汽车钢板成形技术

Simulation and Analysis of Hydroforming Process

车身制造技术新发展
Advantage of Hydroforming Process

车身制造技术新发展

辊压成形

车身制造技术新发展

热冲压成形

车身制造技术新发展
1300~1800 热冲 压后
500~700 原板
侧围、立柱、车门内板、纵梁、地板等16个零件采 用激光拼焊板后白车身零件数减少20%，减重25%

车身制造技术新发展
激光拼焊板技术的应用： （具备产业化生产的能力）

车身制造技术新发展
Forming Simulation and Analysis of TWB

车身制造技术新发展
采用激光拼焊钢板冲制的汽车零件

0.148

0.155

0.15

0.134

• 胀形工序实验0.评108 估 0.1

• 绘制成形极限图 0.05

• 翻边工序实验评估 0

热镀锌

电镀锌

预磷化电镀锌

锌铁合金

¾ 摩擦试验

• 抗凹性实验评估

• 材料高速性能评估

冲压基本工序及模拟成形性能评 价方法
• 拉伸工序实验评估 • 胀形工序实验评估 • 绘制成形极限图 • 翻边工序实验评估 • 摩擦实验 ¾ 抗凹性实验评估 • 材料高速性能评估

车身用高强钢发展趋势
汽车车身结构中，需要提高强度且能够应用高强钢 的零件如下：
9 白车身系统中的A柱加强板、B立柱加强板、C柱加 强板、防撞杆（梁）、保险杠、中央通道、车顶 加强梁等
9 底盘系统中的结构件、连接件，如前轴杆、后轴 杆等

常规成型工艺面临的困难和缺陷
钢板强度提高后，给普通的成型工艺带来以下困难： 9 钢板由于表面硬度提高对模具表面的磨损增大，

B柱加强板吸收内能(J)
位移(mm)

B柱加强板碰撞仿真模型

3000000

2500000

2000000

1500000

1000000 500000

传统高强钢 特殊高强钢

0

0.00
成形方式：胀形 主要质量问题：开裂/减薄 试验方法：杯突、半球胀形 评价指标：IE、LDH0
成形方式：弯曲 主要质量问题：回弹 试验方法：弯曲 评价指标：Rmin/t
成形方式：翻边 主要质量问题：
外翻边：起皱 内翻边：开裂 试验方法：扩孔 评价指标：λ

汽车板的全面评估技术 • 基本成形性能评价 • 模拟成形性能评价 ¾ 其它材料性能评价
• LDH • 镀层

模具因素
• 坯料在模具中位置 • 耐磨护板的公差 • 模具对中 • 模具抛光—粗糙度/打磨
方向
• 模具所用材料及刚度 • 表面处理—类型/深度/硬
度 • 拉延筋—位置/类型/深度
/尺寸
• 模具所有圆角半径 • 间隙 • 模具擦划伤

坯料因素 • 坯料尺寸 • 坯料形状 • 上料机械手位置

简单部件的连接 锻造和板料成形

车身用材

木材 钢铁

复杂零件 钢铁

复杂大型零部件 拼焊板成形 液压成形 热成形
先进高强钢 高强铝合金 镁合金 塑料

板料成形的基本因素

薄板成形性的影响因素

材料因素 • 厚度 • 标准规定宽度 • 屈服强度 • 抗拉强度 • 屈服延伸 • 总延伸率 • n值 • r值 • 表面形貌 • 油品---品种和用量

零件的可制造性评估技术
有限元技术辅助设计分析

车顶：转角圆角需要放大

发罩内板：4个危险区域需要外形更改

行李箱盖内板：零件或工序需要较大改进

行李箱盖外板：OK

车身制造技术新发展
激光拼焊板应用实例 -ULSAB（超轻车身项目）
ULSAB
Ultra Light Steel Automobile Body

在成形试验机上采用直径为100mm刚性半

球形凸模对试样进行冲压，试样置于凹

模和压边圈之间，压边力的选择宜将试

样压死不流入为适当。

Advanced Table Model

Advanced Target Model

冲压基本工序及模拟成形性能评 价方法
• 拉伸工序实验评估

• 胀形工序实验评估

• 绘制成形极限图
9 热成型技术发展和应用
热成形是一种采用对专用的热成形钢进行高温成形得到超高强零件的制造 技术。
9 激光拼焊板技术发展和应用
按照结构需要或板料规格需求合理设计、优化选用板料。
9 滚压成形…… ‹ 它们是传统成形工艺无法达到的，目前公认的有效的汽
车轻量化和提高安全性能的先进成形方法。

主要内容
一、汽车用钢板及制造技术发展 二、冲压基本工序及模拟成形性能评价方法 三、重点工作、先进成型技术介绍 四、实际案例分析讨论及交流
对不同材料的高速动态特性进行评估 （CR,HSLA,DP,BH,TRIP等等）

• 翻边工序实验评估

• 摩擦实验

• 抗凹性实验评估

¾ 材料高速性能评估

冲压基本工序及模拟成形性能评 价方法
• 拉伸工序实验评估

• 胀形工序实验评估

• 绘制成形极限图

• 翻边工序实验评估

• 摩擦实验

• 抗凹性实验评估

¾ 材料高速性能评估

高速拉伸试验

冲压基本工序及模拟成形性能评 价方法
• 拉伸工序实验评估 • 胀形工序实验评估 • 绘制成形极限图 • 翻边工序实验评估 • 摩擦实验 • 抗凹性实验评估 ¾ 材料高速性能评估
高速压溃试验

主要内容
一、汽车用钢板及制造技术发展 二、冲压基本工序及模拟成形性能评价方法 三、重点工作、先进成型技术介绍 四、实际案例分析讨论及交流

0.1
267

0.2

0.3

0.4

dent depth（mm）

2Baidu Nhomakorabea5

215

198

0.
BH BP BIF ST14

dent load（N）

150

100 50

0

冲压基本工序及模拟成形性能评

价方法

• 拉伸工序实验评估 • 胀形工序实验评估 • 绘制成形极限图

构建考虑应变率效应的材料本构关系，进行 高速碰撞时获取精确结果；
互动因素 • 材料温度 • 模具温度 • 气候条件 • 止动块垫片

车身用高强钢发展趋势
目前国内轿车发展趋势和制约条件体现在两个方面：
一、国内正碰法规和侧碰法规的出台，导致轿车车身结构向高强度 发展，能够成型且更高强度的汽车结构件得到了青睐
二、随着环境保护、能源紧张等因素的影响，消费者越来越青睐低 排量、大马力的节能型轿车

140

120

实验室测定

100

的材料成形

80

颈缩断裂区

极限曲线

60
临界区
40
安全
20

0

-40 -30 -20 -10

0

10

20

30

40

工程次应变 e2 (%)

考虑10％安 全裕度后的 材料成形极 限曲线

零件冲压成形试验评估技术
Engineering Application of CGA (Circle Grid Analysis) Technology （应用于模具认证的网格试验和安全裕度分析）

冲压基本工序及模拟成形性能评

0.8

• 拉伸工序实验评估

0.7

价方法

dent load（kN）

0.6

• 胀形工序实验评估

0.5

0.4

• 绘制成形极限图

0.3

BH BIF

0.2

• 翻边工序实验评估

0.1

BP ST14

• 摩擦实验 ¾ 抗凹性实验评估 • 材料高速性能评估

0 0
500 450 400 350 300 250 200

车身制造技术新发展
热冲压成型技术的应用： 1）具有800T的热冲压成型技术的研发设备 2）正在进行产业化的准备工作 3）在防撞杆、B柱等零件上的应用能够提高整车的侧碰性能

车身制造技术新发展
Simulation and Analysis of Hot Stamping Process

热成形零件对碰撞的影响
‹ 这两个因素的直接导致汽车用钢板强度的提升和相应的零部件制造加工 工艺的变革
目前汽车轻量化和提高安全性能主要采用二种方法：
一、新材料，如采用高强度钢板，通过冲压成形得到所需零件，在 钢板厚度减薄的同时大幅提高零件的强度和刚度
二、结构，对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面构件， 既可减轻汽车质量，又可充分利用材料的强度和刚度，提高安全 性能。

• 旋转弯曲或拉平 • 边部状态 • 预弯 • 清洗剂类型和用量

冲压工艺因素 • 冲头导轨 • 冲头与冲床的平坦度与平行度 • 冲头加载曲线 • 外滑块（压边）载荷—四个角
的压边力和总压边力 • 内滑块（冲头）载荷—四个角
的压边力和总压边力 • 闭合高度 • 气压 • 反向平衡压 • 压机刚度 • 压机类型 • 冲压所用润滑

板料成形的基本性能

汽车板的全面评估技术 ¾ 基本成形性能评价 • 模拟成形性能评价 • 其它材料性能评价

• 基本成形性能评价指标：
屈服强度σs 、抗拉强度σb 、屈 服延伸δY、均匀延伸δm、总延伸率δ、 n值、r值、K值、Δr值

• 试验方法： 单轴拉伸试验

• 常用试样类型： JIS 5#，JIS 13#A，ASTM

坯料外部环形部分是变形 区， 底部通常是不参加变 形的不变形区。 主要质量 问题：拉裂、 起皱。

• 材料高速性能评估

试验方法：圆筒拉深 （冲杯）
评估指标：LDR

冲压基本工序及模拟成形性能评 价方法
• 拉伸工序实验评估

¾ 胀形工序实验评估

• 绘制成形极限图 • 翻边工序实验评估 • 摩擦试验 • 抗凹性实验评估 • 材料高速性能评估
汽车钢板成形技术
宝钢研究院 吴磊 2007年12月

主要内容
一、汽车用钢板及制造技术发展 二、冲压基本工序及模拟成形性能评价方法 三、重点工作、先进成型技术介绍 四、实际案例分析讨论及交流

一、汽车用钢板

汽车用材及制造技术的演化

20世纪初

20世纪中期

21世纪初

车身设计 框架设计

部件车身

部件车身

制造工艺

板料成形的基本性能
• 镀层粘附力 • 摩擦系数 • 抗凹陷性 • 变形刚度 • 回弹特性 • 疲劳性能 • 耐撞击性能 • ……………

冲压基本工序及模拟成形性能评 价方法
¾ 拉伸工序实验评估

• 胀形工序实验评估

• 绘制成形极限图

• 翻边工序实验评估 拉深变形工艺和应变状态

• 摩擦试验 • 抗凹性实验评估

零件冲压成形试验评估技术
变形安全裕度
• 网格应变分析技术 • 厚度应变分析技术 • 有限元分析技术

零件冲压成形试验评估技术

基于网格应变分析的变形安全裕度评价

汽车厂
在坯料上腐蚀 出圆形网格
坯料冲压 成零件
测量零件上危险 区域的应变分布
实冲零件上 的应变分布

工程主应变 e1 (%)

钢厂实验室
制作成形极限图

常规成型工艺面临的困难和缺陷

‹成形开裂

‹回弹量大 ‹型面偏移
‹表面处理

常规成型工艺技术及其发展
传统工艺加工高强度钢板的缺陷和难度逐渐暴露，人们越 来越多的寻找更适于高强钢加工的先进成型工艺。其 中，内高压成型技术和热成型技术得到了长足的发展：
9 内高压成型技术发展和应用
内高压成形是一种采用对管件进行高压成形得到空心变截面轻体构件的制 造技术

液压成形的概念
管件液压成形

车身制造技术新发展

板材液压成形

车身制造技术新发展
管件液压成形在汽车行业的应用

车身制造技术新发展
液压成型（Hydroforming）技术的应用： 1）具有5000T的液压成型技术的研发设备 2）正在进行产业化的准备工作 3）在副车架等零件上的应用能够实现减重、降成本

车身制造技术新发展

胀形变形工艺和应变状态
塑性变形局限于某一固定区域 内， 成形靠表面积增大实现， 因此毛坯厚度减薄， 变形区处 于双向应力拉伸状态， 不会出 现失稳起皱的现象，表面质量 好。

试验方法：杯突 评估指标：IE
试验方法：极限拱顶高 评估指标：LDH0

冲压基本工序及模拟成形性能评

¾ 绘制成形极限图

实验设备

价方法
因此需要对模具表面进行特殊处理 9 随着钢板强度的提高，成型阻力增大，模具受力
状态发生变化，因此需要能够承受具力而不发生 变形的模具材质 9 高强度钢板的成型规律和硬化规律易于常规钢 种，因此需要更新成型工艺 9 高强钢零件的回弹量大且难以控制，为达到汽车 装配要求，需要更加严格和有效的精度控制手段

¾ 翻边工序实验评估

• 摩擦试验

翻边变形工艺和应变状态

• 抗凹性实验评估 (a)收缩型翻边 • 材料高速性能评估 (b)伸展型翻边

试验方法：扩孔试验 评估指标：λ
(a) 圆锥冲压法 (b) 平底凸模法

摩擦系数

冲压基本工序及模拟成形性能评

0.2

价方法

• 拉伸工序实验评估 V=3000mm/min,P=25MPa

汽车板的全面评估技术 ¾ 基本成形性能评价 • 模拟成形性能评价 • 其它材料性能评价

板料成形的基本性能

汽车板的全面评估技术 • 基本成形性能评价 ¾ 模拟成形性能评价 • 其它材料性能评价

板料成形的基本性能
成形方式：拉深（深拉延） 主要质量问题：拉裂、起皱 试验方法：圆筒拉深（冲杯） 评价指标：LDR