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[汽车用钢] 高强度钢成形技术及车身轻量化应用

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发表于 2021-7-19 11:02:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
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高强度钢成形技术及车身轻量化应用
罗培锋,杨万庆,陈东,吕奉阳
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东 广州 511434)
摘 要:高强度钢是车身轻量化的主要材料,高强度钢成形技术是其在车身上应用的关键。文章在介绍高强度钢分类的基础上,综述了冷冲压成形、热冲压成形、辊压成形、液压成形、变厚板成形技术的工艺原理、技术特点和发展动态,简述了高强度钢在国内外车身轻量化项目及欧洲车身会议上的应用。
关键词:高强度钢;成形技术;车身轻量化
前言

根据GB 27999—2014《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》,2020年生产的乘用车百公里平均燃料消耗量由6.9L降至5.0L[1]。研究表明,2020年中国市场推出的新车,质量每降低100kg,百公里油耗降低0.445L[2]。车身轻量化是节能减排的有效手段。车身轻量化途径主要包括三个方面:轻量化材料应用、结构优化设计和先进制造工艺。轻量化材料的主要研究方向有两个,一是采用低密度材料替代钢铁材料,如铝合金、镁合金、塑料和复合材料等;二是使用高强度钢降低料厚实现轻量化[3]。由于高强度钢具有优异的性价比、先进的成形工艺和长期积累的制造技术优势,同时考虑到整车研发效率和成本因素,决定了当前阶段车身轻量化技术的主要方向是高强度钢及先进成形技术的开发和应用[4]。

1 高强度钢分类1.1 按强度分类

国际钢铁协会按屈服强度进行分类,将屈服强度在210~550MPa范围内的钢定义为高强度钢,屈服强度在550MPa以上的钢定义为超高强度钢。日系汽车一般按抗拉强度进行分类,将抗拉强度在340~780MPa范围内的钢定义为高强度钢,抗拉强度在780MPa以上的钢定义为超高强度钢。

1.2 按强化机理分类

根据强化机理的不同,高强度钢可分为普通高强度钢和先进高强度钢。普通高强度钢以固溶强化、析出强化和细化晶粒等为主要强化手段。普通高强度钢主要包括高强度无间隙原子钢、各向同性钢、烘烤硬化钢、低合金高强度钢、含磷高强度钢、碳锰钢等。先进高强度钢主要通过相变进行强化,组织中含有马氏体、贝氏体和残余奥氏体。先进高强度钢具有较高的强塑积,具有更高的轻量化潜力。汽车用先进高强度钢主要有双相钢、复相钢、相变诱发塑性钢、马氏体钢、孪晶诱发塑性钢、淬火配分钢、热冲压硼钢、中锰钢等。

1.3 按发展历程分类

按发展历程,先进高强度钢可分为第一代、第二代和第三代先进高强度钢。第一代先进高强度钢主要以铁素体为基体,包括双相钢、多相钢、相变诱发塑性钢、马氏体钢等;第二代先进高强度钢主要以奥氏体为基体,包括孪晶诱发塑性钢、轻质诱发塑性钢和剪切带强化钢等;第三代先进高强度钢从多相化、亚稳化、多尺度化等方面进行微观组织调控,包括淬火配分钢、中锰钢等。

2 高强度钢成形技术2.1 冷冲压成形

冷冲压成形是在室温条件下,利用凸模对金属板料施加外力,使板料按照预定的形状发生分离或塑性变形的传统板料成形工艺[5]。分离工序包括落料、冲孔、剪切;成形工序包括弯曲、拉深、翻孔、翻边、胀形、扩口、缩口等。冷冲压成形的特点是模具工艺成熟、生产线成本较低、自动化生产效率高、零件尺寸精度高、产品覆盖范围广,适用于车身覆盖件、车身结构件,如翼子板、侧围外板、地板等。冷冲压成形技术的发展趋势是冲压材料由软钢和普通高强度钢向先进高强度钢扩展,冲压设备采用大型多工位压力机,自动化智能柔性冲压生产线取代半机械化流水生产线[6]。与传统冷冲压相比,高强度钢冷冲压成形存在冲压成形性差、回弹严重、冲压模具受力恶劣等问题[7]。为了克服这些缺陷,除了优化改进冷冲压成形工艺,还需要开发新的高强度钢成形技术。

2.2 热冲压成形

热冲压成形是一种将钢板加热至内部金相组织完全奥氏体化后,进行高温冲压,并通过保温状态下的模具冷却,使得零件内部奥氏体组织转化为马氏体,从而得到高抗拉强度的零件加工技术。热冲压成形工艺原理如图1所示[8],主要包括落料、加热、转移、热冲压、模具淬火等。

图1 热冲压成形工艺原理

热冲压成形的特点有:板材在高温下塑性好,成形能力强;回弹小,尺寸精度高;零件成形后强度和硬度等性能大大提高,表面硬度可达到50HRC以上,抗拉强度可达到1500MPa以上;减重效果明显,使用热冲压件可使板材的厚度减少30%以上[9]。

热冲压成形技术的发展趋势是变厚度、变强度和低温化。热冲压材料由等厚板向变厚板发展,变厚板包括轧制差厚板、激光拼焊板、补丁板等。热冲压零件性能由等强度向性能梯度分布发展,实现热性能梯度分布热冲压成形技术的方法有控制钢板初始加热温度、模具冷却速度、改进模具材料和模具与成形件接触面积等。性能梯度分布热冲压成形对于精确成形、轻量化、高性能、短流程、低成本、环境友好有着重要的作用,是热冲压成形技术发展的重要方向[10]。

与传统热冲压成形相比,低温预冷热冲压成形增加了预冷工序,如图2所示。研究表明,采用22MnB5钢低温预冷热冲压生产的B柱,零件厚度分布、力学性能和显微组织均优于传统热冲压工艺,同时可以降低模具淬火温度提高模具寿命,缩短冲压周期提高生产效率[11]。

图2 低温预冷热冲压成形

与传统热冲压22MnB5钢相比,在获得1500MPa抗拉强度时,中锰钢温成形技术的加热温度可降低到800℃,较传统热冲压成形工艺降低150℃,微观组织明显细化,表面无明显脱碳,塑性明显提高[12],断后伸长率提高30%以上,同时提高零件的表面质量[13]。

2.3 辊压成形

辊压成形是将卷材、带材通过多组顺序配置并且渐变的成形轧辊,不断地进行横向弯曲,加工成所需的特定断面零件的成形工艺[14]。辊压成形工艺原理如图3所示。辊压成形技术的主要特点是生产效率高、适合大批量生产、加工产品的长度基本不受限制、可实现连续化生产、可较好地控制回弹、成形产品表面质量好、尺寸精度高、生产线中可集成冲孔焊接等工艺、材料利用率高,较其他工艺节约材料15%~30%、生产过程噪音低污染小[15]。

图3 辊压成形工艺原理

辊压成形技术的发展方向有:等截面辊压成形向变截面柔性辊压成形发展,传统冷辊压成形向热辊压成形发展。变截面柔性辊压成形技术克服了等截面零件的应用局限,可以生产变截面的复杂零件,扩大了辊压成形技术的应用范围。图4是三维柔性辊压设备,图5是变截面柔性辊压成形零件,零件截面尺寸在宽度和深度方向可变[16]。

图4 柔性辊压设备

图5 变截面柔性辊压成形零件

热辊压成形工艺可以提高高强度钢纵截面形状尺寸精度。室温25℃冷辊压成形和600℃热辊压成形的方管纵截面弯曲度的变化对比如图6所示。方管长度为1000mm,方管标准高度为40mm,两端最大翘曲处与标准高度的距离即为方管弯曲度。25℃冷辊压成形,方管两端的翘曲高度分别为6.02mm和6.62mm;600℃热辊压成形,方管两端位置的翘曲高度分别为0.74mm和0.71mm,方管纵截面弯曲度得到显著改善[17]。

图6 高强度钢方管纵截面弯曲度

2.4 液压成形

液压成形根据金属坯料的不同可分为管材液压成形、板材液压成形、壳体液压成形三类。管材液压成形一般也称为内高压成形,是以管材为坯料,在内压和轴向补料联合作用下,将管材成形为所需形状的先进制造技术[18]。管材液压成形的工艺过程如图7所示,包括模具准备、放入管件、合模、充液排气、密封加压、增压成型等阶段[19]。管材液压成形以空心替代实心、以变截面取代等截面、以封闭截面取代焊接截面,与冲焊件相比可减重15%-30%,且可大幅提高零件的刚度和疲劳强度。

板材液压成形是采用液体介质代替刚性模具传递载荷,使板材在液体介质的压力作用下贴靠凸模或凹模,通过控制流体介质的压力和压边力使板材成形为所需形状的曲面零件[20]。板材液压成形具有成形极限高、尺寸精度高、工艺可控、制造成本低等优点,在高精度、复杂形状、薄壁曲面件的成形方面显示出巨大的潜力。板材液压成形新技术主要有径向主动加压充液拉深、预胀充液拉深、正反向加压充液拉深、双板成对液压成形[21]、板材充液热成形[22]、板材充液冲击成形等[23]。

图7 管材液压成形工艺过程

壳体液压成形是在封闭壳体内充满液体介质,并通过一个加压系统向封闭壳体施加内压,使壳体产生塑性变形而逐渐趋向于目标壳体的成形方法[24]。壳体液压成形,也称为无模液压胀形,不需要模具和压力机,是一种高柔性、低载荷、低投入、高效率的成形技术。壳体液压成形从单层球形容器逐步发展到双层球壳、不等厚球壳、椭球壳、环壳和多面壳体等[25]。图8是典型的壳体液压成形零件[26]。

图8 壳体液压成形零件

2.5 变厚板

变厚板可分为轧制差厚板、激光拼焊板、补丁板等。轧制差厚板是通过实时调整轧机的轧辊缝隙,而生产出的一种厚度连续变化的变截面钢板。轧制差厚板工艺原理如图9所示[27]。轧制差厚板没有焊缝和焊点,厚度变化均匀,表面质量好,厚度变化区的连接强度高。轧制差厚板适用于需要局部加强、厚度减薄和提高材料等级的零件,可以使零件的重量显著降低。图10是五段式和三段式差厚仪表板管梁示意图,五段式和三段式方案均能满足仪表板管梁性能要求,五段式方案轻量化效果最优,减重幅度达13.18%,三段式方案便于轧制及过程控制,减重幅度为8.1%[28]。

图9 轧制差厚板工艺原理

图10 五段式和三段式差厚仪表板管梁

激光拼焊板是将不同表面处理、不同钢种、不同厚度的钢板采用激光焊接技术组合成毛坯件[29]。最初用于提供超大尺寸坯料,解决市场现有钢板尺寸不足的问题。激光拼焊板可以具有不同的厚度、材质、表面涂层,可以减少零件的数量、减轻零件的质量、降低生产成本,提高材料利用率,增加结构的整体性和尺寸精度[30]。图11是采用激光拼焊板生产的一体式热冲压门环。

图11 激光拼焊一体式热冲压门环

补丁板一般采用点焊将两种不同形状尺寸的钢板进行焊接再进行热冲压成形[31]。补丁板热冲压成形技术可以在提升车身性能的同时,降低重量和制造成本,是实现车身轻量化的一项先进技术。图12是采用补丁板热冲压成形技术生产的某车型前纵梁后段。

图12 前纵梁后段

3 高强度钢在车身轻量化上的应用3.1 国际钢铁协会轻量化车身项目

为了推进高强度钢在汽车上的应用,国际钢铁协会组织开展了多个项目,包括超轻钢制车身(ULSAB)、先进概念车超轻钢制车身计划(ULSAB-AVC)、未来钢制汽车(FSV)等。ULSAB项目主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。ULSAB车身重量203kg,与对标车相比减重25%,高强度钢应用比例91%。冷冲压成形应用比例42.8%,激光拼焊板应用比例44.9%,液压成形比例9.3%。ULSAB-AVC通过车辆的整体设计来实现车身的轻量化,高强度钢的应用比例达到97%。在成形技术方面,有30%以上的零件采用激光拼焊板,20%以上的零件采用液压成形技术。

FSV项目表明先进高强度钢能够达到碰撞安全五星评价的要求,并降低车辆在整个使用周期内的总排放量,在不增加成本的条件下实现轻量化。其中FSV BEV在车身结构方面大量采用高强度钢,高强度钢应用比例达到97.4%,与对标车相比减重25%。FSV项目采用了热冲压成形、液压成形、辊压成形、激光拼焊板、变截面轧制差厚板等先进成形技术,应用比例59%。

3.2 安赛乐米塔尔S-in motion项目

S-in motion是通过先进高强度钢轻量化解决方案,实现保持甚至提高碰撞安全性的高性价比的减重,进而推广安赛乐米塔尔高强度钢在汽车上的应用。S是Steel、Saving weight、Saving cost、Sustainability、Safety、Service、Strength、Solution的英文首字母,意为钢铁材料为汽车用户提供安全、轻量化、低成本、满足可持续发展的全面解决方案[32]。安赛乐米塔尔在汽车板方面的优势在于激光拼焊板,S-in motion项目提供了激光拼焊前纵梁、激光拼焊上纵梁、激光拼焊一体式热冲压门环的车身轻量化解决方案,车身材料采用DP780、DP980、DP1180、CP800、CP1000、Usibor1500等高强度钢。以北美市场典型中高级轿车为例,对标车型高强度钢应用比例为68%,通过S-in motion解决方案,如图13所示,高强度钢的应用比例达到74%,可以实现100kg的车身减重,减重比例达到28%。

图13 S-in motion轿车解决方案

3.3 蒂森克虏伯InCAR项目
表1 InCAR B柱解决方案与对标车对比

InCAR项目是蒂森克虏伯的菜单式轻量化解决方案,对车身、悬架、动力总成3大系统的16个主要部件进行了轻量化设计,针对每一个部件,给出了1种以上解决方案,每一种解决方案都标明了对标车的用材和重量,InCAR解决方案的用材、重量、成本和排放情况,用户可以根据应用目的、生产和工艺条件选择不同的解决方案。表1为InCAR项目B柱解决方案与对标车的对比。对标车采用厚度2.2mm和2.0mm的DP-W600钢。InCAR给出了6种不同的B柱方案,每一种方案针对不同的用材,减重、降本和减排效果也不相同,用户可根据自身情况选择使用。

3.4 浦项PBC-EV项目

车身长/宽/高(mm) ..................................4543/2059/1196

图14 PBC-EV白车身材料分布情况

3.5 宝钢超轻白车身项目

宝钢超轻白车身(Baosteel Car Body,BCB),是宝钢按照汽车设计流程和规则,整合新材料、新工艺和新结构优化技术而完成的白车身,如图15所示。BCB白车身重量284kg,轻量化系数2.7。车身材料全面采用宝钢第一、第二、第三代先进高强度钢,包括最新开发的MS1500、B1800HS、TWIP950、QP1180等新材料,高强度钢应用比例77%。采用热冲压成形、液压成形、辊压成形、轧制变厚板和激光拼焊板等先进成形技术。

图15 宝钢超轻白车身

3.6 欧洲车身会议高强度钢应用

欧洲车身会议(EuroCarBody,ECB),是车身轻量化领域的顶级峰会,展示了白车身最新设计理念和轻量化技术应用成果,代表着全球汽车车身发展趋势。统计近十年(2009- 2018)ECB车身材料应用情况,钢材应用比例76.1%,铝合金应用比例19.6%,其余材料应用比例4.3%,可以看出钢材是车身轻量化的主要材料。对钢材应用情况进一步分析,2009-2018年ECB车身钢材应用变化曲线如图16所示,软钢及普通高强度钢应用比例呈现波动下降趋势,先进高强度钢的应用比例呈现波动上升趋势[34],说明高强度钢尤其是先进高强度钢在车身轻量化应用方面具有很大的发展潜力。

图16 ECB车身钢材应用变化曲线(2009-2018)

4 结论

车身轻量化是节能减排的有效途径。高强度钢由于强度高、成本低、疲劳耐久性和碰撞安全性高成为车身轻量化的主要材料。高强度钢成形技术是其在车身轻量化应用的关键。超高强度钢冷冲压成形、低温热冲压成形、性能梯度分布热冲压成形、变截面柔性辊压成形、热辊压成形、内高压成形、变厚板成形等是高强度钢成形技术的重要方向。高强度钢及其成形技术已经在国内外多个轻量化项目中得到广泛应用,在减重降本、节能减排、提高安全性和可靠性方面具有明显优势,随着高强度钢新材料及先进成形技术的发展,高强度钢必将在车身轻量化应用中发挥出更大的作用。


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