徐亮 潘露 杜文文

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系，安徽 蕪湖 241000)

USIBOR1500P鋼板在室溫條件下的成形能力較差，易發(fā)生回彈和開(kāi)裂等現(xiàn)象，對(duì)成形件的形狀精度難以控制［1］，在實(shí)際操作中對(duì)模具的磨損也較為嚴(yán)重，降低了模具的使用壽命。為解決這一問(wèn)題，提出了高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形技術(shù)，即將板料加熱到奧氏體化溫度后，在專用模具上進(jìn)行沖壓成形并保壓淬火冷卻，以獲得均勻板條狀馬氏體組織，抗拉強(qiáng)度達(dá) 1 500 MPa［2-4］。

劉文等人分析了成形速度與保壓時(shí)間對(duì)冷卻效果的影響［5］。馬寧等人對(duì)加熱溫度、保溫時(shí)間、水流速度等工藝參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究［6-9］。本次研究先通過(guò)高溫下的熱拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得了USIBOR1500P在不同變形條件下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)合所得數(shù)據(jù)，采用ANSYS/LS-DYNA與DYNAFORM有限元軟件對(duì)熱沖壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，重點(diǎn)分析模具初始溫度對(duì)最終組織結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能的影響規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 材料模型

本次研究采用單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得了USIBOR1500P 硼鋼在 550，600，650，750，850，950 ℃共6種溫度條件下，應(yīng)變速率為0.1 mm/s時(shí)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。

1.2 有限元模型

板料尺寸為300 mm×200 mm，凹凸模圓角半徑R=5 mm，板料厚度為2 mm。U形件模具熱沖壓成形主要包括凹模、凸模、板料和壓邊圈，有限元模型如圖2所示。

圖1 USIBOR1500P應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖2 有限元模型圖

1.3 工藝及模擬方案

為研究熱沖壓成形工藝參數(shù)中模具初始溫度對(duì)成形件機(jī)械性能的影響，選擇不同的模具初始溫度開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，方案如表1所示。

表1 不同模具初始溫度方案

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果

圖3、圖4所示為將板料加熱到950℃，傳熱系數(shù)為400 W/(m2·℃)，模具初始溫度為25℃和沖壓速度為15 mm/s的條件下的馬氏體和維氏硬度分布情況。由圖3可知，在板料的底部區(qū)域，馬氏體含量最大，在凹凸模具圓角處，馬氏體含量相對(duì)較少。圖4反映出維氏硬度的分布與馬氏體含量分布規(guī)律相同。

2.2 結(jié)果分析

(1)板料馬氏體組織分析。圖5為板料加熱到950℃，沖壓速度為15 mm/s、傳熱系數(shù)為400 W/(m2·℃)，模具初始溫度分別為 25，100，180 ℃時(shí)馬氏體含量分布圖。由圖5可知，最終的馬氏體含量的最大值隨著模具初始溫度的升高而降低，最小值也呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槟＞叱跏紲囟扔绊懥藴囟葓?chǎng)的分布，所以，其對(duì)U型件的最終組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能影響較為明顯。

圖3 板料最終馬氏體分布

圖4 板料最終維氏硬度分布

圖5 不同模具初始溫度下對(duì)應(yīng)的馬氏體含量分布

(2)板料維氏硬度分析。根據(jù)有限元模擬結(jié)果分析，U型件最終的維氏硬度值隨著模具初始溫度的升高而降低，如圖6所示。分析認(rèn)為這是因?yàn)槟＞叱跏紲囟壬?，使得板料溫度升高，加快了原子的熱運(yùn)動(dòng)，從而原子擴(kuò)大能力加強(qiáng)，導(dǎo)致硬度下降。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)獲得了USIBOR1500P硼鋼在550，600，650，750，850，950 ℃ 共 6 種溫度下，應(yīng)變速率為0.1 mm/s時(shí)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。借助有限元軟件DYNAFORM和ANSYS/LS-DYNA，研究了USIBOR1500P鋼板熱沖壓成形工藝參數(shù)中模具初始溫度對(duì)U型件機(jī)械性能的影響，結(jié)論如下:

圖6 不同模具初始溫度的維氏硬度關(guān)系曲線

(1)U形件最終的馬氏體含量隨著模具初始溫度的升高而降低。

(2)U形件最終的維氏硬度隨著模具初始溫度的升高而降低。

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