面对能源危机和环境保护的压力，节能减排成为汽车制造业的发展趋势，汽车轻量化已经成为汽车工业可持续发展的必然之路，热成形工艺作为多种轻量化途径中应用较广泛的技术，对该工艺进行研究很有必要。国内热冲压技术起步较晚，但近几年随着汽车企业的发展，热冲压技术也得到了快速发展，目前热冲压工艺已经应用到汽车制造工业，并实现批量化生产。由于汽车行业的竞争日趋激烈，如何控制制造成本成为汽车企业研究的重点，热成形工艺优化成为节约成本的关键因素。
B柱是汽车重要的承力件，不仅要承受一定冲击后车门能顺利打开，还要为前门锁环、后门铰链、安全带卷收器等部件提供安装环境。现以B柱加强板为例进行热成形工艺优化研究，以提高热成形批量化生产效率，节约制造成本。
热成形工艺
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图1 热冲压成形工艺流程
热成形工艺根据制件拉深深度，分为直接热成形法和间接热成形法，直接热成形法是对板料加热再成形然后淬火，而间接热成形法是先对板料预成形，然后加热再成形后淬火。由于B柱最大拉深深度约80mm，可以采用直接热成形法成形制件，常规热冲压成形工艺流程如图1所示。
有限元模型
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01有限元模型参数设定
图2 工艺补充面
图3 有限元网格模型
通过Siemens NX 11.0对B柱进行模面优化补充，工艺补充面补充在制件非成形面上，并对上下模面圆角进行清根处理，如图2所示。将设计的工艺补充面导出IGS格式，导入到AutoFormR7中，基于AutoFormR7创建有限元网格工具体：凹模、压料块、压边圈、凸模，如图3所示。
模拟过程中板料材质选择22MnB5，板料厚度为1.2mm，材料参数如表1所示。
02
热成形工艺过程参数设定
图4 材料硬化曲线模型
图5 材料屈服面曲线模型
设置材料参数生成硬化曲线及屈服面曲线模型，分别如图4、图5所示。
图6 热冲压温度关键控制点
22MnB5加热至高于Ac3（亚共析钢奥氏体化的临界温度，只有超过该温度才能够完全形成奥氏体）的某一温度使其充分奥氏体化（在加热炉中进行），设置加热温度930℃，保温5min使其充分奥氏体化。加热后的板料应快速转移至压力机中，并保证其温度不低于Ar3（亚共析钢冷却上临界点，奥氏体开始转变的临界点温度，低于此温度将产生铁素体）。由初始成形温度对热冲压件力学性能研究表明，板料初始成形温度为750~850℃时，材料的抗拉强度和硬度会明显提高，所以设置板料转移到模具的时间为3s；板料的热冲压也应该在Ac3以上进行，保证钢板的韧性。由于加热后的板料与模具零件接触发生热传递，造成板料冷却不均，需要压力机滑块快速下降以减小板料热量散失，压力机滑块快速下降至凹模与板料接触的时间为2s；随后保压冷却，在保压阶段通过模具零件型面内部冷却管路系统完成，成形保压时间分别设置为6、8、10、15s，保压压强为20MPa，B柱制件表面积为415830.69mm2，设置保压压力为3500kN，冷却时保证冷却至马氏体转变开始温度（约200℃）以下，设置板料最终温度100℃左右。热冲压的温度关键控制点如图6所示。
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模拟过程及成形结果
图7 无压料块压料时制件出现叠料
图8 增加压料块压料后制件成形良好
模型采用单动模具类型，冲压过程中凸模和凹模设置为刚体，板料为三维可变形实体；B柱较宽部位拉深深度较深，两边成形时中间板料隆起易起皱，由于制件此处没有设置吸皱筋，成形完成时，该部位的板料增厚严重。图7所示方框区域为叠料，增加压料块控制料流状态，通过氮气缸压力控制凹模闭合时作用到凸模的压料力为60kN，保证制件成形性良好，解决叠料问题，如图8所示。由于加热后的板料流动性较好，增加拉深筋会造成板料开裂，压边圈通过间隙调节，设置压边圈与凹模的间隙为1.0~1.1倍料厚，取值1.31mm，控制法兰边的材料流动保证立壁厚度的均匀性。
（a）重力状态
（b）到底前50 mm
（c）到底前20 mm
（d）到底前10 mm
（e）到底前5 mm
（f）完全闭合
图9 板料各阶段成形状态
板料各阶段成形如图9所示，成形到底前5mm不能出现明显起皱，成形到底不能出现开裂。
图10 厚度分布云图
由图9可知，B柱成形性良好，其厚度分布云图如图10所示，厚度分布集中在1.21~1.23mm，减薄率最大不超过10%，厚度整体分布均匀。
图11 开始成形阶段
通过制件成形阶段温度场变化模拟可知，制件开始成形前平均温度为760℃，如图11所示。
图12 凹模开始接触板料
当凹模开始与板料接触时压料块已与凸模接触完成，此时增加压料块的部位温度比其他位置低50℃左右，如图12所示。
图13 成形完成时
制件成形完成时冷却速率基本一致，这是由于此阶段制件传热方式是热辐射与一部分热对流，冷却速率较低，如图13所示。
图14 保压完成
保压阶段看出制件的冷却速率提高，这是由于上下模完全闭合，制件传热方式主要是热传导与部分热对流，上下模型面同时给制件降温，提高了冷却效率，但是立壁部位的冷却速率低于型面，这是由于制件成形时立壁部位的凸凹模存在间隙，冷却速率相对较低，如图14所示。
由于制件冷却不均匀会导致马氏体转变不均匀，从而导致制件部分区域强度较低，根据板料温度变化规律，适当降低压料块的冷却速率，提高立壁部位的冷却速率，保证制件整体冷却的均匀性。
图15 B柱成形后马氏体分布
图16 B柱成形后抗拉强度分布
图17 B柱成形后维氏硬度分布
以制件最终温度为定量，以保压时间为变量，分别取保压时间为6、8、10、12s，分析得到不同的冷却速率为100、80、60、40℃/s。以制件在不同温度的导热系数和制件最终温度为定量，计算得出B柱最佳的保压时间为8s，即冷却速率为80℃/s。仿真结果如图15~图17所示，成形后制件马氏体转变率平均达到95%以上，抗拉强度平均不低于1450MPa，平均维氏硬度不低于480HV，模拟结果均满足超高强钢热冲压工艺国家标准。
为满足批量化生产要求，提高生产效率，在保证板料转移时间为3s的前提下，合理调整模具冷却管路，保证模具中制件在马氏体相变区域冷却速度约为75℃/s，将保压时间优化到6s，使奥氏体组织转变为均匀马氏体组织。
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