朱帥，孫福臻，張泉達(dá)，賈瑞鵬

（先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100044）

當(dāng)今汽車輕量化依然是眾多車企共同追求的目標(biāo)，在保證汽車安全性的前提下，研究超高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)以降低車重是目前解決輕量化的有效方法之一[1]。目前國內(nèi)熱成形技術(shù)也成為車企關(guān)注的重要方向，高強(qiáng)鋼熱成形零件已成為汽車競爭的重要手段，穩(wěn)定高效的熱成形工藝技術(shù)成為生產(chǎn)線建設(shè)的重中之重。頂蓋前邊梁加強(qiáng)板作為重要的承力件，傳統(tǒng)冷沖壓工藝生產(chǎn)的零件強(qiáng)度較差，在車輛發(fā)生翻滾時，不能對人員進(jìn)行有效保護(hù)，所以文中對頂蓋前邊梁加強(qiáng)板進(jìn)行熱成形工藝研究，有效提高零件的強(qiáng)度，為該零件生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)[2]。

1 熱成形工藝

超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓工藝是將超高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體化溫度以上，適當(dāng)保溫后，快速移動到模具上并快速沖壓，成形的同時進(jìn)行淬火冷卻，最后獲得超高強(qiáng)度熱沖壓件的一種成形工藝[3]。

圖1 熱沖壓生產(chǎn)工藝路線及量產(chǎn)線Fig.1 Hot stamping production process route and mass production line

2 有限元分析

2.1 模型搭建

圖2是某汽車頂蓋前邊梁加強(qiáng)板，零件整體尺寸為1781 mm×575 mm×275 mm，零件整體結(jié)構(gòu)細(xì)長，并且兩端不規(guī)則，局部拔模角度較小。該零件厚度為1.2 mm，材質(zhì)選用HS1300T/950Y進(jìn)行沖壓數(shù)值模擬，HS1300T/950Y高強(qiáng)板的密度為7370 kg/m3，膨脹系數(shù)為 1.3×10?5K?1，彈性模量為 105 GPa，泊松比為0.3，體積熱容為 4.37 mJ/(mm3·K)，20 ℃下的熱傳導(dǎo)系數(shù)為 20 W/(m2·K)，950 ℃下的熱傳導(dǎo)系數(shù)為75 W/(m2·K)，庫倫摩擦因數(shù)為 0.35，抗拉強(qiáng)度為666 MPa，伸長率為19%。

圖2 頂蓋前邊梁加強(qiáng)板Fig.2 Top cover front side beam strengthening plate

在UG中對該零件進(jìn)行工藝模面補充，通過IGS格式導(dǎo)入軟件，并應(yīng)用軟件默認(rèn)尺寸精度對產(chǎn)品和工藝模面進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分[4]，如圖3所示。

2.2 有限元模擬實施路線

圖3 零件工藝補充和有限元網(wǎng)格劃分Fig.3 Part process supplementation and finite element meshing

通過分析，該零件成形所需工藝路線為：板料加熱（加熱溫度超過亞共析鋼奧氏體化臨界溫度以上，使其充分奧氏體化[5]）、零件成形（定義模具工具體及其運動方式）、淬火（均勻快速冷卻使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虬鍡l狀馬氏體）、激光切割落料（由于淬火后零件硬度較高只能通過激光切割實現(xiàn)產(chǎn)品最終結(jié)構(gòu)）。圖4為工藝模擬實施路線。

該零件模擬分析中對沖壓速度分別設(shè)置為 50，100，150，200，250 mm/s，研究沖壓速度對成形的影響，根據(jù)初始成形溫度對熱沖壓件力學(xué)性能的研究表明，板料初始成形溫度為750～850 ℃時，鋼板的抗拉強(qiáng)度和硬度會明顯提高[6]，所以設(shè)置鋼板加熱溫度為900～930 ℃，板料轉(zhuǎn)移時間設(shè)置為3 s[7]；分別設(shè)置保壓力為 500，800，1000，1500 kN，研究壓力對冷卻速率的影響，由于冷卻時需要保證馬氏體轉(zhuǎn)變初始溫度（大約200 ℃），所以設(shè)置板料最終溫度為85 ℃。

2.3 有限元模擬過程和成形結(jié)果分析

模型采用單動模具拉延類型，沖壓過程中凸模、凹模設(shè)置為剛體，板料為三維可變形實體[8]，通過反算功能計算零件展開初始板料尺寸，并將單邊擴(kuò)大5 mm作為料片尺寸。圖5所示為沖壓開始階段各個工具體的位置狀態(tài)，由于加熱后板料較軟，凸模的最高點與最低點落差較大，所以板料轉(zhuǎn)移至凸模時會產(chǎn)生位置偏移和傾斜，需要在凸模的4個方向增加板料定位約束，如圖5所示。

圖4 有限元模擬工藝路線Fig.4 Process route of finite element simulation

圖5 沖壓初始階段Fig.5 Initial stage of stamping

頂蓋前邊梁加強(qiáng)板較窄側(cè)位于零件最低點，并且存在輕微轉(zhuǎn)角，所以零件在到底前10 mm時出現(xiàn)劇烈褶皺，如圖6所示；并在到底前3 mm出現(xiàn)疊料，如圖7所示。該結(jié)果是因為最低點翻折成形時與旁邊臺階出現(xiàn)疊料，所以需要對此處模面優(yōu)化的同時增加壓邊圈，用來拖料，控制材料的流動[9]。

圖6 到底前10 mm板料褶皺Fig.6 The last 10 mm sheet folds

圖7 到底前3 mm疊料Fig.7 The last 3 mm stack

因為板料尺寸較小，增加壓邊圈后起不到拖料的作用，所以需要相應(yīng)的增大板料尺寸，如圖8所示，壓邊圈通過間隙調(diào)節(jié)，設(shè)置壓邊圈與凹模的間隙為1.0～1.1倍料厚[10]，取值 1.26 mm，控制較窄處板料流動，使板料均勻流出，從而解決疊料問題。

圖8 板料線前后對比Fig.8 Sheet line comparison

增加壓邊圈后疊料起皺問題得以解決，零件成形過程如圖9所示，分別為板料重力狀態(tài)（便于板料定位設(shè)計）、凸模接觸板料、到底前30 mm狀態(tài)、到底前10 mm狀態(tài)、到底前3 mm狀態(tài)（無明顯起皺[11]）、到底狀態(tài)（無開裂現(xiàn)象）。

優(yōu)化數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂蓋前邊梁加強(qiáng)板成形性良好，其厚度和減薄分布如圖10—11所示，厚度分布集中在1.18～1.21 mm附近，減薄最大不超過5%，厚度整體分布均勻[12]。

由于增加了壓邊圈拖料，所以加熱后的板料轉(zhuǎn)移到壓邊圈上時，與壓邊圈接觸的板料最先進(jìn)行熱傳導(dǎo)，當(dāng)壓機(jī)速度為200 mm/s時，凹模下降到與壓邊圈接觸需要1.6 s左右，接觸壓邊圈的板料溫度冷卻較早，比未接觸壓邊圈的板料溫度低100 ℃左右，如圖12所示；隨著凹凸模閉合，零件整體冷卻速率基本一致，當(dāng)零件成形保壓淬火階段結(jié)束時，零件溫度基本降到260 ℃左右，與壓邊圈接觸的位置板料溫度在140 ℃左右，如圖13所示。

零件的不均勻冷卻會導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變不均勻，從而導(dǎo)致零件部分區(qū)域強(qiáng)度較低[13]，所以根據(jù)板料溫度變化規(guī)律，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高壓機(jī)快降速度，保證凹模與壓邊圈快速閉合，同時當(dāng)板料放置在壓邊圈時可以降低壓邊圈上冷卻水流速，當(dāng)成形淬火階段再提高冷卻水流速[14]，這樣就能保證零件整體冷卻的均勻性。

圖9 板料各個階段成形過程Fig.9 Forming diagram of each stage of sheet metal

圖10 厚度分布云圖(mm)Fig.10 Cloud map of thickness

圖11 減薄率分布云圖Fig.11 Cloud map of thinning rate

圖12 凹模與壓邊圈閉合時板料溫度分布(℃)Fig.12 Sheet temperature distribution when the die and blank holder are closed

圖13 成形淬火結(jié)束時板料溫度分布(℃)Fig.13 Sheet temperature distribution at the end of forming and quenching

成形仿真結(jié)果如圖14—16，成形后零件馬氏體轉(zhuǎn)變率平均達(dá)到 98%以上，抗拉強(qiáng)度平均不低于1400 MPa，維氏硬度平均不低于 HV475，模擬結(jié)果均滿足超高強(qiáng)鋼熱沖壓工藝的國家標(biāo)準(zhǔn)要求[15]。

圖14 成形后馬氏體分布(%)Fig.14 Martensite distribution after forming

圖15 成形后抗拉強(qiáng)度分布(MPa)Fig.15 Tensile strength distribution after forming

圖16 成形后維氏硬度分布(HV)Fig.16 Vickers hardness distribution after forming

結(jié)合仿真模擬工藝進(jìn)行零件試制，模擬分析的目的是為了生產(chǎn)加工應(yīng)用，通過模擬分析選擇最優(yōu)生產(chǎn)工藝，才能為現(xiàn)場生產(chǎn)提供有力依據(jù)，零件最終試制結(jié)果如圖17所示。

圖17 頂蓋前邊梁加強(qiáng)板實物Fig.17 Physical drawing of top cover front side beam strengthening plate

3 結(jié)論

試驗表明，頂蓋前邊梁加強(qiáng)板熱成形工藝需要增加拖料體，以控制材料流動，并且需要對冷卻水流速度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，才能保證冷卻的均勻性，提高零件的整體性能，分析表明經(jīng)過該熱成形分析方法，可達(dá)到性能要求，并滿足批量化生產(chǎn)，為同類型零件熱成形分析提供了技術(shù)指導(dǎo)。