摘 要

随着汽车行业的飞速发展，人们对于能源的消耗和污染排放与全球环境保护之间的矛盾日益突出，而汽车轻量化是解决这一矛盾的主要出路之一。目前，通过热冲压成形技术将高强度钢、铝合金等轻量化材料制造成高强车身构件是实现汽车轻量化的有效途径。但是，传统热冲压加热技术所需的加热时间长、成形件质量不佳、生产效率低下，使得寻求一种节能环保并且更高效的加热设备成为了热成形技术发展的重要方向。导电加热是一种节能的、更高效的加热方式，它能够有效地降低加热时间，提高加热效率，减少坯料表面氧化等优势，因此开展导电加热装置系统开发具有重要的研究意义和应用价值。本文以B柱加强板的冲压成形为实例，进行了热冲压快速加热系统总体设计及优化。研究结果对热冲压快速加热系统的发展具有一定的指导意义。主要进行的工作如下：

（1）研究相关的热成形工艺发展现状，针对热成形加热系统设计有初步的构思，选择铝合金7075-T6作为成形材料，以导电加热为主要加热方式；

（2）完成导电加热系统总体设计，并进行相关的加热装置参数的理论计算；

（3）利用CATIA完成导电加热装置的总体建模包括加热装置、夹持机构、支撑机构以及协调退出机构等；

（4）利用ANSYS对板坯加热过程进行有限元分析，根据板坯表面的温度场分布结果，得到以点-面接触电极方案为主的加热装置电极布置优化方案；

（5）利用AutoForm对B柱加强板进行冲压仿真，结果显示本导电加热系统设计方案能在一定程度上提高成形精度以及生产效率。

该热冲压快速加热系统能够有效地缩短板坯加热时间、减少坯料表面氧化，提高生产效率，降低生产成本，总体设计思想对未来热冲压快速加热系统的发展具有一定的促进意义。

关键词：热冲压 导电加热 7075-T6 B柱加强板 温度场

Abstract

With the rapid development of the automobile industry, the contradiction between the exploitation and use of energy and the sustainable development of the world has become increasingly prominent, and the light weighting of automobiles is one of the major solutions to this contradiction. At present, the manufacture of high-strength body components from light-weight materials such as high-strength steels and aluminum alloys through hot stamping is an effective way to achieve lighter weight. However, the traditional hot stamping heating technology requires long heating time, poor quality of the formed parts, and low production efficiency, making it an important direction for the development of the hot forming technology to seek an energy-saving and environmentally-friendly and more efficient heating equipment. Conductive heating is an energy-saving and more efficient heating method. It can effectively reduce the heating time, improve the heating efficiency, reduce the surface oxidation of the billet and other advantages, so the development of conductive heating device system has important research significance and application value.In this paper, the stamping forming of B-pillar reinforcing plate is taken as an example, and the overall design and optimization of hot stamping rapid heating system are carried out.The research results have certain guiding significance for the development of hot stamping rapid heating system. The main tasks are as follows:

(1) To study the development status of related thermoforming processes. A preliminary concept is proposed for the design of thermoforming heating system. The aluminum alloy 7075-T6 is selected as the forming material, and the main heating method is conductive heating.

(2) Complete the overall design of the conductive heating system, and perform the theoretical calculation of the relevant heating device parameters;

(3) Use CATIA to complete the overall modeling of the conductive heating device including heating device, clamping device, support mechanism, and coordination exit mechanism;

(4) Using finite element analysis of slab heating process using ANSYS, according to the distribution of the temperature field of the slab surface, an electrode arrangement optimization scheme for the heating device based on the point-surface contact electrode scheme was obtained;

(5) Using AutoForm to simulate the stamping of the B-pillar reinforcement board, the results show that the design scheme of the conductive heating system can improve the forming accuracy and production efficiency to some extent

The hot stamping rapid heating system can effectively shorten the slab heating time, reduce the surface oxidation of the billet, increase the production efficiency and reduce the production cost. The overall design idea has certain significance for the development of the future hot stamping rapid heating system.

Keywords: hot stamping; conductive heating; 7075-T6; B-pillar reinforcement; temperature field

目录

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2国内外的研究现状分析 1

1.3 研究目的及意义 2

1.4 主要研究内容 3

1.5 研究目标 3

第2章 车身构件热成形材料及加热方式的选择 4

2.1 成形材料的选择 4

2.2 板材加热方式的选择 4

2.2.1辐射加热 4

2.2.2感应加热 4

2.2.3导电加热 5

2.2.4激光加热 5

2.3本章小结 5

第3章 车身构件热冲压导电加热系统总体设计 6

3.1导电加热的原理 6

3.2导电加热系统温度控制原理 6

3.3导电加热系统的相关计算 7

3.3.1加热电源功率的估算 7

3.3.2坯料加热速率的估算 8

3.3.3接触电阻的估算 8

3.4本章小结 9

第4章 车身构件热冲压导电加热装置的设计 10

4.1导电加热系统装置原理 10

4.2导电加热装置的组成 10

4.3导电加热装置 13

4.4本章小结 14

第5章 加热工艺对典型汽车构件热冲压成形的影响 15

5.1 7075铝合金热成形性能分析 15

5.2 B柱加强板仿真结果分析 15

5.2.1温度场分析 15

5.2.2成形性分析 17

5.2.3加热工艺参数对热成形的影响规律 19

5.3 本章小结 19

第6章 结论与展望 20

6.1 论文总结 20

6.2 工作展望 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 前言

随着世界经济和社会的不断向上发展，人们对于节能、环保、安全、舒适的汽车需求也越来越高。因此，生产节能环保的汽车已经成为各大汽车厂商追求的共同目标。在降低汽车油耗以及减少尾气排放的各种措施中，减轻车重的效果是最明显的，也就是所谓的汽车轻量化。科学研究显示，汽车质量每减少10%，对应能源消耗将降低4%~8%^[1]。要实现汽车的轻量化，通常我们采取以下两种方法：优化汽车结构和采用轻量化材料。从长远效益来看，采用轻量化材料更易满足要求，更被人们看好。

传统材料中的高强度钢板具有优异的性能强度，能够很好地保证汽车安全。但是它会因抗拉强度和屈服强度的提高，而难以通过冷冲压成形。因此，采用热冲压成形技术制造车身零部件成为了大家目前关注和研究的重点。

现如今，采用高强度钢板进行热冲压成形的技术相对成熟，随着节能减排要求的提高，车身结构件轻量化己成大势所趋。因此，人们已经采用高强铝合金来代替高强度钢成为汽车、航空航天等行业的主要材料之一。汽车车身上采用铝合金材料，最大的好处是能明显减轻汽车的质量，从而进一步降低汽车燃油的消耗，提高汽车的整体性能及操作性等；另一方面，铝合金具有耐锈蚀性，与传统车身相比，不必做防锈处理，因此能够减少保养费用^[2]。

然而，铝合金在室温时成形困难，不易得到性能优良的铝合金产品，但可以在成形时提高板坯温度来达到目的。通过该方法，人们已经成功用5xxx和6xxx系铝合金板材研发出部分车身构件^[3-4]，但是也有一些高强车身构件比如 B柱以及防撞梁等，其强度并不合格。而7075 铝合金可以满足上述要求。7075 铝合金是典型的超高强度可变形铝合金，具有重量轻、比强度高、无磁性、耐腐性好等优良的综合力学性能，目前已广泛应用在汽车、航空航天等领域。然而，由于7075铝合金板材室温成形性较差，目前在汽车车身上的应用非常少。鉴于其高温下具有良好的成形性，故有必要对7075铝合金板材进行热冲压成形研究以期用它代替高强度钢板来生产制造高强度汽车构件。

1.2国内外的研究现状分析

热冲压成形工艺自20世纪80年代开发出来后，发展十分迅速，国内外的科研院所、生产厂商纷纷投入大量精力进行各项科研攻关。在国外，Akerstrom P和Oldenburg M^[5]深入研究了高温时热冲压钢板的膨胀现象，仿真模拟分析了高温钢板的冷却过程。Merkleinl M和Lechler J等^[6-7]利用 Gleeble1500热模拟试验机对坯料进行等温拉伸实验后，得到了温度和时间变量下的22MnB5流变特性规律。Yanagimoto J和Oyamada K^[8-9]等研究了高强钢板等温和非等温弯曲，总结出了高强度钢板热成形的回弹机理。YuJun Cai等人^[10]运用有限元软件仿真模拟了汽车底部横梁的热冲压生产过程，并由此得到了奥氏体分解产物的组成比例。Heon Young Kim等人^[11]通过模拟汽车悬挂系统中扭力梁轴的热冲压成形过程，得到了模具中冷却系统的结构优化方案。