摘要：
汽车B柱类零件属于变强度类高强钢，即同一块钢板的部分区域强度高，另一部分区域强度低，中间存在过渡区。面向此类高强钢板，设计出一种热成型用模具。此模具有加热区和冷却区域，中间存有3mm气隙为过渡区。加热到900℃的高强钢，快速转移后放到本模具上，合模后经过15S的保压冷却，可以得到强度差异化的高强钢。高强区硬度为480HV,低强区硬度为240HV。获得的高强钢可以满足实际要求，为获得变强度的高强钢提供了一种新方法。
关键词：
变强度；热成型；分区型模具
随着我国汽车工业的高速发展，绿色环保低碳已经成为发展的主题。汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要，汽车轻量化的发展趋势使得高强度材料应用日益广泛[1]。面向高强钢的热成形技术对实现汽车轻量化、提高汽车安全性能起到了十分重要的作用。研究资料显示，热成形技术可将原厚度1.0～1.2mm的车身板减薄至0.7～0.8mm，车身质量减少15%～20%，可节油8%～15%[2]。为了更好地满足轻量型汽车良好的防撞性能要求，目前有一些研究已经开发了新的制造工艺和设备，用于成形如汽车B柱这类变强度的高强度冲压件，优点在于让较薄的金属板替代厚钢板，以多相微观组织代替原有的单相马氏体，不但可以更好地减轻汽车零部件的重量，同时具有更好的缓冲吸能效果[3]。以汽车重要安全部件B柱为例，为了抵制外部冲击而且还要保证汽车的完整性，需要其上面的顶部区域强度较高；而B柱的底端区域用来吸收汽车受到冲击时的能量来保证乘客的安全性，因此需要较低的强度、较高的塑性。目前大部分企业为了满足B柱的需求，是通过激光拼焊技术来实现这种变强度的强度差异性。该技术最核心的缺点是其焊缝的质量难以控制，会导致安全性能的大大下降。现有研究中关于变强度的高强钢热成形技术主要从以下两个角度入手：一方面是针对高强钢板进行差异化加热，通过不同的加热手段实现钢板的局部受热，钢板的其他地方自然形成过渡区和未加热区，从而形成了高强钢板的初始非均匀温度场，在热冲压模具中钢板整体成形淬火后，即实现了高强钢板的可变强度差异化[3]；另一方面是通过调整钢板淬火的冷却速度来完成强度差异化。经过设计具有不同功能区域的热成形模具结构，使钢板在成形过程中一不同的速率进行淬火。根据金属相变机理，在不同的冷却速度作用下获得的微观组织形态和亚结构亦不相同[3]。通过热成型模具对钢板淬火的冷却速度进行调节，实现高强钢板料的组织呈强度差异性。进一步来说即对钢板的力学性能产生了影响。本文主要也是从模具结构设计入手，通过改变模具内部的结构将模具分区：加热区，冷却区和过渡区。加热区和冷却区中间存在3mm的气隙来保持中间的过渡区强度渐变性。
1变强度的热冲压模具设计
整个热成型工艺流程中热量的变化由三个部分组成：板料具有的初始热量通过三个途径进行变换，第一是最主要的途径即板料和模具的热传递、第二为板料与空气的热对流交换、第三为板料向外发散的热辐射。三个途径中第一方面最重要也是热量交换的主要方式。通过对热冲压成形热平衡的理论进行分析，变强度的热冲压成形模具既包括板料冲压成形作用，又要控制不同的淬火冷却速度。所以在选择新型模具的材料、模具的分区结构设计上等方面都与传统热冲压模具有着很大区别。
1.1选择新型热冲压模具用材。针对B柱类零件强度的差异性定制要求，高强度热冲压板材如22MNB5，BR1500HS等材料在模具内部成形淬火过程中，钢板的局部区域抗拉强度大幅度提高，硬度也大幅提高的情况，同时，由于分区模具中存在加热区域，因此模具的材料必须要满足长期的耐热，耐温度变化而且还要保证具有足够的结构刚度、表面硬度与疲劳寿命。新型的热冲压分区模具需要满足快速且猛烈的骤冷骤热，冷热快速交替变化的严苛要求。由于900℃的高温钢板对模具材料会产生的强力热摩擦以及钢板脱落的氧化颗粒会对处于高温下的模具材料表面产生磨粒磨损。所以，为了能够抵抗高温钢板带来的热摩擦和磨粒磨损，新型模具在选择材料上需要考虑的问题比传统模具要多。如果选择材料不当，不仅会严重影响冲压件的成形质量，还会大大缩短模具的使用寿命。需要考虑的问题包括：模具的热胀冷缩、模具表面温度的骤热骤冷、模具型腔内表面在高温软化后会加剧磨粒磨损，从而使得模具型腔内塑性变形、进一步导致疲劳失效，影响模具寿命等。考虑到以上这些问题，可以选择热锻用钢，如H13，3Cr2W8V等。本文中分区模具就选用H13。
1.2新型热冲压模具分区设计。在热成型工艺过程中，成形件钢板与凸、凹模的接触形式，分区模具中加热区和冷却区与板料的接触阻力和热摩擦情况都与常温下成型过程有较大区别，因此考虑到以上原因，在进行分区热成型模具设计时设计成平板型模具，来简化上述工艺中成型对高强钢强度和硬度的影响。进一步来说，即将模具分成三个区域：加热区，冷却区和过渡区。加热区和冷却区之间存有3mm的气隙来隔离加热区的热量向冷却区传递。为了防止高强钢在900℃高温下由于提高其延展性、降低了钢板的强度造成的拉裂、起皱等现象，也合理设计了模具的间隙和制造加工精度。为了防止加热区的热量向模具基板传递，要在其间加上陶瓷隔热毡。因为模具一端受热，一端冷却，考虑到模具热胀冷缩的情况，特意在模具冷却的一端加上了薄垫片。制造出的新型分区热成型模具实现了加热端的温度在400℃左右，同时冷却区的温度在25℃。因此900℃的高强钢板加热到奥氏体状态以后，放置到新型热成型模具上后，保压15S后，测量高强钢板的抗拉强度和硬度。加热区抗拉强度为平均为1425MPA，硬度为480HV；冷却区抗拉强度为800MPA，硬度为240HV。再通过LS-DY-NA预测高强钢板的维氏硬度与试验结果进行对比研究，结果表明在加热区和冷却区，软件预测的结果与实验得到的数据较为接近，但在过渡区仿真结果与实验数据有较大偏差。
2结论
2.1关于高强钢板热成形技术的研究中大部分都是实验室阶段，尚未进入实际生产，本文中提供的分区型热成型模具设计无疑为日后的工业生产提供了一种新方法。
2.2对于热成型过程中分区加热和冷却中涉及的热-力-相耦合场的理论分析还亟待解决。
作者：姜自伟 丛彬 李国民 唐怀鑫 程喜顺 单位：齐齐哈尔大学机电工程学院
参考文献
[2]王立影，林建平，朱巧红等．热冲压成形模具冷却系统临界水流速度研究[J].机械设计，2008，25(4)：15-18.
[3]马宁，申国哲，张宗华等.高强度钢板热冲压材料性能研究及在车身设计中的应用[J].机械工程学报，2011,47（8）:60-65.