顶盖前边梁加强板作为重要的承力件，传统冷冲压工艺生产的零件强度较差， 在车辆发生翻滚时，不能对人员进行有效保护，所以文中对顶盖前边梁加强板进行热成形工艺研究， 有效提高零件的强度，为该零件生产工艺提供理论基础。

  1 、热成形工艺

  超高强度钢板热冲压工艺是将超高强度钢板加热到奥氏体化温度以上，适当保温后，快速移动到模具上并快速冲压，成形的同时进行淬火冷却，最后获得超高强度热冲压件的一种成形工艺。

图 1 热冲压生产工艺路线及量产线

  2、有限元分析

  2.1 模型搭建： 图 2 是某汽车顶盖前边梁加强板，零件整体尺寸 为 1781 mm×575 mm×275 mm，零件整体结构细长， 并且两端不规则，局部拔模角度较小。该零件厚度为 1.2 mm，材质选用 HS1300T/950Y进行冲压数值模拟， HS1300T/950Y 高强板的密度为 7370 kg/m，膨胀系 数为 1.3×105 K1 ，弹性模量为 105 GPa，泊松比为 0.3，体积热容为 4.37 mJ/(mm3 ·K)，20 ℃下的热传导 系数为 20 W/(m2 ·K) ， 950 ℃ 下的热传导系数为 75 W/(m2 ·K)，库伦摩擦因数为 0.35，抗拉强度为 666 MPa，伸长率为 19%。

  在 UG 中对该零件进行工艺模面补充，通过 IGS 格式导入软件，并应用软件默认尺寸精度对产品和工 艺模面进行自适应网格划分。如图 3 所示。

图 3 零件工艺补充和有限元网格划分

  2.2 有限元模拟实施路线 通过分析，该零件成形所需工艺路线为：板料加热（加热温度超过亚共析钢奥氏体化临界温度以上， 使其充分奥氏体化、零件成形（定义模具工具体及其运动方式）、淬火（均匀快速冷却使奥氏体转变 为均匀板条状马氏体）、激光切割落料（由于淬火后 零件硬度较高只能通过激光切割实现产品最终结构）。图 4 为工艺模拟实施路线。

图 4 有限元模拟工艺路线

  该零件模拟分析中对冲压速度分别设置为 50， 100，150，200，250 mm/s，研究冲压速度对成形的 影响，根据初始成形温度对热冲压件力学性能的研究 表明，板料初始成形温度为 750~850 ℃时，钢板的抗拉强度和硬度会明显提高，所以设置钢板加热温度 为 900~930 ℃，板料转移时间设置为 3 s；分别设置保压力为 500，800，1000，1500 kN，研究压力对冷 却速率的影响，由于冷却时需要保证马氏体转变初始 温度（大约 200 ℃），所以设置板料最终温度为 85 ℃。2.3 有限元模拟过程和成形结果分析 模型采用单动模具拉延类型，冲压过程中凸模、 凹模设置为刚体，板料为三维可变形实体，通过反算功能计算零件展开初始板料尺寸，并将单边扩大 5 mm 作为料片尺寸。图 5 所示为冲压开始阶段各个工具体的位置状态，由于加热后板料较软，凸模的最高点与最低点落差较大，所以板料转移至凸模时会产生位置偏移和倾斜，需要在凸模的 4 个方向增加板料定位约束，如图 5 所示。

 图 5 冲压初始阶段

  顶盖前边梁加强板较窄侧位于零件最低点，并且存在轻微转角，所以零件在到底前 10 mm 时出现剧烈褶皱，如图 6 所示；并在到底前 3 mm 出现叠料，

  如图 7 所示。该结果是因为最低点翻折成形时与旁边 台阶出现叠料，所以需要对此处模面优化的同时增加压边圈，用来拖料，控制材料的流动

  因为板料尺寸较小，增加压边圈后起不到拖料的 作用，所以需要相应的增大板料尺寸，如图 8 所示， 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 1.26 mm，控制较窄处板料 流动，使板料均匀流出，从而解决叠料问题。

  增加压边圈后叠料起皱问题得以解决，零件成形 过程如图 9 所示，分别为板料重力状态（便于板料定 位设计）、凸模接触板料、到底前 30 mm 状态、到底 前 10 mm 状态、到底前 3 mm 状态（无明显起皱）、 到底状态（无开裂现象）。优化数值模拟结果显示，顶盖前边梁加强板成形 性良好，其厚度和减薄分布如图 10—11 所示，厚度 分布集中在 1.18~1.21 mm 附近，减薄最大不超过 5%， 厚度整体分布均匀。由于增加了压边圈拖料，所以加热后的板料转移 到压边圈上时，与压边圈接触的板料最先进行热传 导，当压机速度为 200 mm/s 时，凹模下降到与压边 圈接触需要 1.6 s 左右，接触压边圈的板料温度冷却 较早，比未接触压边圈的板料温度低 100 ℃左右，如 图 12 所示；随着凹凸模闭合，零件整体冷却速率基 本一致，当零件成形保压淬火阶段结束时，零件温度 基本降到 260 ℃左右，与压边圈接触的位置板料温度 在 140 ℃左右，如图 13 所示。零件的不均匀冷却会导致马氏体转变不均匀，从 而导致零件部分区域强度较低，所以根据板料温 度变化规律，应当适当提高压机快降速度，保证凹 模与压边圈快速闭合，同时当板料放置在压边圈时可以降低压边圈上冷却水流速，当成形淬火阶段再 提高冷却水流速，这样就能保证零件整体冷却 的均匀性。成形仿真结果如图 14—16，成形后零件马氏体转变率平均达到 98%以上，抗拉强度平均不低于 1400 MPa，维氏硬度平均不低于 HV475，模拟结果 均满足超高强钢热冲压工艺的国家标准要求[15]。结合仿真模拟工艺进行零件试制，模拟分析的目 的是为了生产加工应用，通过模拟分析选择最优生产工艺，才能为现场生产提供有利依据，零件最终试制 结果如图 17 所示。

  3 、结论

  试验表明，顶盖前边梁加强板热成形工艺需要增加拖料体，以控制材料流动，并且需要对冷却水流速度进行智能调节，才能保证冷却的均匀性，提高零件 的整体性能，分析表明经过该热成形分析方法，可达到性能要求，并满足批量化生产，为同类型零件热成形分析提供了技术指导。