段磊，喬小燕，門長峰，于強(qiáng)

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222)

降低油耗、節(jié)能減排是當(dāng)今全球關(guān)注的熱點問題，汽車的輕量化是解決這一問題的有效途徑。然而，要實現(xiàn)汽車的輕量化，除了可以優(yōu)化設(shè)計汽車結(jié)構(gòu)，還可以采用輕量化材料制造汽車車體構(gòu)件。高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板作為輕量化材料的典型代表，以其質(zhì)輕、高強(qiáng)度的特點成為汽車輕量化的最主要手段之一。高強(qiáng)度鋼板與普通鋼板相比，具有較高的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，硬化指數(shù)和厚向異性系數(shù)卻比較低，延伸率也比較低，在常溫條件下變形能力差，易產(chǎn)生開裂、起皺、回彈等缺陷，成形時所需沖壓力大，對模具損耗大［1］。因此，傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝已不能完全滿足技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的需要，于是出現(xiàn)了一種新的熱沖壓成形技術(shù)解決了高強(qiáng)度鋼板上述成形性能的局限。目前該技術(shù)在國外發(fā)展應(yīng)用十分迅速，美國通用、福特以及德國大眾等汽車公司都在運用該項技術(shù)制造高強(qiáng)度沖壓件。

在熱沖壓成形過程中，高強(qiáng)度鋼板具有溫度敏感性特點，板料的溫度對于板料的成形性能及微觀組織有著重要影響［2］。要獲得強(qiáng)度高、精度高的熱沖壓零件，選擇合適的熱沖壓成形工藝參數(shù)是關(guān)鍵，因此，必須對影響熱沖壓成形零件質(zhì)量的主要工藝參數(shù)進(jìn)行研究。以U 形件為研究對象，建立了熱沖壓熱力耦合有限元模型，在成形數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交試驗設(shè)計，研究熱沖壓過程中板料的初始溫度、模具的初始溫度、沖壓速度、壓邊力4 個工藝參數(shù)對熱沖壓成形后的溫度及應(yīng)力分布規(guī)律的影響，為高強(qiáng)鋼板熱沖壓工藝參數(shù)的優(yōu)化和成形性能評價指標(biāo)的確定提供理論和實際的指導(dǎo)依據(jù)。

1 熱沖壓技術(shù)

熱沖壓技術(shù)是將高強(qiáng)度鋼板在專門的加熱裝置中加熱到高溫下某一溫度，并保溫一段時間，使其充分奧氏體化，然后迅速轉(zhuǎn)移到熱沖壓模具中快速成形，同時，利用熱沖壓模具內(nèi)設(shè)置的冷卻裝置對制件進(jìn)行淬火冷卻，使鋼板的顯微結(jié)構(gòu)由奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蝰R氏體組織，最終獲得機(jī)械強(qiáng)度高、形狀尺寸精度好的高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件，其工藝過程如圖1 所示［3］。由于熱沖壓技術(shù)能夠成形強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa 的復(fù)雜承載零部件，所以該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于A 柱、B柱、C 柱，前后保險桿，中通道，前圍下?lián)醢澹図敿訌?qiáng)梁及車門防撞梁(桿)等車身安全構(gòu)件的生產(chǎn)。

圖1 熱沖壓工藝過程

2 U 形件熱沖壓數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

U 形件是汽車車身中典型的梁架件，如圖2 所示，長為245 mm，寬為100 mm，高為40 mm，圓角R 為5 mm，厚度為1.0 mm，材料為低碳硼合金鋼22MnB5。利用板料成形非線性有限元分析軟件Dynaform 建立U 形件的模具和板料有限元模型如圖3 所示。凸模、凹模、壓邊圈均視為剛體，板料為變形體，采用四邊形Belytschko －Tsay (B －T)薄殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到模具和板料的單元節(jié)點數(shù)如表1所示。

圖2 U 形件幾何模型

圖3 有限元網(wǎng)格模型

表1 有限元模型單元節(jié)點數(shù)

U 形件熱沖壓過程是一個極為復(fù)雜的熱力耦合非線性過程，材料的變形規(guī)律具有一定的典型性。由于板料成形時溫度對材料的流變行為影響很大，在建立有限元模型的同時，必須考慮溫度對材料模型的影響，需要不同溫度條件下的應(yīng)力/應(yīng)變曲線［4］，如圖4 所示。

圖4 不同溫度下22MnB5 的應(yīng)力/應(yīng)變曲線

從圖中可以看出，隨著溫度的增加，同一應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力值明顯降低，真實應(yīng)力/應(yīng)變曲線斜率明顯減小，材料應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)隨溫度的升高而降低，成形性能增強(qiáng)。

2.2 熱力耦合有限元模擬過程

高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形數(shù)值模擬需要對變形和熱傳導(dǎo)進(jìn)行交替分析，實現(xiàn)熱力耦合過程［5］。在分析中，將溫度場、位移場、應(yīng)力應(yīng)變場看作3 個子系統(tǒng)分別求解，對高強(qiáng)鋼板變形和溫度場在每一增量加載內(nèi)進(jìn)行計算［6］。

U 形件熱沖壓成形過程分為兩個階段:壓邊圈壓邊過程和沖壓成形過程。初始設(shè)定兩個階段的成形工藝參數(shù)分別如下。

壓邊圈壓邊過程階段:板料初始溫度為800 ℃，模具(凸模、凹模和壓邊圈)初始溫度為50 ℃，傳熱系數(shù)為50.0 W/m2·℃，板料和模具間的摩擦因數(shù)為0.1，壓邊過程的壓邊圈運動速度為2 000 mm/s。

沖壓成形過程階段:板料溫度為壓邊過程結(jié)束后的溫度，模具(凸模、凹模和壓邊圈)的溫度在板料熱傳遞時不斷升高。板料和模具間摩擦因數(shù)為0.1，成形過程凸模運動速度為4 000 mm/s，壓邊力為140 kN。

2.3 模擬結(jié)果分析

圖5 為U 形件熱沖壓成形過程中壓邊圈壓邊階段與沖壓成形結(jié)束階段板料的溫度場分布情況。由圖5 (a)可以看出，壓邊圈壓邊過程中，板料的中心位置始終未與模具接觸，熱量以對流換熱及熱輻射的形式散失到空氣中。板料兩側(cè)上下表面與壓邊圈、凹模接觸，而發(fā)生熱傳導(dǎo)。因此，中心區(qū)域溫度比壓邊區(qū)域下降快。如果壓邊區(qū)域溫度下降過快，由圖4 可知，材料的變形抗力就會增大，使該區(qū)域材料發(fā)生硬化，導(dǎo)致成形困難。由圖5 (b)可以看出，沖壓成形過程中，板料的上下表面逐漸與凸、凹模底面及兩側(cè)壁接觸。板料與模具的接觸均發(fā)生熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致中心區(qū)域和兩側(cè)壁溫度下降很快。凸模圓角與凹模圓角處的溫度較高，這是由于圓角處變形量較大、摩擦生熱、空間狹小不利于熱量散失，因而溫度相比其他區(qū)域要高。

圖5 不同階段板料的溫度場

圖6 板料厚度分布

圖6 、圖7 為U 形件成形結(jié)束后的厚度分布和應(yīng)力分布情況。由圖6 可以看出，U 形件的圓角和側(cè)壁部位減薄較大，其他部位減薄較小。由圖7 可以看出，U 形件的凸模圓角部位應(yīng)力最大，側(cè)壁部位處于單向拉伸變形則應(yīng)力也較大，壓邊部位和底部中心應(yīng)力最小。這是由于U 形件側(cè)壁溫度下降相對較快，導(dǎo)致其塑性下降，強(qiáng)度上升，使得側(cè)壁應(yīng)力相對于底部中心要略大一些。

圖7 板料應(yīng)力分布

3 工藝參數(shù)對熱沖壓質(zhì)量的影響分析

在高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形過程中，板料被加熱到高溫狀態(tài)而變得相對柔軟，變形抗力大大降低，這時熱沖壓工藝參數(shù)對板料成形質(zhì)量的影響就顯得極為重要，它直接關(guān)系到零件的力學(xué)性能變化及微觀組織轉(zhuǎn)變的均勻程度［7］。作者在U 形件熱沖壓成形數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計正交試驗來研究成形過程中板料的初始溫度、模具的初始溫度、沖壓速度、壓邊力4 個工藝參數(shù)對板料成形后的溫度及應(yīng)力分布規(guī)律的影響，為優(yōu)化高強(qiáng)鋼板熱沖壓工藝參數(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

3.1試 驗因素與水平的確定

在U 形件的形狀尺寸、厚度、材料性能以及模具的形狀尺寸保持不變，凸模、凹模、壓邊圈以及板料的網(wǎng)格劃分、初始單元大小和數(shù)量、節(jié)點數(shù)量等一致的情況下，選擇板料的初始溫度A、模具的初始溫度B、沖壓速度(凸模運動速度)C、壓邊力D 作為自變量進(jìn)行正交試驗設(shè)計，試驗因子和試驗水平設(shè)置如表2 所示。

表2 正交試驗因子水平表

3.2 試驗方案與結(jié)果

考慮數(shù)值模擬與實際熱沖壓的比較及相關(guān)經(jīng)驗，研究板料的初始溫度、模具的初始溫度、沖壓速度、壓邊力4 個因素在4 水平下的U 形件熱沖壓成形性能。以U 形件成形后的最低溫度Tmin和應(yīng)力最大值σmax作為質(zhì)量評價目標(biāo)，選用四因素四水平的L16(44)的正交表來擬定試驗方案，并進(jìn)行16 次有限元數(shù)值模擬。具體的試驗方案及模擬結(jié)果如表3 所示。其中，對各個指標(biāo)分別計算出各因素在4 個水平下的平均值K1，K2，K3，K4以及每列的極差R，并繪出正交試驗四因素與指標(biāo)關(guān)系如圖8 所示。

表3 正交試驗方案及模擬結(jié)果

圖8 正交試驗因素與指標(biāo)的關(guān)系

3.3 試驗結(jié)果分析

通過對表3 正交試驗?zāi)M結(jié)果的極差數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，可以看出4 個影響因子中，各因子對U 形件的最低溫度和最大應(yīng)力的影響程度均為:板料初始溫度＞沖壓速度＞壓邊力＞模具初始溫度。其中，板料初始溫度的影響最為顯著。

(1)板料初始溫度對U 形件最低溫度和最大應(yīng)力的影響

板料初始溫度是板料與模具開始接觸的瞬間溫度，與最初奧氏體化溫度及板料從加熱裝置到模具轉(zhuǎn)移過程中的溫度損失有關(guān)［8］。從圖8 (a)可以看出，隨著板料初始溫度的下降，沖壓結(jié)束時U 形件的最低溫度相應(yīng)下降，材料變形抗力增加，塑性變差，最大應(yīng)力值大幅度上升，尤其是從800℃到600 ℃時，最大應(yīng)力值上升最為劇烈。分析其原因主要是板料內(nèi)部溫度場的變化所致，雖然板料初始溫度與模具初始溫度存在較大溫差，傳熱會較多，但與板料初始溫度相比，由初始溫度的變化差值引起的傳熱變化大于溫差引起的，即初始溫度占主導(dǎo)作用，所以，板料的初始溫度越低，成形后零件的最低溫度越低，塑性越差，內(nèi)部最大應(yīng)力值也越大。在高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形工藝中，提高板料初始溫度可以降低板料的變形抗力，提高其成形性能，但初始溫度過高會使板料的加熱溫度過高而發(fā)生過燒、過熱、脫碳、氧化等缺陷。

(2)模具初始溫度對U 形件最低溫度和最大應(yīng)力的影響

如圖8 (b)所示，模具初始溫度從60 ℃到30℃之間變化，沖壓結(jié)束時U 形件的最低溫度和最大應(yīng)力值的變化范圍均不大，這說明，模具的初始溫度不會對板料成形的最低溫度和最大應(yīng)力值造成大的影響。雖然模具初始溫度是高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程中一個重要的工藝參數(shù)，關(guān)系到板料與模具之間的傳熱效果，影響板料內(nèi)部溫度場與應(yīng)力場的分布與變化，但在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，模具往往處于室溫狀態(tài)(60 ℃以下)，根據(jù)試驗?zāi)M結(jié)果可知，當(dāng)進(jìn)行大批量熱沖壓生產(chǎn)時，板料成形受模具初始溫度變化的影響較小，從而可以保證制件品質(zhì)的穩(wěn)定性。如果提高模具初始溫度，模具與板料之間溫差減小，對板料的散熱效果就會變差，導(dǎo)致成形后板料的最低溫度上升，最大應(yīng)力值降低，影響制件品質(zhì)的穩(wěn)定。

(3)沖壓速度對U 形件最低溫度和最大應(yīng)力的影響

沖壓速度決定板料的變形速率和變形時間，對板料成形的最低溫度和最大應(yīng)力值都有較大影響。從圖8 (c)可以看出，隨著沖壓速度的減小，沖壓結(jié)束時U 形件的最低溫度相應(yīng)下降，而最大應(yīng)力值卻上升。這主要是由于沖壓速度的減小使板料的成形冷卻時間變長，相應(yīng)的板料變形時的最低溫度下降，而溫度的下降使材料的高溫軟化能力減弱，變形抗力增加，從而導(dǎo)致板料的最大應(yīng)力值上升。因此，沖壓速度越快，板料成形冷卻時間越短，板料溫度越高，塑性越好，越有利于成形。然而在實際生產(chǎn)中，要確定最佳的沖壓速度很難，因為熱沖壓成形應(yīng)該選擇在馬氏體轉(zhuǎn)變之前進(jìn)行還是在馬氏體轉(zhuǎn)變之后進(jìn)行還存在一定的爭議，所以，沖壓速度較高時，板料的最大應(yīng)力值降低，但馬氏體組織分布不均，會影響零件產(chǎn)品質(zhì)量;沖壓速度較低時，板料內(nèi)馬氏體組織分布均勻，但變形抗力增大，最大應(yīng)力值增加，亦會影響零件產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)壓邊力對U 形件最低溫度和最大應(yīng)力的影響

從圖8 (d)可以看出，在U 形件熱沖壓過程中，隨著壓邊力的減小，板料的最低溫度和最大應(yīng)力值相應(yīng)減小且變化范圍較小。這是因為板料與模具在傳熱過程中只發(fā)生接觸，其表面壓力的變化對傳熱效率幾乎沒有什么影響，所以，當(dāng)壓邊力在一定范圍內(nèi)時，對板料的最低溫度和最大應(yīng)力值的變化影響不大。又由于在熱沖壓成形過程中，板料加熱至高溫而軟化，相對于冷沖壓而言，所需壓邊力應(yīng)當(dāng)小一些，否則壓邊圈容易將板料“壓死”而影響制件成形質(zhì)量。

4 結(jié)論

建立了U 形件的熱沖壓有限元模型，采用熱力耦合分析方法，對其整個熱成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了熱沖壓過程中板料的溫度、厚度及應(yīng)力的分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了正交試驗方案，分析研究了熱沖壓過程中板料初始溫度、模具初始溫度、沖壓速度、壓邊力4 個工藝參數(shù)對成形后板料的最低溫度和最大應(yīng)力的影響程度均為:板料初始溫度＞沖壓速度＞壓邊力＞模具初始溫度，且板料初始溫度的影響最為顯著。并得出如下結(jié)論:

(1)隨著板料初始溫度的下降，U 形件成形后的最低溫度相應(yīng)下降，最大應(yīng)力值卻大幅度上升。為了提高板料的成形性能，可以提高其初始溫度以降低變形抗力，但初始溫度不宜過高。

(2)模具初始溫度的變化對U 形件成形后的最低溫度和最大應(yīng)力值的變化影響最小，在實際大批量熱沖壓生產(chǎn)時這有利于保證制件品質(zhì)的穩(wěn)定性。

(3)沖壓速度對板料成形的最低溫度和最大應(yīng)力值影響較大，隨著沖壓速度的減小，U 形件成形后的最低溫度相應(yīng)下降，塑性變差，最大應(yīng)力值上升。

(4)由于板料與模具之間只發(fā)生接觸傳熱，且傳熱效率不受其表面壓力變化的影響，因此，隨著壓邊力的減小，U 形件成形后的最低溫度和最大應(yīng)力值相應(yīng)減小且變化范圍較小。

研究高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程中板料初始溫度、模具初始溫度、沖壓速度、壓邊力4 個工藝參數(shù)對成形后板料的溫度及應(yīng)力分布規(guī)律的影響，可為開發(fā)熱沖壓模具，優(yōu)化高強(qiáng)鋼板熱沖壓工藝參數(shù)提供依據(jù)。

【1】李揚，劉漢武，杜云慧，等.汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向［J］.材料導(dǎo)報，2011，25(7):101 －104.

【2】馬寧.高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)若干研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2011:5 －6.

【3】STEINBEISS Heinz，SO Hyunwoo，MICHELITSCH Thomas，et al.Method for Optimizing the Cooling Design of Hot Stamping Tools ［J］. Producing Engineering Research ＆Development，2007，1(2):149 －155.

【4】李肖科，周隱玉，劉芳，等.高強(qiáng)度硼鋼22MnB5 的熱變形方程及其模擬應(yīng)用［J］.塑性工程學(xué)報，2011，18(6):53 －57.

【5】劉紅生，包軍，邢忠文，等.高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形熱力耦合數(shù)值模擬［J］. 材料科學(xué)與工藝，2010，18(4):459 －463.

【6】畢文權(quán).汽車橋殼熱沖壓成形工藝數(shù)值模擬及工程應(yīng)用研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2009:34 －35.

【7】林建平，孔慶華，徐洲，等.22MnB5 鋼板不等溫拉深成形的影響因素研究［J］. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2011，39(4):567 －571.

【8】姜超，單忠德，莊百亮，等.初始成形溫度對超高強(qiáng)鋼熱沖壓件力學(xué)性能的影響［J］. 金屬熱處理，2011，36(12):66 －69.