王洪廣，岑升波

（柳州鐵道職業(yè)技術學院，廣西 柳州545616）

前防撞梁作為汽車正面碰撞時最重要的安全防線，其安全使用性能直接影響到車內乘客的安全，所以防撞梁的安全性能不容忽視。目前在輕量化的大背景下，高強度的22MnB5 鋼是防撞梁的主要生產(chǎn)材料，相比普通鋼材，其具有較高的比強度，大量使用可以顯著降低汽車車身的總重量。但是高強鋼22MnB5的缺點也很明顯，其常溫下的塑性變形能力較差，在采用冷沖壓成形工藝時容易出現(xiàn)回彈開裂的問題，很多學者研究了高強鋼的熱沖壓成形工藝[1-2]。而熱沖壓成形工藝可以有效的解決這些問題[1-2]。目前，數(shù)值模擬是研究熱沖壓成形工藝最常使用的方法，該方法可以快速模擬不同工藝參數(shù)下工件的成形情況，方便優(yōu)化工藝參數(shù)，加快生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量[3-5]。但是這些研究大都采用的是AUTOFORM、DYNAFORM 等沖壓仿真軟件，而本文采用的是功能強大的ABAQUS 軟件，且本文所討論的防撞梁呈雙U 型，側壁垂直、深度大，成形更加困難。

高強鋼22MnB5 的熱沖壓工藝是把毛坯加熱到奧氏體化溫度后放入模具中進行沖壓成形，然后在模具中冷卻淬火，板材組織由奧氏體轉變?yōu)楦邚姸鹊鸟R氏體組織。在成形的過程中，板材即受到?jīng)_壓成產(chǎn)的變形力，又受到溫度變化帶來的熱應力，成形后的殘余應力有可能會造成防撞梁開裂，或者是在防撞梁的服役過程中和外荷載相互疊加降低結構的剛度和穩(wěn)定性，使防撞梁的安全使用性能降低，因此防撞梁熱沖壓成形過程的應力場研究具有重要的實用價值。

本文基于ABAQUS 熱力耦合有限元方法，建立了22MnB5 鋼的熱-彈塑性有限元模型，對汽車前防撞梁熱沖壓成形過程中應力場進行了研究，分別計算了不同預熱溫度對防撞梁的變形力的影響，并分析了防撞梁在850 ℃預熱溫度下熱沖壓過程和淬火過程中的應力分布場的變化規(guī)律。

1 汽車前防撞梁有限元模型的建立

1.1 建立幾何模型

某品牌轎車的前防撞梁如圖1 所示，結構為雙U型，整體尺寸為長1 068.5 mm、寬135 mm、弧度為22°，厚度為1mm，材料為22MnB5 鋼。

圖1 某汽車前防撞梁

圖2 防撞梁熱沖壓成形的裝配圖

1.2 定義材料屬性

防撞梁的材料先是從常溫預熱到奧氏體化溫度，然后在熱沖壓的過程中逐漸冷卻到室溫，溫度的劇烈變化將導致材料組織發(fā)生變化，這對材料的力學性能影響很大，22MnB5 鋼在不同溫度下的真實塑性應力應變曲線如圖3 所示[6]。

圖3 22MnB5 鋼在不同溫度下塑性應力應變

材料的熱物理性能和力學性能都會隨著溫度的變化而發(fā)生改變，22MnB5 鋼的泊松比、楊氏模量以及熱熔、熱傳導率隨溫度的變化曲線如圖4 所示[7-8]。溫度對材料的密度和線膨脹系數(shù)影響較小，一般可以把這兩個參數(shù)看作是常數(shù)，22MnB5 鋼的密度為7 850 kg·m-3，線膨脹系數(shù)為1.3 × 10-5。

圖4 22MnB5 鋼在不同溫度下物理性能

1.3 設置參數(shù)

防撞梁的熱沖壓工藝為壓邊力15 kN、沖壓速度為40 mm/s，壓邊、沖壓和淬火總時間為2.25 s。模具的初始溫度為室溫，板料和模具的摩擦系數(shù)設定為0.1，模具和毛坯之間的熱傳導系數(shù)設為750 W/m2/K，毛坯和空氣的自然對流系數(shù)設為29 W/m2/K，模具與冷卻水的換熱系數(shù)為1 200 W/m2/K?？紤]到不同預熱溫度對防撞梁成形的影響，分別計算了毛坯溫度為650 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃和950 ℃時防撞梁成形過程中成形力的變化情況。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分技術為結構，選擇溫度-位移耦合的單元類型，毛坯網(wǎng)格尺寸控制為2.5 mm、網(wǎng)格數(shù)量為59631，模具的網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一為5 mm，凸模網(wǎng)格數(shù)量為23296，凹模網(wǎng)格數(shù)量為30015，壓邊圈的網(wǎng)格數(shù)量為9072。防撞梁網(wǎng)格劃分后的模型如圖2 所示。

2 結果分析

2.1 毛坯預熱溫度對防撞梁成形力的影響

材料的力學性能隨著溫度升高，材料的強度降低而塑性增加，在沖壓的過程中主要表現(xiàn)為毛坯塑性成形的難易程度。對此研究了650 ℃、750 ℃、800℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃預熱溫度下防撞梁成形的作用力的變化情況，沖壓時時間為1.75 s，得出變形過程中作用力的變化規(guī)律圖5 所示。從圖中可知，隨著毛坯預熱溫度的升高，沖壓成形的作用力呈減小的趨勢，這是由于溫度升高，高強鋼的硬度降低塑性增加，變形抗力減小，板料易于成形。同時毛坯與模具之間的摩擦系數(shù)首先隨著溫度升高而增大然后800 ℃以后隨著溫度升高而快速下降[9]。在沖壓過程中，溫度越高摩擦系數(shù)越低，毛坯成形受到的阻力越小，也越容易成形。但是并不是溫度越高越好，從鐵碳相圖中看，22MnB5 鋼完全奧氏體化溫度在830 ℃左右，預熱溫度超過高強鋼的奧氏體溫度過多，將會引起奧氏體晶粒長大，引起晶粒粗大組織不均勻造成成型后的防撞梁性能下降。綜合考慮，在加工工藝過程中可以將板料的預熱溫度確定在850 ℃～950 ℃之間。

圖5 不同預熱溫度下毛坯熱沖壓成形過程中的作用力時間曲線圖

2.2 防撞梁熱沖壓成形的應力場分布規(guī)律

防撞梁在850 ℃預熱溫度下熱沖壓成形的應力場分布如圖6 所示。圖a）和b）為沖壓階段的應力場分布，在此階段工件將受到?jīng)_壓作用的機械力和溫度變化導致的熱應力。圖a）為沖壓階段0.5 s 時刻，壓邊圈剛好下壓到位，此時凹槽邊緣處的應力最大為183.5 MPa，因為凹槽處的溫度最高而法蘭處溫度最低，凹槽邊緣處為溫度差最大的地方，所以受到的熱應力最大；壓邊圈的作用只是壓住毛坯防止沖壓過程在出現(xiàn)卷邊，法蘭處的形變量并不大，所以形變力也不高，所以此時是熱應力占主導。圖b）為沖壓階段2.25 s 時刻，防撞梁沖壓成形剛好結束，此時中間直壁和凹槽圓弧過渡區(qū)的應力都比較大，最高處193.8 MPa，已經(jīng)超過了該溫度下的屈服強度，該區(qū)域在沖壓成形的過程中形變量最大，發(fā)生了劇烈的塑性變形，同時由于模具的冷卻作用，防撞梁直壁處上存在著較大的溫度梯度，熱應力的作用也不能忽視，所以此時防撞梁上是形變力和熱應力共同作用。圖c）為淬火階段10 s 時刻，防撞梁已經(jīng)淬火結束，從圖中可以看出，淬火后防撞梁的應力分布比較均勻，應力較大處出現(xiàn)在防撞梁的直壁和凹槽處，這與該時刻的溫度場分布有關，直壁與法蘭、凹槽與直壁之間的溫度梯度較大，導致這兩個區(qū)域的熱應力也較大。同時工件的最高溫度已經(jīng)低于馬氏體轉變終了溫度，馬氏體轉變已經(jīng)結束，工件已經(jīng)完成了馬氏體相變，材料力學性能大大增加，熱脹冷縮造成的應力也越大，所以隨著溫度的降低，防撞梁上的應力也隨著增大。淬火階段防撞梁沒有繼續(xù)發(fā)生沖壓形變，其所受到的應力主要是熱應力。

防撞梁淬火后的最大殘余應力為418.5 MPa，這是因為沖壓的最大塑性變形量發(fā)生在高溫階段，650℃以上22MnB5 的屈服強度只有150 MPa 左右，防撞梁的殘余應力主要還是來自淬火后期不均勻溫度場帶來的熱應力。淬火后22MnB5 鋼的組織為馬氏體組織，其抗拉強度高達1558 MPa，防撞梁的最大殘余應力僅僅是抗拉強度的27%，這對防撞梁的安全使用影響較小，可以不考慮去應力退火熱處理，因為再次加熱將會降低防撞梁的強度。

圖6 不同時刻防撞梁應力場分布

3 結束語

（1）防撞梁的沖壓作用力隨著毛坯預熱溫度的升高而降低，但在考慮溫度對材料組織性能的影響下，板料的預熱溫度確定在850 ℃～950 ℃之間為最佳成形溫度。

（2）防撞梁在成形的過程中，其中間直壁和凹槽圓弧過渡區(qū)在劇烈的塑性變形和巨大的溫度梯度的共同作用下，是整個防撞梁應力最大的區(qū)域。防撞梁淬火后的最大殘余應力為418.5 MPa，而淬火后的22MNB5 鋼的抗拉強度高達1558 MPa，最大殘余應力僅僅是抗拉強度的27%，不會對防撞梁的安全使用造成太大的影響，可以不考慮進行去應力退火。