工艺参数对硼钢热冲压成形质量影响研究

高波

摘 要：文章以某一M型截面为研究对象，采用有限元模拟的方法研究冲压速度、压边力和摩擦系数对该零件冲压成形质量的影响规律。研究表明：热冲压过程中，高速冲压可以减小板料破裂的可能性，当冲压速度达到一定数值时，冲压速度对减薄影响不明显；当增大压边力时，会使零件在侧壁处减薄严重，压边力过大时，零件会发生破裂；研究的M形件的内侧壁的厚度受摩擦系数影响很大，在热冲压过程中，需要重视板料的润滑状态，尽量减少摩擦系数。

关键词：工艺参数；硼钢热冲压成形质量；影响

1 概述

超高强度钢在汽车上的应用，不仅实现了车身轻量化，减少了燃油的排放，同时其超高的强度也提高了车身的碰撞性能，保证了整车的安全性，因此超高强度钢在汽车制造领域的应用越来越广泛[1-4]。近年来，热冲压技术得到了广泛的研究。高强钢热冲压技术是将硼钢板加热至900-950℃保温4-5min使其充分奥氏体化，然后迅速转移到冷模具上进行冲压，同时冷模具对硼钢进行保压淬火，获得抗拉强度为1500MPa级的高强钢热冲压零件[5-7]。由于在高温下成形，板料流动性能好，可一次成形形状复杂的零件。并且零件的回弹量小，零件的精度高[8-10]。

然而，在热冲压成形零件质量受很多因素的影响。由于硼钢在高温下成形，板料的流动行为受应变速率的影响，因此冲压速度对零件的成形性能有一定的影响。同时，成形过程中，压边力的大小和板料与模具之间的摩擦力的大小也会对零件的成形性能产生较大的影响。因此，本文基于有限元仿真，以某汽车车门防撞梁上的某一个M型的截面拉伸后的零件为研究对象，研究冲压速度，压边力和摩擦系数对其成形性能的影响规律。

2 M形件热冲压有限元模拟

M形件热冲压的几何模型如图1所示。模型由四部分组成：板料为可变形体，上下模及压力板为刚体，他们之间的接触形式为通用接触。上下模面的间隙为1.21mm，板料尺寸为250×210×1.1mm。

高强钢热冲压有限元仿真是一个热力耦合的问题，因此为了更加准确的获得其拟合的结果，需要较多的板料材料属性。材料的各个物理属性参数见表1。

冲压行程为42mm。板料与模具之间发生热传导，由于热传导系数与接触压力和模具间隙有關，根据已有文献，确定热传导系数如表2所示。随着间隙的减小，界面换热系数增大，随着接触压力的增大，界面换热系数增大。

硼钢在高温下的流变行为如图2所示，采用的是四个温度（600，700，800，900℃）和四个应变速率下（0.01，0.1，1.0，10.0/s）的应力应变曲线。从图中可以看出，随着应变速率的提高，硼钢在高温下的强度越高。

3 工艺参数对硼钢热冲压成形的影响

3.1 冲压速度对减薄的影响

为了研究冲压速度对于硼钢热冲压成形的影响，分别进行了50，100，150，200mm/s冲压速度条件下的有限元仿真，这些仿真都是在摩擦系数0.3，模具温度为80℃，压边力10KN，成形温度800℃下进行的。

图3（a-d）为冲压速度分别为50mm/s，100mm/s，150mm/s和200mm/s条件下的厚度分布云图。当冲压速度为50mm/s时，M形件在冲程为40mm处内侧壁发生破裂；当冲压速度为100mm/s，150mm/s及200mm/s时，最后厚度约为1.0mm，无明显差异。比较得知：热冲压过程中，需采用高速冲压，这样可以减小板料破裂的可能性。但当冲压速度达到一定数值时，冲压速度对减薄影响不明显。

3.2 压边力对减薄的影响

为了研究压边力对于22MnB5热冲压成形的影响，进行了不同压边力条件下的有限元仿真，这些仿真都是在摩擦系数0.3，模具温度为80℃，冲压速度100mm/s，成形初始温度800℃下进行的。

图4为压边力分别为5KN，10KN和50KN条件下成形后的厚度分布云图。当压边力为5KN时，M形件最小厚度为1.01mm；当压边力为10KN时，M形件最小厚度为1.00mm；当压边力为50KN时，M形件在冲程为21mm处内侧壁发生破裂。比较得知：对于此M形件的成形，增大压边力，会使零件在侧壁处减薄严重，压边力过大时，破裂的可能性较大。

3.3 摩擦系数对减薄的影响

为了研究摩擦系数对于22MnB5热冲压成形的影响，进行了不同摩擦系数条件下的有限元仿真，这些仿真都是在压边力为10KN，模具温度为80℃，冲压速度100mm/s，成形初始温度800℃下进行的。

图5为摩擦系数分别为0.2，0.3和0.35条件下成形后的厚度分布云图。当摩擦系数为0.2时，M形件最小厚度为1.03mm；当摩擦系数为0.3时，M形件最小厚度为1.00mm；当摩擦系数为0.35，冲程达到34mm时M形件发生破裂。比较得知：此M形件的两个内侧壁的成形受摩擦系数影响很大，在实际冲压中，我们采用石墨润滑，同时，要均匀涂抹润滑油。

4 结束语

本文采用有限元模拟的方法研究了工艺参数对硼钢热冲压成形性能的影响，得到如下结论：

（1）热冲压过程中，高速冲压可以减小板料破裂的可能性。当冲压速度达到一定数值时，冲压速度对减薄影响不明显；

（2）当增大压边力时，会使零件在侧壁处减薄严重，压边力过大时，零件会发生破裂；

（3）研究的M形件的内侧壁的厚度受摩擦系数影响很大，在热冲压过程中，需要重视板料的润滑状态，尽量减少摩擦系数。

参考文献

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