超高强钢构件热冲压成形理论与技术

汽车轻量化是实现节能减排降耗、提升整车性能的关键技术。它在保障汽车使用性能和安全要求的前提下，运用轻质高强材料、轻量化结构设计与先进制造工艺，可降低整车重量，实现节能减排降耗目标。汽车轻量化技术符合国家能源战略和可持续发展需求，是推动汽车产业转型升级的战略举措。研究表明，汽车整车重量每降低10%，燃油车燃油效率可提高6%～8%，排放下降4%，电动车续航里程增加5.5%。重量减轻还能提高车辆加速性、制动性和操控性。因此，《中国制造2025》提出，大力发展汽车节能减排自主创新技术，提升汽车轻量化核心技术的工程化和产业化能力。在众多轻量化材料中，高强钢/超高强钢具有成本低、强度高、拉伸弹性模量高、成形性能优异等优点，是减轻汽车重量、降低排放、提高安全性等*有效和*经济的方法之一。在某种程度上说，汽车用钢的生产与应用技术代表了一个国家的工业制造技术水平。本书研究内容依托于国家自然科学基金联合基金重点支持项目“高性能车身覆盖件用铝合金板材组织性能调控与成形性研究”（U1564202）、国家自然科学基金“车身模具型面三维点式移动感应加热淬火强化技术基础研究（51175392）”。

华林，教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。西安交通大学机械工程专业博士研究生毕业，获工学博士学位。现任现代汽车零部件技术湖北省重点实验室主任。兼任中国汽车工程学会常务理事，中国机械工程学会塑性工程分会副理事长、材料成形与模具技术国家重点实验室学术委员、《中国机械工程》和《塑性工程学报》编委。长期从事机械与汽车工程教学科研工作，主持筹备建设了车身工程本科专业方向，主持了车辆工程卓越工程师专业建设。入选人事部新世纪百千万人才工程，并获得了国务院政府特殊津贴。

第1章超高强钢构件热冲压成形概述1 1.1汽车轻量化背景与重要意义1 1.2高强钢分类、特点及应用2 1.3汽车薄板构件冲压成形特点与性能评定方法4 1.3.1冲压成形特点及其在汽车薄板构件上的应用4 1.3.2汽车薄板构件冲压成形性能评定方法5 1.4超高强钢热冲压成形及存在的技术难题7 1.5本章小结9 本章参考文献9 第2章超高强钢热力耦合塑性变形行为与组织演变机理11 2.1高温拉伸变形行为与组织演变规律11 2.1.1高温拉伸试验与应力应变曲线11 2.1.2断裂区微观组织演变14 2.2高温本构模型27 2.2.1基于唯象的宏观本构模型28 2.2.2耦合位错密度的黏弹塑性微观本构模型33 2.3高温胀形试验与组织演变规律53 2.3.1高温胀形试验及结果分析53 2.3.2EBSD试验及结果分析55 2.4高温成形极限试验与成形极限模型66 2.4.1高温成形极限试验及结果分析66 2.4.2宏观高温成形极限模型70 2.4.3耦合损伤的黏塑性成形极限模型76 2.5本章小结79 本章参考文献80 第3章超高强钢构件等强度热冲压成形工艺83 3.1基于复相组织精细调控的高强韧热冲压方法83 3.1.1试验材料与试验方案83 3.1.2热变形条件对力学性能的影响88 3.1.3热变形条件对组织演变与断口形貌的影响96 3.2典型构件热冲压成形分析与组织精细调控105 3.2.1中立柱热冲压有限元模型105 3.2.2工艺参数对热冲压中立柱成形质量的影响规律107 3.2.3中立柱热冲压试验与结果分析114 3.2.4形变对马氏体相的影响规律和机理118 3.2.5形变对残余奥氏体相的影响规律和机理123 3.3本章小结125 本章参考文献125 第4章超高强钢构件变强度热冲压成形工艺129 4.1梯度性能构件定制策略与高强韧热冲压成形方法129 4.1.1侧面碰撞有限元模型的建立130 4.1.2轻量化中立柱加强板侧碰性能分析133 4.1.3中立柱加强板梯度性能分区优化设计136 4.1.4梯度性能中立柱加强板热冲压成形153 4.2考虑变形效应的中立柱多目标优化设计与热冲压成形165 4.2.1塑性变形效应网格变量映射流程165 4.2.2考虑塑性变形效应的变强度中立柱侧碰有限元模型167 4.2.3塑性变形效应对中立柱耐撞性的影响169 4.2.4基于GrayTaguchi方法的中立柱强度分布优化设计171 4.3拼焊门环变强度热冲压成形182 4.3.1基于分区控温的拼焊门环变强度热冲压成形工艺182 4.3.2工艺参数对拼焊门环成形质量的影响规律187 4.3.3拼焊门环变强度热冲压工艺优化与回弹补偿197 4.4典型超高强钢构件变强度热冲压成形制造211 4.5本章小结212 本章参考文献213 第5章伺服热冲压成形工艺设计方法与系统215 5.1D1800HFD超高强钢热冲压工艺特征规划215 5.1.1超高强钢板热冲压模拟试验215 5.1.2超高强钢热加工图建立与分析223 5.1.3超高强钢热冲压工艺曲线特征的规划229 5.2基于混阶样条曲线的超高强钢伺服工艺曲线232 5.2.1超高强钢伺服热冲压工艺曲线设计原则233 5.2.2基于混阶样条曲线的超高强钢伺服工艺曲线设计241 5.3伺服热冲压工艺智能设计系统及应用249 5.3.1系统开发环境及开发工具250 5.3.2系统总体架构设计251 5.3.3关键模块功能实现252 5.3.4典型构件伺服热冲压成形仿真验证258 5.4本章小结268 本章参考文献269 第6章热冲压模具与伺服成形装备271 6.1热冲压成形模具271 6.1.1热冲压模具整体结构设计271 6.1.2热冲压模具冷却管道设计276 6.1.3热冲压模具制造288 6.2机械伺服压力机291 6.2.1压力机分类与特点291 6.2.2典型肘杆式伺服压力机292 6.3伺服热冲压自动化生产线298 6.3.1伺服热冲压生产线组成与设计要求298 6.3.2典型伺服热冲压生产线系统300 6.4本章小结309 本章参考文献309 第1章超高强钢构件热冲压成形概述1 1.1汽车轻量化背景与重要意义1 1.2高强钢分类、特点及应用2 1.3汽车薄板构件冲压成形特点与性能评定方法4 1.3.1冲压成形特点及其在汽车薄板构件上的应用4 1.3.2汽车薄板构件冲压成形性能评定方法5 1.4超高强钢热冲压成形及存在的技术难题7 1.5本章小结9 本章参考文献9 第2章超高强钢热力耦合塑性变形行为与组织演变机理11 2.1高温拉伸变形行为与组织演变规律11 2.1.1高温拉伸试验与应力应变曲线11 2.1.2断裂区微观组织演变14 2.2高温本构模型27 2.2.1基于唯象的宏观本构模型28 2.2.2耦合位错密度的黏弹塑性微观本构模型33 2.3高温胀形试验与组织演变规律53 2.3.1高温胀形试验及结果分析53 2.3.2EBSD试验及结果分析55 2.4高温成形极限试验与成形极限模型66 2.4.1高温成形极限试验及结果分析66 2.4.2宏观高温成形极限模型70 2.4.3耦合损伤的黏塑性成形极限模型76 2.5本章小结79 本章参考文献80 第3章超高强钢构件等强度热冲压成形工艺83 3.1基于复相组织精细调控的高强韧热冲压方法83 3.1.1试验材料与试验方案83 3.1.2热变形条件对力学性能的影响88 3.1.3热变形条件对组织演变与断口形貌的影响96 3.2典型构件热冲压成形分析与组织精细调控105 3.2.1中立柱热冲压有限元模型105 3.2.2工艺参数对热冲压中立柱成形质量的影响规律107 3.2.3中立柱热冲压试验与结果分析114 3.2.4形变对马氏体相的影响规律和机理118 3.2.5形变对残余奥氏体相的影响规律和机理123 3.3本章小结125 本章参考文献125 第4章超高强钢构件变强度热冲压成形工艺129 4.1梯度性能构件定制策略与高强韧热冲压成形方法129 4.1.1侧面碰撞有限元模型的建立130 4.1.2轻量化中立柱加强板侧碰性能分析133 4.1.3中立柱加强板梯度性能分区优化设计136 4.1.4梯度性能中立柱加强板热冲压成形153 4.2考虑变形效应的中立柱多目标优化设计与热冲压成形165 4.2.1塑性变形效应网格变量映射流程165 4.2.2考虑塑性变形效应的变强度中立柱侧碰有限元模型167 4.2.3塑性变形效应对中立柱耐撞性的影响169 4.2.4基于GrayTaguchi方法的中立柱强度分布优化设计171 4.3拼焊门环变强度热冲压成形182 4.3.1基于分区控温的拼焊门环变强度热冲压成形工艺182 4.3.2工艺参数对拼焊门环成形质量的影响规律187 4.3.3拼焊门环变强度热冲压工艺优化与回弹补偿197 4.4典型超高强钢构件变强度热冲压成形制造211 4.5本章小结212 本章参考文献213 第5章伺服热冲压成形工艺设计方法与系统215 5.1D1800HFD超高强钢热冲压工艺特征规划215 5.1.1超高强钢板热冲压模拟试验215 5.1.2超高强钢热加工图建立与分析223 5.1.3超高强钢热冲压工艺曲线特征的规划229 5.2基于混阶样条曲线的超高强钢伺服工艺曲线232 5.2.1超高强钢伺服热冲压工艺曲线设计原则233 5.2.2基于混阶样条曲线的超高强钢伺服工艺曲线设计241 5.3伺服热冲压工艺智能设计系统及应用249 5.3.1系统开发环境及开发工具250 5.3.2系统总体架构设计251 5.3.3关键模块功能实现252 5.3.4典型构件伺服热冲压成形仿真验证258 5.4本章小结268 本章参考文献269 第6章热冲压模具与伺服成形装备271 6.1热冲压成形模具271 6.1.1热冲压模具整体结构设计271 6.1.2热冲压模具冷却管道设计276 6.1.3热冲压模具制造288 6.2机械伺服压力机291 6.2.1压力机分类与特点291 6.2.2典型肘杆式伺服压力机292 6.3伺服热冲压自动化生产线298 6.3.1伺服热冲压生产线组成与设计要求298 6.3.2典型伺服热冲压生产线系统300 6.4本章小结309 本章参考文献309