热成型工艺及模具工艺优化研究

李万

一、引言

从1973年Norrbottens Jernverk 率先开发出热成形工艺至今，热成形技术在全球范围内得到了广泛的应用，目前全球热成形生产线超过 110 条。相对于冷冲压模具，热成形模具的使用寿命普遍不高，势必造成模具的制造和使用成本增加，影响热成形件在车身制造中的使用和推广。热成形是冷冲压与热处理相结合的新型冲压工艺，接触关系及边界条件非常复杂，是一个热力耦合的过程。模具既承受来自高温板料加热及冷却水冷却产生的热应力，又受到来自机械设备施加的机械应力，模具工作环境非常恶劣，对模具性能研究相当有必要。在模具性能研究方面，S.H. Tang和 Xi-Ping Li等人通过有限元法对注塑模具进行热分析，研究热应力对模具性能的影响及造成的失效形式。R. deOliveira等人通过实验对比分析不同模具材料用于碳纤维复合材料加工对模具热应变的影响。D. Firrao通过模具材料微观结构研究，分析不同模具材料对模具表面及里层疲劳和断裂韧性的影响。上述学者在模具性能研究方面做了大量创新性的工作，但并没有涉及热成形模具热力耦合分析。实际生产中，热成形模具在承受机械应力的同时受到自身温差引起的热应力，导致模具温度与应力的相互关系及变化规律错综复杂。鉴于实验测量的困难性，本文通过对热成形进行热力耦合数值模拟，揭示模具温度与应力的相互关系及变化规律，以填补国内外空白。

淬火过程中高温区主要分布在模具型面，凹凸模圆角出现温度集中。这是由于凹凸模圆角最先接触板料且接触时间最长，受限于模具冷却能力，热量堆积造成模具圆角温度集中。对比于 发现，模具应力集中与温度集中区域均出现在模具圆角。由于模具温度集中产生热应力，热应力在模具应力中所占比重较大，造成凹凸模圆角应力集中。此外发现，模具应力由不均匀分布到沿模具型面分布。因为淬火时需对模具施以很大的保压压力，机械应力的引入造成淬火初期模具应力分布不均匀。随着淬火的进行，热应力随温度变化而变化，而机械应力为常量，温差产生的热应力逐渐起主导作用，热应力的参与改变了模具应力分布状态。

二、热成形工艺数值模拟分析

随着计算机硬件设施和数值模拟软件的快速发展， CAE 技术在汽车制造业领域取得了令人瞩目的成绩。冲压 CAE 商用软件主要有 Autoform、Dynaform、Pam-Stamp 等，在车身冲压方向得到了广泛的应用。针对热成形模具温度与应力相互关系及变化规律的复杂性，应用ABAQUS 软件对超高强钢板热成形过程进行热力耦合数值模拟。对多个热成形循环进行仿真分析，待模具温度处于动态平衡状态，获取模具随时间变化的温度场和应力场。以模具温度作为输入载荷，对模具进行热应力分析，获取相应的模具热应力场。在无热传递条件下，对模具进行机械应力分析，并获取模具机械应力随时间的变化曲线。通过对比方法，分析模具温度与模具应力、热应力的相互关系及变化规律；研究模具应力中热应力和机械应力所占的比重。

（1）随着冶炼技术的快速发展，钢铁企业开发出轻质高强度的超高强度钢板。超高强钢板具有很高的抗拉强度，足够的韧性，极大的比强度（强度与密度之比），以减轻构件的重量，而且有良好的焊接性能。超高强钢板的使用既满足汽车安全性能要求，又兼顾汽车轻量化需求。所以，超高强钢板越来越多的应用于车身制造中，能在满足车身轻量化的同时，极大的提高汽车的碰撞安全性能。然而，超高强钢板在常温下屈服强度高，成形性能差，延伸率较低，采用传统的冷冲压工艺加工容易出现开裂、起皱、回弹、尺寸不易控制、成形抗力大、成形设备吨位高等问题。在此背景下，热冲压成形技术的开发成为解决高强钢零件冲压成形问题的关键，并在汽车制造业得到的广泛关注。

（2）为了研究淬火工艺参数对模具冷却性能的影响，借助 MPCCI 耦合ABAQUS 和 FLUENT 软件，对热成形淬火阶段进行热流固耦合数值模拟，分析模具冷却性能对淬火工艺参数的敏感性。对模具温度进行动平衡分析，获取平衡状态下冲压终了时模具温度场，作为敏感性分析时模具的初始温度场。通过改变淬火工艺参数：保压压力、淬火时间、冷却水温度、冷却水流速，对热成形的保压淬火过程进行热流固耦合分析，获取模具冷却性能評价指标数据。经过数据处理以及图形对比方法，分析各淬火工艺参数对模具冷却性能的影响规律；研究模具冷却性能各评价指标对各淬火工艺参数的敏感性。热成形是冷冲压与热处理相结合的新型冲压工艺，过程涉及几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等问题。此外，热成形过程具有应力场、温度场、相变场及流场等多物理场耦合的特性，由此给热成形仿真计算带来了多学科、多领域相互交叉的复杂问题。为了深入了解热成形相关的仿真分析理论，本章将简单介绍：有限元分析理论，传热分析理论，热力耦合分析理论，热流固耦合分析原理。

有限元分析方法，即使用有限单元离散需要分析的物理系统，并利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，从而用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统的分析方法。热成形过程具有高度非线性的特点，借助有限元分析方法，可以对热成形过程进行模拟。时下最流行的热成形仿真分析软件是 ABAQUS，使用 ABAQUS/Explicit 模块可对热成形进行有效分析。

三、虚功原理

虚功原理作为求解力学有限元的基础，时虚位移原理及虚应力原理的统称，可以表述为：对于一个处于平衡状态的系统，当满足许可位移条件的虚位移时，系统上所有的虚功总和恒为零，即体系外力的虚功与内力的虚功之和为 0针对热成形模具温度与应力相互关系及变化规律的复杂性，应用 ABAQUS对多个热成形循环进行仿真分析，研究了模具温度、应力、热应力的相互关系及变化规律，并通过对比方法，分析了热成形模具中应力、热应力、机械应力所占比重，得到如下结论①模具圆角与板料接触最早且接触时间最长，模具圆角处产生热应力集中。②在一个热成形循环中，模具温度在淬火初期达到最大值，随着淬火的进行，模具温度冷却速度逐渐减小。③模具热应力在 2.5s 内改变 325Mpa，模具热应力较高的变化频率及过大的变化幅值，极易造成模具热疲劳。④模具温度与热应力曲线对比表明：温差是产生热应力的原因，模具热应力随着温度波动变化。⑤模具应力、热应力、机械应力比例为：11.25：10.31：1，由此可知，模具应力中热应力比重较大。