李 琦，紀(jì)沙沙，王章忠，呂學(xué)鵬

（1.南京星喬威泰克汽車零部件有限公司，江蘇 南京 211100；

2.南京工程學(xué)院，材料工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

隨著能源與環(huán)境保護(hù)問題的日益突出，汽車行業(yè)對節(jié)能減排提出了更高的要求，汽車的輕量化已成為低碳時(shí)代汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前，汽車輕量化主要通過以下三種途徑［1-3］：1.汽車結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，如結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)等；2.采用超高強(qiáng)度鋼以及高強(qiáng)度復(fù)合材料等；3.采用先進(jìn)的輕量化制造工藝技術(shù)，如超高強(qiáng)度鋼熱成形和內(nèi)高壓成形等制造技術(shù)等。其中，采用高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鋼制造汽車零部件是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要研究內(nèi)容。

與普通鋼板相比，高強(qiáng)度鋼板具有更高的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，但硬化指數(shù)、厚向異性系數(shù)及延伸率均較低，成形性能差，且回彈量大難以控制，容易破裂。尤其是強(qiáng)度達(dá)到1500MPa時(shí)，目前的冷成形工藝幾乎無法完成高強(qiáng)鋼構(gòu)件的成形制造。為解決高強(qiáng)鋼成形難的問題，熱成形高強(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生。高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)是把特殊的硼合金鋼加熱使之奧氏體化，隨后將紅熱的板料送入有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，同時(shí)被具有快速均勻冷卻系統(tǒng)的模具冷卻淬火，鋼板組織由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而得到超高強(qiáng)度的鋼板的過程。

目前，工業(yè)化常用的熱成形工藝分為直接熱成形和間接熱成形兩類。直接熱成形是奧氏體化和成形同時(shí)進(jìn)行，適用于形狀簡單、深度較淺的零部件。相比于直接熱成形，間接熱成形是將板材先經(jīng)過沖壓預(yù)成形后再進(jìn)行熱沖壓淬火，可用于復(fù)雜形狀零件的制造。間接熱成形具有技術(shù)要求簡單，熱沖壓過程中溫度更均勻，數(shù)值模擬簡單等優(yōu)點(diǎn)，其使用范圍越來越廣［4］。間接熱成形中冷沖壓的質(zhì)量直接決定零件合格率，因此超高強(qiáng)度鋼的冷沖壓成形工藝研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。

采用有限元數(shù)值模擬分析對超高強(qiáng)度鋼冷成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，不僅減少試模次數(shù)，從而大大縮短零件的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本?；谝陨媳尘?，文章將利用Dynaform軟件對22MnB5超高強(qiáng)度鋼防撞梁進(jìn)行冷沖壓過程的模擬，得到最佳的摩擦系數(shù)和壓邊力等工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料及有限元數(shù)值模擬流程

試驗(yàn)材料為2MnB5超高強(qiáng)度鋼，該鋼為最常用的熱成形馬氏體鋼，其屈服強(qiáng)度為400MPa，抗拉強(qiáng)度為520MPa。汽車防撞橫梁為汽車典型的安全組件，其成形過程包括以下四個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 防撞梁冷沖壓成形過程

本試驗(yàn)以防撞梁為例快速設(shè)置的回彈分析流程為：建立模型、導(dǎo)入模型、前處理設(shè)置參數(shù)、Full Run Dynay隱式算法計(jì)算和后處理。在前處理設(shè)置參數(shù)中，先對導(dǎo)入模具劃分網(wǎng)格，設(shè)置單元格的大小；劃分完網(wǎng)格后定義沖頭和凹模工具，設(shè)置材料的厚度、摩擦系數(shù)以及壓邊力；設(shè)置完可以通過拉延界面的預(yù)覽來觀察模具的運(yùn)動(dòng)情況是否正確。在后處理界面可以直觀看到板料沖壓成型過程演示動(dòng)畫，并且通過后處理來分析零件不同部位的回彈量。通過 Dynaform中的劃線功能，在板料回彈前后的位置上各定義出一條直線，并測量出這兩條直線的夾角即可得到板料的回彈角，這種方法不僅提高了測量精度，還提高了測量效率。本實(shí)驗(yàn)中根據(jù)選取回彈難易的部位選取了三個(gè)典型回彈角θ1、θ2和θ3來分別計(jì)算回彈量 η1、η2和 η3，如圖 2 所示。其中，回彈量 η=（r′-r）/r′，r為回彈前的彎曲半徑，r′為回彈后的彎曲半徑。

圖2 典型回彈角 θ1、θ2和 θ3

2 超高強(qiáng)度鋼冷沖壓 成形工藝過程模擬

通常在板料的沖壓成形中，卸載后的回彈往往是由材料本身的屬性以及加載環(huán)境的參數(shù)來決定的，文章選擇摩擦系數(shù)和壓邊力這兩個(gè)主要影響因素來分析22MnB5防撞梁的回彈情況。在冷沖壓成形過程中，板料與模具表面會(huì)發(fā)生摩擦現(xiàn)象，對材料的應(yīng)力狀態(tài)具有較大的影響，進(jìn)而影響其成形性和回彈情況。

當(dāng)壓邊力為250kN時(shí)，不同摩擦系數(shù)對22MnB5防撞梁回彈量的影響如圖3所示。隨著摩擦系數(shù)的增大，防撞梁的回彈量η1、η2和η3均逐漸降低，其中回彈量η1的降低幅度最大。隨著摩擦系數(shù)從0.08增大到0.15，回彈量 η1、η2和 η3分別從 0.422、0.352、0.542 降低至 0.181、0.184、0.372，其降幅分別為 55.45%、47.72%和31.37%。

圖3 不同摩擦系數(shù)下防撞梁的回彈量

此外，從圖3中可看出，防撞梁的回彈量和摩擦系數(shù)近似成二次函數(shù)的關(guān)系，這是由于摩擦系數(shù)使變形過程某些局部區(qū)域的拉應(yīng)力增大了，這樣一來零件的變形增大也帶來發(fā)生塑性變形的區(qū)域增大。當(dāng)摩擦系數(shù)大于0.125后，防撞梁的回彈量雖然仍在降低，但其降幅明顯減小，因此考慮到工程應(yīng)用價(jià)值和預(yù)防起皺開裂等因素，最佳摩擦系數(shù)應(yīng)選取0.125。

不同摩擦系數(shù)下防撞梁的最大減薄率見圖4。從圖中可以看出，防撞梁的最大減薄率隨著摩擦系數(shù)的增大而逐漸增大。這是由于當(dāng)摩擦系數(shù)增大，回彈量會(huì)隨著減小，導(dǎo)致原本發(fā)生彈性變形的區(qū)域發(fā)生了塑性變形，因此板料的最大減薄率增大。

圖4 不同摩擦系數(shù)下防撞梁的回彈量

當(dāng)摩擦系數(shù)為0.125時(shí)，不同壓邊力對22MnB5防撞梁回彈量的影響如圖5所示。隨著壓邊力的增大，防撞梁的回彈量逐漸η1、η2和η3均逐漸減小，其中回彈量η2的降低幅度最大。隨著壓邊力從150kN增大到300kN，回彈量 η1、η2和 η3分別從 0.544、0.682、0.702降低至 0.154、0.174、0.350，其降幅分別為 71.69%、74.49%和50.14%。對比摩擦系數(shù)對回彈量的影響，可發(fā)現(xiàn)壓邊力的大小對控制防撞梁的回彈具有重要作用。

圖5 不同壓邊力對22MnB5防撞梁回彈量的影響

此外，從圖5中可看出，防撞梁的回彈量和壓邊力近似成反比例函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)壓邊力較大時(shí)，加載過程沖頭就會(huì)緊緊壓住板料的邊緣，使零件在成型過程中產(chǎn)生大量塑性變形與拉應(yīng)力，沖頭卸載后由于大部分區(qū)域都已經(jīng)發(fā)生塑性變形，即使有回彈也由于受到拉應(yīng)力的作用而降低，因此極大地提高了工件的尺寸精度。在工件成行過程中，壓邊力對回彈的影響至關(guān)重要。由于壓邊力過大易造成冷成形工件的破裂，因此選取合適的壓邊力為250kN。

當(dāng)摩擦系數(shù)為0.125，壓邊力為250kN時(shí)，對防撞梁的沖壓成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。防撞梁的壁厚分布如圖6所示。沖壓后防撞梁的減薄分布如圖7所示。對比圖6和圖7可以看出，防撞梁中減薄率較高的區(qū)域（圖7中圓圈區(qū)域）與其壁厚較薄的區(qū)域相對應(yīng)，而且在棱角部位的減薄率較高。沖壓后防撞梁的第一應(yīng)力分布圖見圖8。對比圖6可以觀察到，應(yīng)力分布較大的區(qū)域減薄率也較大，減薄率較小的區(qū)域的變形程度要更高，這就可以推斷出由于受力較大的區(qū)域與其它中心部位受力不同，在加載過程中該區(qū)域由于承受較大應(yīng)力已經(jīng)發(fā)生塑性變形，但是板料的中心區(qū)域仍處于彈性變形階段，此時(shí)卸載后板料中心部位就會(huì)產(chǎn)生回彈。

圖6 防撞梁的壁厚分布

圖7 沖壓后防撞梁的減薄分布

圖8 沖壓后防撞梁的第一應(yīng)力分布圖

3 結(jié)語

（1）隨著摩擦系數(shù)的增大，防撞梁的回彈量逐漸降低，且防撞梁的回彈量和摩擦系數(shù)近似成二次函數(shù)的關(guān)系。

（2）隨著壓邊力的增加，回彈量逐漸降低，且防撞梁的回彈量和壓邊力近似成反比例函數(shù)的關(guān)系。

（3）對防撞梁的沖壓成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到較好的工藝參數(shù)：摩擦系數(shù)為0.125，壓邊力為250kN。