文／劉鵬，茹承曦，尤寶卿，聶飛，徐冬生，柯亮·東實(shí)(武漢)實(shí)業(yè)有限公司

“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)的提出對(duì)車用金屬輕量化材料提出了比以往更高的要求，車體輕量化和材料生產(chǎn)及尾氣排放的節(jié)能環(huán)保，是新時(shí)期車用材料生產(chǎn)工藝大勢(shì)所趨。

熱沖壓成形技術(shù)利用了材料高溫狀態(tài)下良好的成形性，可有效減少回彈，又能保證模具壽命，而成形淬火后的構(gòu)件具有超高強(qiáng)度，同時(shí)價(jià)格合理，因此熱沖壓成形技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和安全性的先進(jìn)成形技術(shù)。熱沖壓成形技術(shù)已得到世界各國(guó)鋼鐵和汽車制造廠商的高度重視和廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2018 年，全世界已至少共有400 條以上的熱沖壓生產(chǎn)線，而中國(guó)已有130 多條熱沖壓生產(chǎn)線和試模生產(chǎn)線。目前應(yīng)用較廣泛的熱成形用鋼為22MnB5。隨著熱成形鋼應(yīng)用越來(lái)越廣泛，涉及到的產(chǎn)品類型也越來(lái)越多，也就給各種零件的熱成形工藝開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

零件與材料

踏板橫梁零件

本文分析對(duì)象為某合資品牌小型乘用車平臺(tái)化車身用踏板橫梁零件，如圖1 所示。踏板橫梁位于車身中部，連接前地板，中通道，后端；兩側(cè)與門(mén)檻連接板搭接，四周均存在焊接焊點(diǎn)，因此對(duì)零件精度尤其是Y 向?qū)挾纫髽O高。

圖1 踏板橫梁

材料性能

該零件所選用材料為22MnB5 AS23/23，實(shí)際定義材料牌號(hào)為NSSQAS1500H AS23/23，料厚(1.0±0.055）mm；初始態(tài)的22MnB5 材料微觀組織為鐵素體/珠光體，抗拉強(qiáng)度350MPa ～600MPa，均勻延伸率約為15%。通過(guò)熱沖壓成形技術(shù)在模具內(nèi)冷卻淬火后得到完全的馬氏體組織，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1500MPa，均勻延伸率約為6%。其化學(xué)組成如表1 所示。

表1 NSSQAS1500H AS23/23 化學(xué)成分

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(dòng)到帶有冷卻系統(tǒng)的模具上并快速?zèng)_壓，成形的同時(shí)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，其過(guò)程如圖2 所示，通過(guò)該工藝可以將零件的抗拉強(qiáng)度提升至1500MPa 以上。

圖2 熱成形過(guò)程

基于Autoform 的數(shù)值仿真

成形分析

⑴沖壓方向。

由于該踏板橫梁零件兩側(cè)存在沿車身X 向和Z向的翻邊面，如圖3 所示；為實(shí)現(xiàn)該翻邊造型，同時(shí)考慮到?jīng)_壓前板料托料狀態(tài)，最終確定沖壓方向如圖4 所示。

圖3 X/Z 向翻邊

圖4 沖壓方向

⑵成形順序及工藝補(bǔ)充面。

確定沖壓方向后，零件截面呈斜“N”形，其成形順序?yàn)椋合瘸尚纬鲋餍泵?，再成形兩側(cè)斜面2，最后完成翻邊面3 成形，如圖5 所示。

圖5 成形順序

根據(jù)沖壓方向、成形順序，完成工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)，將該工藝面導(dǎo)入Autoform 并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6 所示。

圖6 工藝面和有限元網(wǎng)格劃分

有限元分析路徑

熱成形零件成形所需的工藝路徑為：加熱至930 ～950℃并保溫完成奧氏體化→將板料快速轉(zhuǎn)移至模具內(nèi)→壓機(jī)下行完成沖壓→保壓。在仿真分析模擬中各參數(shù)需與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工業(yè)化過(guò)程保持一致，以獲得最真實(shí)的模擬結(jié)果。

模型建立

本文基于Autoform 軟件建立踏板橫梁熱沖壓成形分析的有限元模型，如圖7 所示。工具體由凸模，凸模壓邊圈，凹模，凹模壓邊圈組成。板料初始溫度為930℃，工具體初始溫度為75℃。

圖7 工具體設(shè)置

成形性評(píng)價(jià)

⑴減薄率。

熱沖壓時(shí)，伴隨著應(yīng)變的過(guò)程，如果各部分材料越能夠均勻地承擔(dān)成形所需的材料流動(dòng)，那么板料的各部分應(yīng)變就會(huì)越小，其減薄率也會(huì)越小，也就越不容易發(fā)生破裂現(xiàn)象。在相同的工藝參數(shù)下，最大應(yīng)變?cè)叫?，那么就可以說(shuō)其熱成形性越好。經(jīng)多次仿真模擬得到減薄分布圖如圖8 所示，對(duì)于該踏板橫梁，在熱沖壓時(shí)最大減薄值出現(xiàn)在零件的凸筋區(qū)域，即開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)就在凸筋圓角處，只要保證該區(qū)域的減薄值在一定范圍內(nèi)就不會(huì)發(fā)生破裂的缺陷。

圖8 減薄分布圖

圖9 板料沖壓成形過(guò)程

⑵成形過(guò)程。

在熱沖壓過(guò)程中，材料流動(dòng)過(guò)程決定了零件是否會(huì)出現(xiàn)起皺或疊料現(xiàn)象。因板料在加熱后，塑性增強(qiáng)，變形阻力變小，在未發(fā)生疊料前的波浪往往會(huì)被壓平而形成局部增厚，如果材料流動(dòng)過(guò)快就易形成疊料，因此需要關(guān)注成形過(guò)程，避免出現(xiàn)疊料情況。

參數(shù)對(duì)熱成形過(guò)程的影響

⑴拉延筋。

拉延筋是指在壓料面上設(shè)置的凸起形狀，熱成形中主要采用圓形拉延筋。在熱成形工藝中拉延筋的主要作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①控制進(jìn)料阻力。適當(dāng)配置拉延筋各項(xiàng)參數(shù)，增加板料變形區(qū)的進(jìn)料阻力。

②調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力的分布?？商岣吲髁狭鲃?dòng)的穩(wěn)定性，得到均勻變形的沖壓件。

③避免出現(xiàn)內(nèi)皺?？煞乐挂蛲咕壷苓叢牧喜痪鶆蛄鲃?dòng)產(chǎn)生的皺紋進(jìn)入修邊線內(nèi)，減輕或消除復(fù)雜零件懸空部分因材料集中而發(fā)生的內(nèi)皺現(xiàn)象。

⑵壓邊間隙。

在熱成形工藝中，拉延筋的載體通常為壓邊圈，拉延筋和壓邊間隙配合形成穩(wěn)定的流料阻力。隨著壓邊間隙的逐漸減小，流料阻力增加，零件減薄率隨之增加甚至出現(xiàn)開(kāi)裂；如壓邊間隙過(guò)大，拉延筋和壓邊圈無(wú)法對(duì)板料形成約束，易形成起皺甚至疊料。

⑶成形速率。

針對(duì)應(yīng)變速率對(duì)沖壓件減薄的影響所做的研究結(jié)果顯示，沖壓件的厚度減薄率隨應(yīng)變速率的增大而減小。不同溫度下減薄率隨應(yīng)變速率的變化有明顯差異：溫度低于500℃時(shí)，變化趨勢(shì)較?。粶囟雀哂?00℃時(shí)，減薄率的減小趨勢(shì)明顯，如圖10 所示。

圖10 不同溫度下最大減薄率隨應(yīng)變速率的變化

⑷成形溫度。

板料自加熱爐轉(zhuǎn)運(yùn)至模具內(nèi)的時(shí)間決定了板料成形的溫度，熱成形零件完全淬透的溫度通常在700℃以上。對(duì)比圖11 中的四組曲線可知，同一成形溫度下，沖壓件中性層的最大主應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增大而逐漸減小。且溫度越高時(shí)，主應(yīng)變的應(yīng)變值越大，即溫度越高時(shí)，其延展性越強(qiáng)，可維持較高的減薄率而不開(kāi)裂。

圖11 不同溫度下最大主應(yīng)變隨應(yīng)變速率的變化

分析結(jié)果與優(yōu)化

為保證熱成形后零件的使用性能，在CAE 分析階段一般要保證減薄率不超過(guò)15%，且不能出現(xiàn)疊料現(xiàn)象。圖12 為在加熱溫度950℃，轉(zhuǎn)移時(shí)間8s，工具體初始溫度75℃，摩擦系數(shù)0.45，壓機(jī)下行速度參照壓機(jī)動(dòng)作曲線條件下獲得的仿真分析結(jié)果。

圖12 減薄率分布

圖12 中監(jiān)控的6 個(gè)點(diǎn)中，存在5 個(gè)點(diǎn)減薄值超出-15%，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極大；一處增厚。在初始參數(shù)下該區(qū)域處于可控狀態(tài)；而在“參數(shù)對(duì)熱成形過(guò)程的影響”小節(jié)所述的熱壓參數(shù)中，可通過(guò)工藝或模具處理變更的參數(shù)有摩擦系數(shù)，拉延筋幾何尺寸和壓邊間隙。

⑴降低摩擦系數(shù)。

圖13 為將摩擦系數(shù)降低至0.4 時(shí)獲得的仿真結(jié)果，圖中監(jiān)控的6 個(gè)點(diǎn)中，5 個(gè)點(diǎn)減薄值相對(duì)初始參數(shù)有明顯降低，同時(shí)端部增厚率為18%，觀察成形過(guò)程，該區(qū)域在成形過(guò)程中存在疊料。

圖13 降低摩擦系數(shù)后的減薄率分布

⑵調(diào)整壓邊間隙。

在疊料與開(kāi)裂共同存在時(shí)，優(yōu)先解決疊料缺陷。解決疊料的方式通常為通過(guò)增大板料，加高拉延筋，減少壓邊間隙以實(shí)現(xiàn)壓邊力的增加。而增加壓邊間隙對(duì)減薄率和成形過(guò)程的影響與降低摩擦系數(shù)類似，即降低了兩側(cè)的流料阻力，從上述降低摩擦系數(shù)的結(jié)果分析，該手段可以有效降低減薄率，但零件在成形過(guò)程中已出現(xiàn)疊料現(xiàn)象，該手段無(wú)法解決該零件成形過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)裂和疊料缺陷。

⑶產(chǎn)品局部?jī)?yōu)化。

通過(guò)以上調(diào)整參數(shù)后的分析對(duì)比，工藝參數(shù)改變并不能完全消除零件成形過(guò)程中存在的開(kāi)裂和疊料風(fēng)險(xiǎn)。在消除疊料的情況下，零件存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，均處在零件圓角區(qū)域。較直接的方案為更改局部產(chǎn)品造型，減低加強(qiáng)筋深度或增大圓角以降低減薄率，消除開(kāi)裂。圖14 為降低加強(qiáng)筋深度后的進(jìn)行仿真的減薄分布圖，通過(guò)該方案實(shí)現(xiàn)了踏板橫梁的工藝開(kāi)發(fā)并使得該零件成功量產(chǎn)，圖15 為沖壓產(chǎn)品實(shí)物。

圖14 更改造型后的減薄分布圖

圖15 沖壓產(chǎn)品實(shí)物

結(jié)論

⑴通過(guò)踏板橫梁的熱成形工藝開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了22MnB5 在熱沖壓過(guò)程中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，掌握了各參數(shù)對(duì)熱成形過(guò)程的影響，為同類型拉深成形工藝積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

⑵通過(guò)踏板橫梁的熱成形工藝開(kāi)發(fā)，擴(kuò)寬了22MnB5 熱成形零件的產(chǎn)品序列。

⑶通過(guò)增大局部圓角的方式可以有效降低熱沖壓后零件的減薄率，保證整體的強(qiáng)度和剛度，在開(kāi)發(fā)前期需盡早識(shí)別。