熱成型車門防撞桿的設計及制造工藝分析

王科 盧利輝 吳相磊 曹淵

摘 要：熱成型車門防撞桿的設計，是根據客戶輸入條件及目標要求，進行的產品結構和性能設計。然后客戶對模型進行整車校核，直至凍結產品數據。產品制造過程進行工藝參數優化，并通過檢測數據驗證是否達到了設計目標。最后通過試驗數據與設計數據相對比，找出差異點，為后續同類產品積累設計經驗和生產經驗，達到縮短開發周期和降低生產調試成本的目的。

關鍵詞：車門防撞桿;熱成型;性能設計;設計目標

中圖分類號：U467.14 ?文獻標識碼：B ?文章編號：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

當前汽車工業發展的主要方向是安全、環保和節能。安全是毋容置疑放在首位的，也是各項法律法規可以量化的指標。環保和節能，世界各國都在陸續出臺對應的政策，也逐步會梳理出可量化的指標。按歐洲材料協會調查結果：汽車自重每降低100Kg，百公里油耗可減少1.6L，排放降低5-6%[1]。三者的關系是：降低汽車自重以獲得更佳的燃油經濟性和達到節能減排的目的，但又必須滿足日益嚴苛的各項安全法規，以保護車內乘客的安全。在汽車交通事故中，發生頻次最高的是側碰，且側面柱碰撞事故具有極高的致死率，受到設計者的高度重視[2]。所以，車門系統的安全設計顯得尤為重要。引用參考文獻3的數據，某車剛性柱碰的車門系統各部件吸能情況如表1。

從表1可以看出，車門防撞桿的吸能值最大，其安裝在車門內、外板的夾層內，起到保護乘客被動安全的作用。車門防撞桿的強度、變形量和吸能值等是衡量車輛側碰安全的主要設計指標。如何在輕量化的條件下滿足各項安全指標是設計師必須考慮的。汽車輕量化的途徑主要是新結構設計、新材料應用和新工藝技術。當前主流車門防撞桿按材料分：鋁合金、高強鋼、熱成型材料;按結構分：管件、板材、型材;按工藝分：熱沖壓、冷沖壓、滾壓、擠壓、冷拔等。隨著熱沖壓工藝的成熟，熱成型工藝成本優勢較大，且輕量化效果明顯，應用日益廣泛。文章將以熱成型高強板車門防撞桿為例，展開產品設計及工藝過程的討論。

1 汽車零部件的開發過程

車門防撞桿的開發過程與其他汽車零部件的開發過程相似，如圖1所示。零部件級的設計輸入是由整車工況提取出來的。設計輸入包括：空間拓撲結構、重量要求、載荷信息、性能要求等。零部件供應商按照主機廠提供的設計輸入進行詳細的結構設計，在滿足主機廠的目標要求下，雙方進行設計評審，包含整車校核、產品重量、工藝可行性、圖紙簽核、成本組成等。圖紙凍結后，試制新產品并進行設計驗證，設計驗證包含臺架試驗和道路試驗。設計驗證完成后轉入試生產，試生產主要驗證工藝過程的穩定性和產品標準的合理性。最后達到量產目的。

2 車門防撞桿的設計

2.1 設計要求

（1）造型空間無干涉。（2）三點彎位移70mm，最大支反力≥14.2KN，且受力值在各位移處滿足給定的曲線范圍如圖2，在滿足最大變形的情況下，邊緣無裂紋。（3）在-38℃低溫沖擊下，沖擊部位邊緣無裂紋。（4）成品材質要求：Ts≥1480Mpa，Ys≥1080Mpa，Ls≥6.5%，表面硬度≥HV390。

2.2 設計過程

2.2.1 按客戶要求或客戶提供的概念模型識別出安裝硬點及空間區域布置

2.2.2 主體部件的斷面選擇

可選用“O”型、“幾”字型、“m”型。“O”型斷面主要是管件，由于制管工藝復雜，且與安裝支架需要焊接連接，如圖3，工藝鏈較長，成本高，應用較少。在同等重量和板厚的條件下，“m”型防撞桿的吸能值及支反力均大于“幾”字型防撞桿，且成型性“m”型防撞桿也較佳，如圖4。所以選擇 “m” 型斷面為設計目標。

2.2.3 3D設計

3D設計是按裝配空間區域、性能要求及歷史參考數據反復進行CAE驗證的過程。

Step1造型設計。根據裝配空間要求，進行3D造型設計，并同步進行熱成型工藝分析，初步設計造型如圖5。

Step2 CAE建模。CAE建模主要是模擬三點彎試驗，前后處理采用Hyperworks11.0，求解器采用ABAQUS2016。目標材料選用寶鋼熱成型材質B1500HS。熱成型材質成型后的硬度與機械性能呈正相關，所以在前期CAE分析時，材料屬性的輸入，可以按不同硬度對應的材質機械性能定義。這樣也為后期工藝優化硬度目標值提供了依據。HV420、HV450、HV480三種不同硬度材質的工程拉伸曲線轉換為真實拉伸曲線如圖6。

尺寸定義：半圓壓頭半徑160mm，支撐跨距825mm，支撐半徑13mm，產品板厚分別按1.0mm、1.2mm定義。網格定義：車門防撞桿屬于薄壁件，采用殼單元劃分網格，網格大小3mm;半圓壓頭和支撐采用剛性體定義。邊界條件定義：兩側支撐完全固定;上壓頭施加垂向強迫位移為100mm。接觸定義：三處接觸均設置為“surface-to-surface contact”。CAE建模如圖7。

Step3 ?CAE判定。求解完成后，提取壓頭的支反力與位移的關系曲線，1.0mm板厚在HV420、HV450、HV480不同硬度材質下的受力曲線如圖8，1.2mm板厚在三種不同硬度材質下的受力曲線如圖9。

Step4數據凍結。將設計模型發給客戶，由客戶進行整車分析。根據客戶整車分析的反饋，重復step1-step3，直至滿足單件及整車的性能要求。本例的凍結模型和產品屬性分別按圖5和表2執行。

受力曲線判斷：根據與目標曲線值對比，1.0mm板厚產品在前20mm段各硬度材質支反力均較差，不建議采用。1.2mm板厚產品除HV420材質前20mm段不滿足目標，其他硬度材質均滿足目標。考慮工藝經濟性，重點考慮采用板厚1.2mm&硬度HV450材質。

裂紋判斷：板厚1.2mm &硬度HV450材質的應力云圖分布如圖10。邊緣最大Mises應力1485Mpa<材料抗拉強度1500MPa，邊緣不會產生裂紋。中部最大Mises應力1688Mpa>材料抗拉強度1500MPa，中部有產生裂紋的風險，但滿足設計要求。

根據上述分析，考慮工藝經濟型設計初步定型，為滿足產品性能，產品的材質屬性應滿足表2。

3 工藝實現

熱成型產品實現的工藝流程如圖11。

卷料入廠后，落料采用600T級進工裝進行。通過成型性分析，考慮成本經濟性，熱沖壓采用一模四腔、800T液壓機進行。加熱采用滾底爐。通過一輪輪試制調試，鎖定工藝參數見表3。生產現場見圖11。

拋丸的目的主要是為了去除表面氧化皮。如果是涂層板，如鋁硅涂層，一般不會出現氧化皮，則不需要拋丸。本產品材質非涂層，在熱成型過程中會產生一層氧化皮，對產品表面質量及后期電泳會產生嚴重影響，所以需要拋丸去除氧化皮。圖12拋丸前后的產品表面對比。

激光切割的目的主要是切具有高精度要求的搭接邊或者割位置度要求較高的安裝孔。鑒于降低成本、縮短工藝流程，設計階段需要與客戶討論明確產品的裝配關系，盡力避免采用激光切割工藝。對于普通的孔或邊，可考慮在落料片上實現或在熱沖壓模具中實現模內熱切來替代激光切割。

是否涂防銹油是由空氣濕度和庫存周期決定的。非涂層板在較高濕度環境一般4-7天會生銹，所以對周轉率較低的產品一般都要涂防銹油。對長周期存放的產品，為防止防銹油揮發，需要密封起來，但存放周期一般也不超過90天。涂層板也需要對切口進行涂防銹油處理。

4 試驗驗證

涉及產品性能的試驗包括四項：機械性能、硬度、低溫沖擊和三點彎。

4.1 熱成型件的機械性能

試片需要取自不同的區域，以反映產品的性能分布，并要求各區域均要達到目標值。該產品的試片取樣位置在“m”型側壁，如圖13所示，用線切割方式每個側壁取3片，4個側壁合計取12片。測試均滿足要求。表4是其中一個側壁的三試片試驗數據。

4.2 硬度測量

為確保產品硬度均質化，需要在不同區域不同斷面取點，如圖15所示，分布在5個特征面上、每個特征面上取9點，合計45點。圖16是硬度值分布，最小值HV455>HV450，即硬度滿足設計要求。

4.3 低溫沖擊試驗

試驗是在﹣38℃低溫下，落錘沖擊車門防撞桿。落錘重量160Kg，落錘高度1.3m，產品支撐跨距270mm。如圖17所示，試驗后產品僅塑性變形，邊緣無斷裂產生，試驗合格。

4.4 三點彎試驗

試驗是按設計標準，設置支撐跨距825mm、壓頭半徑160mm、壓載速度1mm/s及位移100mm，進行試驗，如圖18所示。圖19是獲取的三點彎試驗曲線與CAE分析、設計標準的對比。

通過圖19的試驗曲線可以看出，產品的三點彎支反力值和吸能值在各個階段均滿足，最大支反力為19.4KN>14.2KN，發生在34mm位移時。表5是各位移點的支反力數值對比，可以看出CAE分析與實際試驗的最大誤差為8.62%，

為后續類似產品的設計提供了可信度參考。

5 結論

汽車零部件供應商與客戶協同開發，一方面可以縮短開發周期，另一方面可以從產品結構和工藝路線上降低產品成本。在開發過程中，CAE仿真分析建模應用以往經驗的材質屬性及邊界定義，可大幅提高仿真結果的可信度。最后通過產品的試驗數據，證實產品的各項性能均已達到設計目標，也為類似產品開發提供了開發經驗。

參考文獻

[1] 常穎，靳菲，李曉東等.車用熱成形先進高強度鋼板樣件的熱脹形特征及成形性分析[J].機械工程學報，2014，50（12）：73-78.

[2] 唐 濤，張維剛，陳鼎等.側面柱碰撞條件下轎車車門抗撞性優化設計[J].中國機械工程，2016，27（2）：278-283.

[3] 馮克建.汽車車門防撞梁結構改進與優化[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.