为1400MPa以上。

1.2 有限元模型建立

将零件的三维模型导人成形分析软件中，按照加热一拉延一冷却的顺序设置工艺流程，然后进行零件型面设计。根据零件自身的结构特征，将压料面设置于零件本身凸缘的延伸面上，进行工艺补充，以节省毛坏材料，提高材料利用率，如图3所示。

进行模具工具体设计，工具体包括上模、下模、压板及定位销17]。采用上下模一次成形时，模拟结果显示，零件中间凹陷部位存在严重的减薄现象，故需进行工具体优化设计。在零件中部上方设置压板，采用两步成形的热成形方案，即先成形零件中间凹陷部位，中间部位成形完后再对零件两侧进行成形，如图4所示。

明确热成形工艺流程及成形方案后，进行热成形工艺参数设置。根据制定的超高强钢热成形工艺路线以及多次模拟结果的对比，进行热成形工艺参数优化，最终设置加热温度为950℃、冲压速度为200mm·sl、料片转移时间为3s、冲压前的滑块运动时间为2s、保压淬火时间为10s、板料摩擦因数为0.45、压板与上模的间距为65mm，进行求解。

1.3 数值模拟结果分析

求解结束后，为保证零件的成形精度，观察拉延过程中板料与模具的最终贴合情况，发现二者贴合情况良好，最大间隙小于0.300mm，零件的尺寸精度良好，如图5所示。

板料的成形极限图如图6所示，由图6可知，成形后的板料不存在过度减薄区，但增厚区仍然存在，需对零件的减薄率和起皱等参数进行定量分析。

零件的减薄率分布云图和起皱分布云图如图7所示。由图7可知，零件的最大减薄率为12.9%，位于零件法兰边与侧边的过渡圆角处，未出现板料开裂现象；最大起皱为9.6%，位于零件侧边处，数值较低，无起皱风险。

零件的马氏体转变率分布云图和抗拉强度（数值单位为MPa）分布云图如图8所示。由图8可知成形后零件的马氏体转变率平均达到98%以上，最低抗拉强度为1446MPa，符合GB/T369612018要求。

由数值模拟结果可知，零件模拟成形情况良好，无起皱和开裂缺陷，最大减薄率和起皱均小于17%，符合主机厂通用要求，零件最低抗拉强度超过1400MPa，满足超高强钢抗拉强度要求。

2.1 后防撞梁外板试制

结合零件的形状和尺寸、制定热成形工艺路线、数值模拟结果及实际的设备情况，进行热成形模具设计，开展后防撞梁外板的小批量试制，如图9所示。

初次试制时，实际生产零件出现的问题及解决方法如下。

（1）零件表面擦伤严重，尤其是圆角过渡区型面破坏严重，导致造型丢失。经检查，造成该问题的原因为：镶块硬度偏低，导致凹模圆角磨损，光洁度差，弯曲毛坏表面质量差（有锈蚀、结疤等）。针对该问题采用的解决方法为：重新对镶块表面进行高频淬火处理，提高镶块硬度，并用油石对磨损面进行打磨修复，提高型面光洁度。问题解决前后成形零件情况如图10所示。

（2）零件型面拉毛，导致零件表面镀层被破坏，厚度不均。经检查，造成该问题的原因为：模具间隙不均，导致边缘位置的间隙太小，制件拉毛严重。针对该问题采用的解决方法为：对拉毛部分的镶块进行研合，并用砂纸和油石对间隙较小的部位进行打磨，保证模具型面间隙的均匀性。问题解决前后成形零件情况如图11所示。

表面擦伤和型面拉毛问题解决后，试制零件表面质量良好，未出现起皱、开裂、大回弹等缺陷，如图12所示。

2.2 后防撞梁外板检测

为进一步验证试制零件具备优异的尺寸及力学性能，对试制成功的后防撞梁外板进行尺寸型面检测和拉伸试验检测。采用三坐标测量仪，在零件回弹较大的过渡圆角处及重要位置选取8个检测点，如图13所示，测量其X、Y、Z轴（其中X轴平行于零件长度方向，Y轴垂直于零件长度方向，Z轴位于零件上表面的法线方向）上实测坐标值与目标零件对应位置坐标值的偏差值，结果如图14所示，检测点的偏差值均在±0.05mm内，均位于零件公差范围内，尺寸精度高，符合产品尺寸要求。

从试制零件上切取试样，进行拉伸试验，测得试样的抗拉强度和屈服强度值如表1所示。由表1可知，试样的抗拉强度实测值均超过1450MPa，平均值为1455MPa，屈服强度实测值均超过950MPa，平均值为960MPa，符合超高强钢零件的强度要求。

由检测结果可知，零件的尺寸精度和力学性能均满足超高强钢零件的生产要求，验证了采用的超高强钢热成形工艺具备一定的合理性与可行性。