高强钢板热力耦合冲压成形数值模拟*

2018-08-13付泽民熊伟杰张锁怀赵志繁

制造技术与机床 2018年7期

付泽民熊伟杰张锁怀赵志繁张详

(上海应用技术大学机械工程学院，上海 201418)

热冲压成形技术是一种专门应用于高强度钢板的冲压成形技术,其将板料的成形与淬火同时进行。热冲压成形技术冲压得到的零件强度高，被广泛应用在汽车车身和其他汽车零配件上[1]。根据所需成形件的精度要求，可以将成形工艺分为两类：(1)成形精度要求低成形难度低的工件可以采用直接成形法；(2)成形精度要求高直接成形难度高，很难直接成形的工件，所以采用间接成形法[2-3]。

通过研究热力耦合对材料成形性能的影响，探讨在冲压成形过程中，如何协调控制模具中板料的初始成形温度、成形速度和保压时间等关键工艺参数的变化，确定优化方案，实现冲压过程的精确控制，从而研究高强度钢板热冲压成形工件的力学性能[4-5]；建立高强度钢材料模型和热成形全过程的热力耦合模型；实现目标工件力学性能与安全性需求相匹配。

1 高强度板材热冲压成形模型建立

本文选取典型的U型工件作为研究对象，三维模型如图1所示，从上到下依次为凸模、板料、凹模。

板料为BR1500HS高强钢板。在热冲压成形中，板料的弹性模量和泊松比会随着温度的变化而变化。板料的温度升高，弹性模量减小，泊松比增大，如图2所示。材料在不同温度下对应的应力应变曲线如图3所示。工件为主要研究对象，凹模和凸模定义为刚体。导入图4成形极限曲线作为判断板料拉伸破裂标准。

2 高强度板材热冲压成形模拟结果分析

2.1 热冲压成形中不同成形温度下的组织演变

设置不同的板料初始成形温度750 ℃、770 ℃、800 ℃、850 ℃，模具温度为20 ℃，保压淬火时间15 s，对板料的热冲压成形进行仿真模拟，得到如图5所示的工件不同初始成形温度下的温度场，如图6所示的马氏体组织分布。图7为不同初始成形温度下仿真结果图上同一位置的马氏体含量分布。

在热冲压成形中，板料的初始成形温度会对成形后试样中的马氏体含量产生影响，如图7所示。当初始成形温度低于750 ℃时，工件中的马氏体含量为72.5%。当初始成形温度为770 ℃时，工件中马氏体的含量大于98.3%。当初始成形温度温度为800 ℃时，工件中马氏体的含量大于98.4%。当初始成形温度为850 ℃时，工件中马氏体含量大于98.4%，相较于800 ℃时变化不大，基本持平。

2.2 热冲压成形中不同成形速度下的组织演变

设置不同的板料冲压成形速度，150 mm/s、75 mm/s、50 mm/s对板料的热冲压成形进行模拟。工件的温度场如图8所示，马氏体的组织分布如图9所示。

如图9和图10所示，冲压速度由50 mm/s增加到75 mm/s时，马氏体含量略微增加，增加速率比之后要高，冲压速度75 mm/s之后，马氏体含量基本保持不变，表明成形速度对工件的马氏体含量影响较小。在成形过程中，成形速度越快，法兰处与空气进行热传递的时间越短，在压合后迅速与凸凹模紧密接触，通过接触传热，淬火速率较快，生成的马氏体含量较高。

2.3 热冲压成形中不同保压时间下的组织演变

设置不同的保压时间6 s、10 s、12 s、14 s，分别对板料的热冲压成形进行模拟。工件的温度场如图11所示，工件中马氏体组织的含量分布如图12所示。

如图13所示，随着保压时间的增加，工件中的马氏体含量增多，保压时间从6 s增加到10 s时，马氏体含量的增加速率比之后要高，保压时间10 s之后，马氏体含量基本保持不变。如图12所示，成形后工件法兰处马氏体含量最高，底部马氏体含量最低。在成形过程中，法兰处在压合后与凸凹模紧密接触，通过接触传热，淬火速率较快，马氏体含量较高。底部与空气接触，通过辐射散热，淬火速度慢，马氏体含量较少。侧壁与空气和模具分别进行热传递，比底部传递快，法兰处传递慢，马氏体含量居中。