B柱热成型冲压工艺详解：从加热到冷却的完整流程与技术要点

B柱的冲压成型工艺

1. 热成型技术介绍

1.1 热成型原理

先用抗拉强度在 400 至 600MPa 范围的硼钢，通过冷冲压落料或者剪板机下料，做出初始坯料。接着把初始坯料放进加热炉里，加热到接近 AC3 线的温度，让其充分奥氏体化。然后迅速移到压力机中，利用带有冷却系统的模具快速合模、成形，并且保压冷却到 100 至 200℃。最后进行室温冷却，这样就能形成抗拉强度可达 1500MPa 的马氏体组织产品件。图1为热冲压工艺流程图。

图1 热冲压工艺流程图

1.2 工序件后处理

后处理主要包含镭射、抛丸、表面处理等方面。镭射用于对修边线、孔等进行激光切割。由于镭射成本较高且效率偏低，对于精度要求不高的止口，可以通过落料及热成型过程来进行控制。抛丸的主要作用是去除冲压件表面的氧化皮，从而得到表面质量较高的产品件。表面处理包含涂油、电泳等类别。所使用的防锈油需达成防锈目标，同时不能对白车身涂装造成影响。借助电极离子吸附原理，能让涂料均匀地吸附在产品表面，以此实现产品具备完美外观以及耐酸碱防腐的特殊性能。

2. 基于产品的工艺分析

2.1 翻边工艺

热成形零件翻边时，拉延 - 法兰边区域存在很高的起皱、开裂倾向。外凸翻边的最终线长度比初始长度短，从而产生压缩法兰边，这种情况容易引发起皱和叠料，并且起皱的趋势会随着翻边高度的增加而增大。内凹翻边属于伸长类翻边。它会产生拉伸法兰边。在成形过程中，竖边的长度会被拉长。当变形程度过大时，竖边边缘的切向伸长和厚度减薄就会比较大，从而容易发生拉裂。

法兰边高度越高，拉伸失稳的情况就越明显。不管是外凸翻边，还是内凹翻边，都需要降低翻边的高度和曲率。总体而言，热成形的 B 柱最好不要有翻边，特别是 90°的翻边特征，像翻孔（图 2a）这种情况。在翻边特征转角很急的时候进行缺口改进，这样可以避免局部堆料或者开裂（图 2b）。

2.2 拉延工艺

2.2.1 拉延深度

图2 翻孔与翻边缺口

降低拉延深度，并且要让成形深度尽可能一样，这样就能够用一次拉延成形，避免进行多道次拉深。在冷拉深成形过程中，零件容易在凸模圆角处发生开裂。而在热拉深成形时，板料与模具会在凸凹模圆角处先接触（如图 3 所示），这会使得这些部位先冷却硬化，变形抗力随之增大。变形会转移到温度较高、具有良好塑性流动性的拉延侧壁上，从而导致应变集中。

图3 拉延过程中的板件冷却

侧壁处于平面应变状态。拉延深度增加时，依靠材料厚度减薄来实现。这样容易产生拉裂。并且拉裂的倾向会随着拉深深度的增加而加剧。

2.2.2 拔模角

B 柱拉延可采用锥形，且锥形的角度α需大于等于 97°。同时，也可采用抛物线形进行拉深成形，如图 4 所示。在 B 柱的截面形状方面，应避免采用直壁和阶梯形零件的拉深成形方式。

图4 锥形拉深成形与抛物线拉深成形

直壁和阶梯型截面形状在成形过程中，会使材料流动阻力增大。同时，热板料与模具的接触状况不佳，接触压力较低，甚至会出现不与模具接触的非接触区域，这些情况都会影响板料的快速淬火。

在模具制造过程中，会依据压料面积、受力均衡以及冲压负角等因素来选择冲压方向。同时，在考虑拔模角度的时候，要关注局部造型特征，以避免产生负角或者深度过大的情况。

2.2.3 产品局部结构

反成形优化

结构中应避免出现反向冲压成形且区域较深和较大（如图 5 所示）。反冲结构容易导致堆料，如果无法避免，就应采用较大的过渡圆角，反冲区域的形状特征要尽可能以平顺过渡为特点，以防止因高温度梯度而引发局部变形，降低起裂风险。

图5 热成形件局部造型

避免高落差急剧变化

板料与模具之间存在接触时序方面的差异，急剧的几何形状过渡会使接触时序相差更大，这样就更容易产生高的温度梯度，从而加剧应变集中。B 柱的形状设计需要平缓过渡，要增加过渡圆角半径，尽量减少变形过程中不与模具接触的板料面积，同时减小零件沿长度方向的弯曲角度。过大的弯曲角度会让冲压方向的选择变得艰难，并且会对零件的成形产生影响。

R角

拐角处要尽量以球 R 进行顺接，并且要尽量接得大；在满足功能要求的前提下，锁扣的凸包与门铰链位的凸包，要尽可能降低凸包的高度，同时凸包面的角度要尽量大，然后倒 R15 以上的圆角；孔位凸包不能做得太深，并且周边的 R 角和斜度都必须做得大，以避免局部缺料而导致拉薄拉裂。

整体结构

B 柱零件宜尽量采用规则形状进行设计，以降低不对称度。B 柱的截面形状应尽量做到简单且对称。对于对称度较差的零件设计，会致使坯料难以进行定位，就像图 6a 中所示的高度差 h 那样。在成形过程里，坯料有可能会发生转动，模具与坯料的接触状态不佳，甚至会对材料的流动以及淬火冷却产生影响。

图6 热成形件整体结构

另外尽量不采用封闭式设计，而是采用开放式设计。尽可能让材料弯曲成形，这样能减少法兰边产生起皱、减薄以及拉裂的危险。封闭式的“杯状”结构在成形过程中会使材料在凸凹模拐角处产生压缩变形和起皱，所以需要采用合适的压边力。

在设计有起皱倾向的区域时，比如 B 柱零件的端部，应该设置吸皱筋（图 6b）。

3. 总结

图7 B柱模具与实物

开发了车身 B 柱的热成型件，完成了热成型模具的设计制造以及批量生产验证，这在图 7 中有体现。近年来热冲压技术发展迅速，从本文中能认识到热成型对产品结构的约束性很强，然而在新型热成型材料应用以及模具新技术发展方面，仍存在很广阔的空间。

高强度钢热冲压工艺研究

1 汽车B柱热冲压工艺

汽车 B 柱高强度钢成形时需综合考量其结构特点，像顶部凸台高且两端有深台阶等复杂难加工结构因素。同时要考虑到汽车 B 柱加工中薄弱地区易变形，以及在加工成形过程中容易起皱等问题与难点。目前针对汽车 B 柱高强度钢成形的工艺流程包含拉延、修边、冲孔、整形这四道工序。在分析汽车 B 柱高强度钢热冲压工艺时，借助计算机分析软件，按照确定参数值、进行数值模拟前期处理、进行数值结果分析这三个步骤展开研究。

1.1 确定参数值

借助三维建模软件 CATIA 构建汽车 B 柱的有限元模型，这样做便于后续的研究分析。因为热冲压工艺部件的影响因素有很多，而且各个影响因素之间不是独立的，像温度、塑性等这些因素。所以在工程实践中，常用热-力-相变耦合分析方法这一研究办法。

在对高强度钢材进行模型建模时，需要设定材料参数以及钢材的厚度和加热后的最后温度。在热冲压工艺加工的前期，模具温度会因为与板料接触而逐渐上升，然而内部的冷却水道能够起到降温冷却的作用，因此前期的模具温度大致保持不变。当对汽车 B 柱高强度钢的热冲压工艺进行有限元模拟时，整个过程依次是加热、传输、成形、淬火以及冷却。

1.2 数值模拟前期处理

汽车 B 柱高强度钢热冲压工艺的数值模拟前期处理步骤包含以下几方面：首先是进行模型导入；接着要明确冲压相关事宜；然后进行压料面的设计；再进行拉延筋的设计；最后进行补充面的设计。这五部分依次进行。首先构建汽车 B 柱有限元模型，接着利用软件给模型附加 B 柱高强度钢这一属性以模拟实物，然后把在 CATIA 中构建的 B 柱有限元模型导入到 Autoform 软件中，并赋予弯曲加强膜单元类型来分析 B 柱有限元模型；其次要确定冲压的具体方向，在明确参数值后确定冲压方向，这一工序的确定原则应尽量保证冲压方向与其他工序方向一致，此步骤目的在于减少翻转次数，利于流水线作业，节约生产时间，保证模型制造质量，同时在这一原则下确定冲压方向也有利于缓解操作人员压力，降低操作人员劳动强度。

设计压料面的目的是便于板料成形。要保证高强度钢板料在热加工成形过程中不会出现破损、开裂等情况。该工序需考量 B 柱高强度钢部件形状以及压料面设计理念，以保证压料面光滑，利于板料向凹模移动；拉延是热冲压工艺的关键点和难点，为避免生产中出现破裂、颈缩、起皱等情况，通过设计拉延筋来改善板料流动状态，提高部件流动均匀性，从而进一步保证 B 柱高强度钢部件的成形质量；补充面设计工艺包含内外两部分。

内部工艺补充面的作用是填补部件内部的孔洞以及倒角；外部工艺补充面的作用是依据设计出的特定拔模角度，将压料面与部件外轮廓线进行连接。这些工序都能够在 Autoform 软件中进行模拟，从而对汽车 B 柱高强度钢热冲压工艺进行数值模拟的前期处理。

1.3 数值结果分析

有限元模拟设计的作用是通过对汽车 B 柱进行数值模拟结果分析，明确其硬度。同时，产品成形的效果良好。

2 选择热冲压工艺模具的注意事项

传统的冷冲压模具在选择时，只需考虑其负责部件成形的功能。而汽车 B 柱高强度钢热冲压工艺的模具，其功能一方面是服务于部件成形，另一方面是起到冷却淬火的作用。因此，热冲压工艺模具的选择通常更为复杂。因此在选择汽车 B 柱高强度钢热冲压工艺模具时需更加留意。既要从模具的材料选择入手，也要在模具设计方面加以把控。只有做到这些，才能满足模具既要服务于部件成形，又要进行冷却淬火的要求。

模具材料的热传导系数需良好，这样能促使钢板与模具表面高效传热并发挥冷却功能。模具材料热导能力要高，同时硬度高、耐磨性能好且热疲劳性能优异，在成形过程中能始终保持尺寸稳定和硬度良好，承担加工过程中不可避免的磨损。此外，在冷热交替的工作状态下应保持良好性能，不影响使用寿命。首先，模具材料的防腐蚀性能要好，这样能避免内部冷却管道被锈蚀。其次，目前国际上在热冲压模具材料的选择方面，通常会优先选择含有较高 Ni、Cr 元素的材料。然后，选择模具材料时要符合实际需求，需要综合考量热传导系数、热导能力、硬度、耐磨性能、热疲劳性能、防腐蚀性能以及使用寿命等多种因素，以便合理选择模具材料。

热冲压工艺虽有众多优点，但回弹性差。这使得设计 B 柱高强度钢热冲压工艺的模具有了新要求，即要基于热胀冷缩原理，让冷却系统能更快速且均匀地进行冷却这道工序。所以，除了对模具材料有一系列要求外，在设计 B 柱高强度钢热冲压工艺的模具时，也应考虑系统密封性等外部因素。结合数值结果分析和数值设计，前期模拟模具等工作是为了设计 B 柱高强度钢热冲压工艺的模具，并且要确保管道效果。此外，热冲压工艺在成形部件设计以及工艺调试等方面都有独特鲜明的特点，这些特点都可能对 B 柱成形产生影响，因此仍需针对这些特点进行细致分析。

3 结语

高强度钢材料具有减轻车身重量的作用，能满足碰撞的强度要求，还具备节能环保等优点，所以在汽车的众多结构件中应用极为广泛，尤其在汽车 B 柱上。高强度钢虽强度极佳，但在普通冷冲压成形时，其成形性能不佳，成形力大，回弹变形的控制难度高，存在拉裂缺陷等问题，致使传统的冲压加工工艺无法对其进行加工。目前只有热冲压成形工艺能够解决传统冲压成形工艺在高强度钢加工领域的一系列问题。我们对汽车 B 柱高强度钢热冲压工艺开展了相关研究。从高强度钢热冲压工艺流程方面进行分析研究，从数值模拟分析方面进行分析研究，从模具选择方面进行分析研究。对应用热冲压工艺的难点进行分析研究，对应用热冲压工艺的关键点进行分析研究。论述了应用热冲压工艺的优势，论述了应用热冲压工艺的特点，论述了应用热冲压工艺的合理性，论述了应用热冲压工艺的科学性。对汽车 B 柱高强度钢热冲压工艺开展研究具有重要意义。

备注：

文章内容的参考来源为 AI 汽车网和参考网（王建中）。若涉及作品版权问题，需与我们联系，我们会在第一时间协商版权事宜或删除相关内容。

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