高波

摘 要：文章以某一M型截面為研究對(duì)象，采用有限元模擬的方法研究沖壓速度、壓邊力和摩擦系數(shù)對(duì)該零件沖壓成形質(zhì)量的影響規(guī)律。研究表明：熱沖壓過程中，高速?zèng)_壓可以減小板料破裂的可能性，當(dāng)沖壓速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，沖壓速度對(duì)減薄影響不明顯；當(dāng)增大壓邊力時(shí)，會(huì)使零件在側(cè)壁處減薄嚴(yán)重，壓邊力過大時(shí)，零件會(huì)發(fā)生破裂；研究的M形件的內(nèi)側(cè)壁的厚度受摩擦系數(shù)影響很大，在熱沖壓過程中，需要重視板料的潤滑狀態(tài)，盡量減少摩擦系數(shù)。

關(guān)鍵詞：工藝參數(shù)；硼鋼熱沖壓成形質(zhì)量；影響

1 概述

超高強(qiáng)度鋼在汽車上的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了車身輕量化，減少了燃油的排放，同時(shí)其超高的強(qiáng)度也提高了車身的碰撞性能，保證了整車的安全性，因此超高強(qiáng)度鋼在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。近年來，熱沖壓技術(shù)得到了廣泛的研究。高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)是將硼鋼板加熱至900-950℃保溫4-5min使其充分奧氏體化，然后迅速轉(zhuǎn)移到冷模具上進(jìn)行沖壓，同時(shí)冷模具對(duì)硼鋼進(jìn)行保壓淬火，獲得抗拉強(qiáng)度為1500MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼熱沖壓零件[5-7]。由于在高溫下成形，板料流動(dòng)性能好，可一次成形形狀復(fù)雜的零件。并且零件的回彈量小，零件的精度高[8-10]。

然而，在熱沖壓成形零件質(zhì)量受很多因素的影響。由于硼鋼在高溫下成形，板料的流動(dòng)行為受應(yīng)變速率的影響，因此沖壓速度對(duì)零件的成形性能有一定的影響。同時(shí)，成形過程中，壓邊力的大小和板料與模具之間的摩擦力的大小也會(huì)對(duì)零件的成形性能產(chǎn)生較大的影響。因此，本文基于有限元仿真，以某汽車車門防撞梁上的某一個(gè)M型的截面拉伸后的零件為研究對(duì)象，研究沖壓速度，壓邊力和摩擦系數(shù)對(duì)其成形性能的影響規(guī)律。

2 M形件熱沖壓有限元模擬

M形件熱沖壓的幾何模型如圖1所示。模型由四部分組成：板料為可變形體，上下模及壓力板為剛體，他們之間的接觸形式為通用接觸。上下模面的間隙為1.21mm，板料尺寸為250×210×1.1mm。

高強(qiáng)鋼熱沖壓有限元仿真是一個(gè)熱力耦合的問題，因此為了更加準(zhǔn)確的獲得其擬合的結(jié)果，需要較多的板料材料屬性。材料的各個(gè)物理屬性參數(shù)見表1。

沖壓行程為42mm。板料與模具之間發(fā)生熱傳導(dǎo)，由于熱傳導(dǎo)系數(shù)與接觸壓力和模具間隙有關(guān)，根據(jù)已有文獻(xiàn)，確定熱傳導(dǎo)系數(shù)如表2所示。隨著間隙的減小，界面換熱系數(shù)增大，隨著接觸壓力的增大，界面換熱系數(shù)增大。

硼鋼在高溫下的流變行為如圖2所示，采用的是四個(gè)溫度（600，700，800，900℃）和四個(gè)應(yīng)變速率下（0.01，0.1，1.0，10.0/s）的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變速率的提高，硼鋼在高溫下的強(qiáng)度越高。

3 工藝參數(shù)對(duì)硼鋼熱沖壓成形的影響

3.1 沖壓速度對(duì)減薄的影響

為了研究沖壓速度對(duì)于硼鋼熱沖壓成形的影響，分別進(jìn)行了50，100，150，200mm/s沖壓速度條件下的有限元仿真，這些仿真都是在摩擦系數(shù)0.3，模具溫度為80℃，壓邊力10KN，成形溫度800℃下進(jìn)行的。

圖3（a-d）為沖壓速度分別為50mm/s，100mm/s，150mm/s和200mm/s條件下的厚度分布云圖。當(dāng)沖壓速度為50mm/s時(shí)，M形件在沖程為40mm處內(nèi)側(cè)壁發(fā)生破裂；當(dāng)沖壓速度為100mm/s，150mm/s及200mm/s時(shí)，最后厚度約為1.0mm，無明顯差異。比較得知：熱沖壓過程中，需采用高速?zèng)_壓，這樣可以減小板料破裂的可能性。但當(dāng)沖壓速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，沖壓速度對(duì)減薄影響不明顯。

3.2 壓邊力對(duì)減薄的影響

為了研究壓邊力對(duì)于22MnB5熱沖壓成形的影響，進(jìn)行了不同壓邊力條件下的有限元仿真，這些仿真都是在摩擦系數(shù)0.3，模具溫度為80℃，沖壓速度100mm/s，成形初始溫度800℃下進(jìn)行的。

圖4為壓邊力分別為5KN，10KN和50KN條件下成形后的厚度分布云圖。當(dāng)壓邊力為5KN時(shí)，M形件最小厚度為1.01mm；當(dāng)壓邊力為10KN時(shí)，M形件最小厚度為1.00mm；當(dāng)壓邊力為50KN時(shí)，M形件在沖程為21mm處內(nèi)側(cè)壁發(fā)生破裂。比較得知：對(duì)于此M形件的成形，增大壓邊力，會(huì)使零件在側(cè)壁處減薄嚴(yán)重，壓邊力過大時(shí)，破裂的可能性較大。

3.3 摩擦系數(shù)對(duì)減薄的影響

為了研究摩擦系數(shù)對(duì)于22MnB5熱沖壓成形的影響，進(jìn)行了不同摩擦系數(shù)條件下的有限元仿真，這些仿真都是在壓邊力為10KN，模具溫度為80℃，沖壓速度100mm/s，成形初始溫度800℃下進(jìn)行的。

圖5為摩擦系數(shù)分別為0.2，0.3和0.35條件下成形后的厚度分布云圖。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，M形件最小厚度為1.03mm；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，M形件最小厚度為1.00mm；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.35，沖程達(dá)到34mm時(shí)M形件發(fā)生破裂。比較得知：此M形件的兩個(gè)內(nèi)側(cè)壁的成形受摩擦系數(shù)影響很大，在實(shí)際沖壓中，我們采用石墨潤滑，同時(shí)，要均勻涂抹潤滑油。

4 結(jié)束語

本文采用有限元模擬的方法研究了工藝參數(shù)對(duì)硼鋼熱沖壓成形性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）熱沖壓過程中，高速?zèng)_壓可以減小板料破裂的可能性。當(dāng)沖壓速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，沖壓速度對(duì)減薄影響不明顯；

（2）當(dāng)增大壓邊力時(shí)，會(huì)使零件在側(cè)壁處減薄嚴(yán)重，壓邊力過大時(shí)，零件會(huì)發(fā)生破裂；

（3）研究的M形件的內(nèi)側(cè)壁的厚度受摩擦系數(shù)影響很大，在熱沖壓過程中，需要重視板料的潤滑狀態(tài)，盡量減少摩擦系數(shù)。

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