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摘要：
汽車B柱類零件屬于變強度類高強鋼，即同一塊鋼板的部分區域強度高，另一部分區域強度低，中間存在過渡區。面向此類高強鋼板，設計出一種熱成型用模具。此模具有加熱區和冷卻區域，中間存有3mm氣隙為過渡區。加熱到900℃的高強鋼，快速轉移后放到本模具上，合模后經過15S的保壓冷卻，可以得到強度差異化的高強鋼。高強區硬度為480HV,低強區硬度為240HV。獲得的高強鋼可以滿足實際要求，為獲得變強度的高強鋼提供了一種新方法。
關鍵詞：
變強度；熱成型；分區型模具
隨著我國汽車工業的高速發展，綠色環保低碳已經成為發展的主題。汽車輕量化對于節約能源、減少廢氣排放十分重要，汽車輕量化的發展趨勢使得高強度材料應用日益廣泛[1]。面向高強鋼的熱成形技術對實現汽車輕量化、提高汽車安全性能起到了十分重要的作用。研究資料顯示，熱成形技術可將原厚度1.0～1.2mm的車身板減薄至0.7～0.8mm，車身質量減少15%～20%，可節油8%～15%[2]。為了更好地滿足輕量型汽車良好的防撞性能要求，目前有一些研究已經開發了新的制造工藝和設備，用于成形如汽車B柱這類變強度的高強度沖壓件，優點在于讓較薄的金屬板替代厚鋼板，以多相微觀組織代替原有的單相馬氏體，不但可以更好地減輕汽車零部件的重量，同時具有更好的緩沖吸能效果[3]。以汽車重要安全部件B柱為例，為了抵制外部沖擊而且還要保證汽車的完整性，需要其上面的頂部區域強度較高；而B柱的底端區域用來吸收汽車受到沖擊時的能量來保證乘客的安全性，因此需要較低的強度、較高的塑性。目前大部分企業為了滿足B柱的需求，是通過激光拼焊技術來實現這種變強度的強度差異性。該技術最核心的缺點是其焊縫的質量難以控制，會導致安全性能的大大下降?，F有研究中關于變強度的高強鋼熱成形技術主要從以下兩個角度入手：一方面是針對高強鋼板進行差異化加熱，通過不同的加熱手段實現鋼板的局部受熱，鋼板的其他地方自然形成過渡區和未加熱區，從而形成了高強鋼板的初始非均勻溫度場，在熱沖壓模具中鋼板整體成形淬火后，即實現了高強鋼板的可變強度差異化[3]；另一方面是通過調整鋼板淬火的冷卻速度來完成強度差異化。經過設計具有不同功能區域的熱成形模具結構，使鋼板在成形過程中一不同的速率進行淬火。根據金屬相變機理，在不同的冷卻速度作用下獲得的微觀組織形態和亞結構亦不相同[3]。通過熱成型模具對鋼板淬火的冷卻速度進行調節，實現高強鋼板料的組織呈強度差異性。進一步來說即對鋼板的力學性能產生了影響。本文主要也是從模具結構設計入手，通過改變模具內部的結構將模具分區：加熱區，冷卻區和過渡區。加熱區和冷卻區中間存在3mm的氣隙來保持中間的過渡區強度漸變性。
1變強度的熱沖壓模具設計
整個熱成型工藝流程中熱量的變化由三個部分組成：板料具有的初始熱量通過三個途徑進行變換，第一是最主要的途徑即板料和模具的熱傳遞、第二為板料與空氣的熱對流交換、第三為板料向外發散的熱輻射。三個途徑中第一方面最重要也是熱量交換的主要方式。通過對熱沖壓成形熱平衡的理論進行分析，變強度的熱沖壓成形模具既包括板料沖壓成形作用，又要控制不同的淬火冷卻速度。所以在選擇新型模具的材料、模具的分區結構設計上等方面都與傳統熱沖壓模具有著很大區別。
1.1選擇新型熱沖壓模具用材。針對B柱類零件強度的差異性定制要求，高強度熱沖壓板材如22MNB5，BR1500HS等材料在模具內部成形淬火過程中，鋼板的局部區域抗拉強度大幅度提高，硬度也大幅提高的情況，同時，由于分區模具中存在加熱區域，因此模具的材料必須要滿足長期的耐熱，耐溫度變化而且還要保證具有足夠的結構剛度、表面硬度與疲勞壽命。新型的熱沖壓分區模具需要滿足快速且猛烈的驟冷驟熱，冷熱快速交替變化的嚴苛要求。由于900℃的高溫鋼板對模具材料會產生的強力熱摩擦以及鋼板脫落的氧化顆粒會對處于高溫下的模具材料表面產生磨粒磨損。所以，為了能夠抵抗高溫鋼板帶來的熱摩擦和磨粒磨損，新型模具在選擇材料上需要考慮的問題比傳統模具要多。如果選擇材料不當，不僅會嚴重影響沖壓件的成形質量，還會大大縮短模具的使用壽命。需要考慮的問題包括：模具的熱脹冷縮、模具表面溫度的驟熱驟冷、模具型腔內表面在高溫軟化后會加劇磨粒磨損，從而使得模具型腔內塑性變形、進一步導致疲勞失效，影響模具壽命等?？紤]到以上這些問題，可以選擇熱鍛用鋼，如H13，3Cr2W8V等。本文中分區模具就選用H13。
1.2新型熱沖壓模具分區設計。在熱成型工藝過程中，成形件鋼板與凸、凹模的接觸形式，分區模具中加熱區和冷卻區與板料的接觸阻力和熱摩擦情況都與常溫下成型過程有較大區別，因此考慮到以上原因，在進行分區熱成型模具設計時設計成平板型模具，來簡化上述工藝中成型對高強鋼強度和硬度的影響。進一步來說，即將模具分成三個區域：加熱區，冷卻區和過渡區。加熱區和冷卻區之間存有3mm的氣隙來隔離加熱區的熱量向冷卻區傳遞。為了防止高強鋼在900℃高溫下由于提高其延展性、降低了鋼板的強度造成的拉裂、起皺等現象，也合理設計了模具的間隙和制造加工精度。為了防止加熱區的熱量向模具基板傳遞，要在其間加上陶瓷隔熱氈。因為模具一端受熱，一端冷卻，考慮到模具熱脹冷縮的情況，特意在模具冷卻的一端加上了薄墊片。制造出的新型分區熱成型模具實現了加熱端的溫度在400℃左右，同時冷卻區的溫度在25℃。因此900℃的高強鋼板加熱到奧氏體狀態以后，放置到新型熱成型模具上后，保壓15S后，測量高強鋼板的抗拉強度和硬度。加熱區抗拉強度為平均為1425MPA，硬度為480HV；冷卻區抗拉強度為800MPA，硬度為240HV。再通過LS-DY-NA預測高強鋼板的維氏硬度與試驗結果進行對比研究，結果表明在加熱區和冷卻區，軟件預測的結果與實驗得到的數據較為接近，但在過渡區仿真結果與實驗數據有較大偏差。
2結論
2.1關于高強鋼板熱成形技術的研究中大部分都是實驗室階段，尚未進入實際生產，本文中提供的分區型熱成型模具設計無疑為日后的工業生產提供了一種新方法。
2.2對于熱成型過程中分區加熱和冷卻中涉及的熱-力-相耦合場的理論分析還亟待解決。
作者：姜自偉 叢彬 李國民 唐懷鑫 程喜順 單位：齊齊哈爾大學機電工程學院
參考文獻
[2]王立影，林建平，朱巧紅等．熱沖壓成形模具冷卻系統臨界水流速度研究[J].機械設計，2008，25(4)：15-18.
[3]馬寧，申國哲，張宗華等.高強度鋼板熱沖壓材料性能研究及在車身設計中的應用[J].機械工程學報，2011,47（8）:60-65.