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精密儀器

沖壓熱成型在汽車部件的應用


通過對冷沖壓成形、激光拼焊板、熱成形板三種方案分析對比,論述了熱成形板在汽車輕量化中的應用優(yōu)勢。

國務院早在2012年6月就發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》,要求乘用車的平均燃料消耗量由2015年的6.9L/100km降低到2020年的5.0L/100km。這對汽車生產廠家來說壓力非常大,而輕量化是解決這些問題的有效方法之一。常規(guī)高強度鋼在室溫下不僅變形能力差,而且塑性變形范圍窄,所需沖壓力大,容易開裂,同時成形后零件容易回彈,零件尺寸和形狀穩(wěn)定性變差。因此,傳統(tǒng)的成形方法難以解決高強度鋼板在汽車車身制造中熱成形技術在汽車輕量化中的應用遇到的問題。熱成形做為輕量化新工藝,相對冷成形具有極高的成形性和強度,是目前應用到汽車上最高強度的鋼板。

熱成形技術及應用現(xiàn)狀

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熱成形板板材性能

熱成形鋼板有極高的材料強度及延展性,一般的高強度鋼板的抗拉強度在400~450MPa左右,而熱成形鋼材加熱前抗拉強度就已達到500~800MPa,加熱成形后則提高至1300~1600MPa,為普通鋼材的3~4倍,其硬度僅次于陶瓷,但又具有鋼材的韌性。因此由熱成形鋼板制成的車身極大地提高了車身的抗碰撞能力和整體安全性,在碰撞中對車內人員會起到很好的保護作用。

汽車上應用熱成形技術的典型鋼種是22MnB5。熱成形工藝過程為:首先將常溫下強度為400~500MPa的硼合金鋼板22MnB5加熱到930~950℃,使珠光體和鐵素體均勻奧氏體化,然后送入模具內沖壓成形;同時在壓力機閉合的情況下,在模具內快速冷卻到200℃左右,冷卻速率達到27K/S,將奧氏體轉變?yōu)轳R氏體,使晶體硬化,以大幅度提高板材屈服強度和抗拉強度。熱成形后屈 服強 度達 到1000MPa,抗拉強度達到1500MPa以上,延伸率為6%,其工藝原理如圖1所示。

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熱成形板在江淮汽車中的應

江淮汽車在近年推出的多個車型上,均使用了熱成形技術來減小車身質量,且新車型中還呈現(xiàn)出應用比例越來越高的趨勢。以其中某個車型為例,應用熱成形技術的零件共計10個,總質量超過25kg,如表1所示清單及產品件圖示。

03?

熱成形與輕量化

熱成形鋼利用其超高強度,可以減少零部件數(shù)量、減薄鈑金厚度來滿足同等的白車身性能需求,從而達到白車身輕量化的目的。根據(jù)研究,熱成形板相對傳統(tǒng)高強鋼的輕量化率為20%~30%。分析JAC車型典型熱成形應用,以某車型B柱加強板為例,通過冷沖壓成形、激光拼焊板成形、熱成形三種方案輕量化率計算結果對比得出,熱成形的輕量化率為22.9%,是三種方案中輕量化率最高的,如表2所示。


B柱熱成形板設計

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斷面設計

B柱是車身上涉及安全性能最重要的安全部件之一,影響B(tài)柱結構設計的有側面碰撞、側面柱碰、頂壓、翻滾等安全法規(guī),因此:B柱需要具有足夠高剛度,在高速碰撞過程中以最小的變形來保護乘員的安全。B柱斷面是決定其剛度的最關鍵因素。

以下是三種方案簡單描述(見表3):

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冷成形方案即傳統(tǒng)方案的B柱(斷面):一般包含側圍外板、B柱加強板(件號1)、B柱補強板(件號2、3、4、5)、B柱內板(件號4)等件。

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2

采用激光拼焊板方案的B柱(斷面);一般包含側圍外板、B柱加強板(件號1)、B柱補強板(件號2、4、5)、B柱內板(件號4)等件,其中,B柱補強板已經變?yōu)橐欢?,其作用為局部加強B柱剛度。

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采用熱成形方案的B柱(斷面):一般包含側圍外板、B柱加強板(件號1)、B柱補強板(件號2、4、5),B柱內板(件號4)等件。

對比以上3種方案,采用熱成形方案在B柱截面外廓尺寸不變的前提下,B柱加強板的厚度為最低,重量最低,成本最低。

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熱成形零件結構設計

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熱成形孔結構設計。熱成形板成形時的延伸率達到36%~37%,成形性能良好。因此,熱成形的零件結構設計可參考傳統(tǒng)冷成形零件,但在進行熱成形零件結構設計時需要注意:熱成形B柱的設計中,應該避免圓孔翻邊(見圖2)。目前的熱沖壓工藝中還無法進行圓孔熱翻邊,對成形后的B柱進行圓孔翻邊也極為困難。

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熱成形B柱的鉸鏈安裝點結構。B柱上需設計車門鉸鏈及車門限位器等的安裝點,其結構特點為:除B柱加強板外在安裝點處還設計安裝螺母板,以提升安裝點處的結構剛度,圖3為典型的B柱車門鉸鏈安裝點處斷面。

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熱成形B柱防銹設計。為使B柱外腔達到良好的電泳效果,B柱加強板與側圍外板間、以及與相臨加強板間最小隙要達到5mm以上,如圖4所示。


熱成形仿真分析

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熱成形仿真與沖壓工藝

B柱結構設計完成后,需要進行熱成形工藝仿真分析。如圖5所示,該結構產品件成形良好,無缺陷。熱成形設備與模具結構如圖6所示,基本結構分為:模具,板料,托料板,頂桿。產品件三維數(shù)據(jù)與實物如圖7所示。


正面碰撞、側面碰撞、追尾和翻滾是最為常見的事故種類。據(jù)交通事故的調查統(tǒng)計,側面碰撞在其中約占30%。與正面碰撞相比,汽車的側面結構的緩沖空間小,發(fā)生側面碰撞時車內駕駛員和乘員的受傷幾率相對較高。頭部損傷和胸部損傷是車輛側面碰撞中常見的損傷類型,并且是造成重傷和死亡的主要原因。B柱作為車身重要的安全結構件,在整車側面碰撞中,B柱的耐碰撞性能對整車側面碰撞性能具有重要影響。本文采用仿真分析方法,對熱沖壓成形和冷沖壓高強鋼B 柱零件的耐碰撞性能進行了對比研究。

仿真分析模型:可變形移動壁障側面碰撞試驗,如圖8,在移動臺車前端加裝可變形蜂窩鋁,移動壁障行駛方向與車輛垂直,移動壁障中心線對準車輛B柱,行駛方向與車輛垂直。移動壁障前部蜂窩鋁尺寸:寬1500mm,高500mm,離地300mm,車輛行駛速度50km/h,壁障質量950kg。在碰撞發(fā)生120ms時,車輛變形量對比如表4所示,從變形量數(shù)據(jù)可以看出,B柱在側面碰撞過程中熱成形方案比冷沖壓成形方案各部位變形量都小,熱成形方案平均變形量比冷沖壓成形方案減少了18mm,碰撞性能提升24.1%。分析結果表示,熱成形零件的使用,可以提升車輛碰撞安裝性能,減少事故中人員傷害。


結束語

熱成形鋼利用其超高強度,可以減少零部件數(shù)量、減薄鈑金厚度來滿足同等的白車身性能需求,從而達到白車身輕量化的目的。本文通過左右B柱加強板案例,采用高強板、激光拼焊板與熱成形板三種方案對比分析得出:熱成形方案B柱總成重量最低、成本最低、安全性能最高。



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