汽车后保险杠成形工艺基础研究及发展

摘要：汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力、防护车身前后部的安全装置。采用高强度钢板制造的保险杠能大大提高乘员安全性，但高强度钢板成形非常困难，在总结国内外汽车保险杠成形技术及研究概况的基础上，分析了高强度钢保险杠冲压成形技术的研究现状及主要研究方向，讨论了高强度钢保险杠冲压成形领域要解决的关键问题，采用现有水平下的先进的数值模拟技术与调整冲压工艺相结合能解决该问题。对于同类相关高强度钢汽车零件的生产具有一定的指导意义。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

关键词：汽车保险杠    高强度钢板    冲压工艺     数值模拟     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，汽车前后保险杠是以一般钢材为主，用厚度为<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />３毫米以上的钢板冲压成Ｕ形槽钢，表面处理镀铬，与车架纵梁铆接或焊接在一起，与车身有一段较大的间隙，好像是一件附加上去的部件。随着汽车工业的发展，汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走向了革新的道路上。今天的轿车前后保险杠除了保持原有的保护功能并提高其安全性外，还要追求与车体造型的和谐与统一，追求本身的轻量化。为了达到这种目的，目前一些汽车的前后保险杠采用了高强度钢板。有资料表明，使用高强度钢板，原厚度为１．０～１．２ｍｍ 的车身板可减薄至０．７～０．８ｍｍ，车身整体质量减少１５％～２０％，节油８％～１５％。

但是高强度钢板变形抗力大，对模具要求高，同时普遍存在较大回弹。某进口车型高强度钢后保险杠采用的高强度钢板屈服强度达到５５０ＭＰａ，采用常规冲压工艺很难达到产品要求，主要问题是破裂和回弹［６－１０］，而国内可供参考的成功经验也很少，如果采用国外热成形技术又会显著增加成本［７－１２］，而且效率低下。由于没有攻克这个技术难题，国内很多汽车企业放弃高强度钢板制造保险杠而采用中强度钢板再增加料厚的办法，不仅增加成本而且造成车身重量加大，耗油量增加，环保性差；即使有汽车企业采用高强度钢保险杠，也是直接交由国外企业采用热成形制造，所以一直受限于国外企业的技术垄断［１３－１５］。为了打破这一技术垄断，在国内现有工艺水平下采用先进的数值模拟技术与调整冲压工艺相结合最终成功攻克这一技术难关。

本文主要分析冲压用高强度钢板、模具材料和设计的要求，归纳汽车高强度钢后保险杠的开发及其冲压成形技术，力求为该技术进一步的研究及其在汽车工业上的应用提供参考。

2研究汽车高强度钢后保险杠冲压成形的背景和意义

2．1板料冲压成形技术概述

冷冲压是塑性加工的基本方法之一,它是利用安装在压力机上的模具,在室温下对板料施加压力使其变形和分离,从而获得具有一定形状、尺寸的零件的压力加工方法。因为它主要用于加工板料零件,所以也称板料冲压。金属板料在冲压力的作用下,其应力超过其强度极限而沿一定的轮廓线断裂,称为分离工序。分离工序又可分为落料、冲孔、切断、切边、剖切、切口和剪切等;金属板料在冲压力的作用下,其应力超过其屈服强度极限但低于强度极限而产生塑性变形,从而获得一定形状和尺寸要求的制件,称为变形工序,变形工序又可分为弯曲、拉延、翻边、翻孔、胀形、扩孔、缩口和旋压等。与其他加工方法相比，无论在技术方面，还是在经济方面冲压加工都具有许多独特的优点：（1）能冲压出其他加工工艺难以加工或无法加工的形状复杂的制件；（2）由于冲压加工是靠模具成形,模具制作精度高,使用寿命长,故冲压件质量稳定,制件互换性好；（3）材料利用率高。一般为75%～85%,因此冲压加工能实现少废料,甚至无废料生产。在某些情况下,边角余料也可充分利用；（4）生产效率高且易于实现机械化与自动化生产。对于高强度钢，若配以合适的后继热处理方式，还可以使板料发挥其最佳的性能，为汽车提供高质量的零部件，从而不但降低了汽车保险杠的重量，还提高了其抗冲击性能及疲劳性能，提高了汽车的安全性。

2.2研究高强度钢保险杠冲压工艺的意义

还未走远的经济危机和严重的环境危机导致当前汽车制造企业面临惨烈的市场竞争，如何回应日益高涨的环保和安全呼声将是汽车制造企业能否生存、发展的关键。采用高强度钢板制造车身则是解决这些问题的有效手段。某进口车型高强度钢保险杠采用的高强度钢板强度达到800ＭＰａ，为普通钢板强度的2-3倍，并且降低了车身重量，还提高了汽车的安全性，以及相关联的降低油耗，节约能源、减少汽车排放等。此外，高强度钢板废物可以充分回收利用，有利于降低环境污染。车身重量的减轻，还有助于改善汽车的行驶、转向、加速、制动等运动性能和排气性能，同时，还为降低噪声、振动、实现大功率创造条件。

我国汽车工业己进入高速增长的发展阶段，2003年汽车产量超过400万辆，已成为世界汽车生产大国，2010年前，年均增长率为10%-15%。汽车轻量化和原料国产化、高性能化是中国汽车工业及相关工业努力的方向。而汽车保险杠结构较为复杂，作为一个独立的总成安装在汽车上，它对车辆的安全防护、造型效果、空气动力性等有着较大的影响。保险杆作为汽车车身的一个重要部件，其作用有两方面：一是当汽车与其他车辆或障碍物发生碰撞时，起保护翼子板、散热器和灯具的作用；二是起装饰作用。由于保险杆具有这些功能，国内外=须加快促进汽车高强度钢保险杠冷冲压工艺的研究和发展。

3 汽车高强度钢保险杠成形工艺研究现状

在汽车工业中，基于减重和环保的目的，高强度钢板冲压成形技术逐渐受到关注与重视，各大钢铁公司、汽车制造厂商以及国内外的部分大学纷纷开始了高强度钢板的冲压成形技术的研究。然而，基于技术保密的原因，各高强度冲压部件供应商对于冲压技术的研究文献很少见，现仅对国内外开展高强度钢板及其保险杠冲压研究的现状进行阐述。

为减重和提高抗冲击性能，法国USINOR公司开发出了系列高强度钢板，其主要性能见下表；

研究表明TRIP800（冷轧）具有良好的成形性能，实际成形性能接近DDQ的水平，但当TRIP钢的强度超过800MP时，成形性能显著下降。TRIP钢能更多地吸收冲击能，特别适用于碰撞罩，保险杠等抗冲击类零件。

国际上已研制出超轻钢车身，在满足2004 年美国碰撞法规前提下，应用先进高强度可在不增加成本的条件下使车身质量减少20%。高强度钢板等先进材料的广泛应用使得回弹控制更加困难，而回弹量的预测精度是回弹控制的基础。热冲压成形技术是解决高强度钢板难成形问题和减少回弹的有效途径。德国纽伦堡大学亦在进行德国研究基金DFG项目-淬火钢板的热冲压成形原理研究。2005年进行了热冲压成形的基础研究，通过实验确定了22MnB5的奥氏体化温度和保温时间。2006年采用Gleeble1500热模拟试验机，起简图如图1所示，对板料进行等温拉伸以获得热冲压工艺的时间-温度参数所决定的22MnB5的流动性能，获得了奥氏体状态下材料轧制方向、温度和应变速率对流动性能的影响。在此基础上研究了拉伸钱冷却速率对材料性能的影响。结果表明，材料的轧制方向对奥氏体状态下的流动性能没有影响，而温度对流动应力的影响很大，增加温度可减小流动应力和材料的加工硬化。此外，应变速率亦是影响材料流动应力的重要因素，增加应变速率会增加材料流动应力水平。拉伸前冷却速率在一定程度上影响材料的力学性能。

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重庆大学某课题组2010年采用先进的数值模拟技术与调整冲压工艺相结合的方法对汽车高强度钢保险杠冷冲压成形进行了优化设计。其采用板料成形数值模拟软件Ｄｙｎａｆｏｒｍ对该型轿车的保险杠成形过程进行了模拟仿真，并通过实验及实际生产与仿真结果的对比研究了工艺补充部分形状变化及回弹补偿对保险杠成形性能的影响，最终得到优化的型面设计，顺利生产出制件，为同类相关高强度钢零件的生产起到了指导作用。试验表明钢板的成形性能优于级的

钢板, 成    

综上所述，由于高强度钢板冲压成形具有成形难，回弹大等特点，故高强度钢保险杠的成型工艺研究集中在以下几个方面：

①强度级别不同的高强度钢板的成形性能区别显著。选择合适的高强度钢种对高强度钢保险杠的成形至关重要。如适于制造保险杠等抗冲击类零件的TRIP800（冷轧）具有良好的成形性能，但当TRIP钢的强度超过800MP时，成形性能显著下降。

②热成型技术可以克服高强度钢成形困难，回弹大的缺陷。和普通钢板相比，高强度钢板在冲压过程中不仅会造成较大的弯曲回弹和扭曲回弹，而且还会产生严重的侧壁卷曲，这将严重影响冲压件的形状尺寸精度和整车装配。热冲压成形技术是解决高强度钢板难成形问题和减少回弹的有效途径。热冲压是将冲压板材在奥氏体温度区加热，在高温下冲压成形并使其在模具内进行马氏体相变后，在保证高强度的前提下获得需要的形状。但热成型技术会显著增加成本

③采用数值模拟技术研究热冲压成形过程。分析各参数对部件性能的影响规律。随着计算技术尤其是有限元理论和方法的不断发展，描述宏观尺度的塑性变形物理模型、数值计算方法日臻完善，数值模拟成为研究塑性变形过程的有力手段。借助数值模拟技术可以对汽车高强度刚保险杠的成形过程进行模拟．如果工艺补充面设计不合理，将会导致回弹较大，进而影响后工序的产品质量和尺寸精度。通过实验及实际生产与仿真结果的对比研究了工艺补充部分形状变化及回弹补偿对保险杠成形性能的影响，最终得到优化的型面设计

 4、高强度钢保险杠成形工艺关键问题及解决方法

国内可供参考的成功案例非常有限，如果采用国外热成形技术又会显著增加成本且效率低。只能在现有水平下采用先进的数值模拟技术与调整冲压工艺相结合才能解决该问题。通过有限元分析软件Ｄｙｎａｆｏｒｍ对汽车高强度钢保险杠冷冲压成形过程进行模拟，，发现回弹和破裂是其主要缺陷。可从以下几个方面改善高强度钢冲压件的成形质量：

 (1)增大塑性变形量可以有效降低零件的破裂倾向和回弹。汽车后保险杠形状如图2所示，从侧视图中可见其曲率较大，且纵向截面呈Ｕ 形，如果工艺补充面设计不合理，将会导致回弹较大，进而影响后工序的产品质量和尺寸精度。为保证制件质量，需在工艺设计时尽量增加零件的塑性变形，故先将工艺补充面设计成盒形。弯曲件产生破裂是因为Ａ处和Ｃ 处的产品型面

                          图2  保险杠零件三维模型

上分别有加强支耳，工艺补充面为盒形时，这两处圆角过小，加上ＤＰ８００材料的流动性较差，所以造成破裂。故只能根据零件型面将工艺补充面设计成类似Ｕ形件。但Ｕ形工艺补

                            图３　保险杠成形有限元模型

充面的回弹较大，通过对比盒形和类似Ｕ 形工艺补充面的模拟结果就可看出塑性变形量较小的Ｕ 形工艺补充面其回弹较大。

(2)模面补偿法。根据回弹大小采用模面补偿，增大压边力对对回弹角的影响法，将中间Ｂ处型面提升并重新构建模面，使其曲率半径减小，从而减小实际生产零件与目标型面的距离。采用模面补偿法虽然不能有效降低回弹数值但是可以使零件型面接近目标型面。但是当Ｂ处升高超过６ｍｍ时把实际生产的样件安放在检具上发现靠近Ａ 处的安装面影响到模面补偿法的效果。除了采取模面补偿法外，还需在工艺补充时尽量增加其塑性变形，如减小凸模圆角，适当增加压边力，设置局部凸顶等。

(3)在凸模局部型面上设置凸顶。其原理是不改变模具闭合高度的情况下，减小凸顶部分的模具间隙，使凸模强制挤压材料，增加塑性变形。通过模拟发现设置凸顶后材料的塑性变形增加，回弹减小。

通过改进上述方面，升高Ｂ处并重构型面，凸模型面上设置适当凸顶，合理设置压边力，板料外形根据型面展开落料而成的，工序采用“落料、冲定位孔—拉延—修边、整形、冲孔”，经过实验可得出满意的结果。

5 结束语

作为汽车轻量化的重要途径高强度钢板冲压成形技术正倍受世界各国学者的普遍关注。而高强度刚保险杠不仅减轻了车身重量，降低成本，还提高了碰撞安全性和抗疲劳性，其发展潜力巨大。但由于国外技术垄断和国内制造水平的限制，因此以快速准确的计算机仿真技术和具有工程实用水平的优化技术为手段的系统地发展高强度钢保险杠的成形工艺研究，对同类相关高强度钢零件的生产以及我国汽车业的发展具有十分重要的现实意义。

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