基于Autoform的A柱加强板热成形工艺研究

韦旺华

【摘 要】A柱加强板作为汽车生产的关键部件，热成形钢应用较为广泛。热成形应用于汽车工业能够较好地解决超高强钢的破裂、起皱、回弹等问题，但是具体零件在实际生产中的工艺参数较难确定，所以对零件工艺方法的制定和工艺参数的设置显得极其重要。文章选取某一车型的A柱内加强板，以最大减薄率和最大回弹量作为研究目标，通过改变板料初始温度、模具温度和冲压速度3个关键变量，确定最佳的成形工艺参数，研究发现：在800～1 000 ℃范围内，随着板料初始温度的升高，零件最大减薄率先减小后增大，零件的回弹呈现较为直接的下降趋势；模具温度在室温～100 ℃范围内，板料的最大减薄率和回弹的变化量较小；随着冲压速度的增加，最大减薄率先急剧增大后趋于平缓，回弹变化相似，最终确定最佳的工艺参数，为实际工装开发和工艺参数设定提供指导作用。

【关键词】热成形；A柱内加强板；减薄率；回弹

【中图分类号】U466 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）09-0058-05

0 前言

面对汽车轻量化和被动安全的需求，超高强钢在汽车工业中的应用日趋广泛[1]，特别针对于A柱、B柱、C柱、门槛梁、中通道加强板等有着广泛的应用。超高强钢在热成形之后抗拉强度可达1 500 MPa，在不增加重量的前提下能够充分满足安全性问题，或在保证强度不变的情况下实现零件减薄、车身减重的目的。

但是超高强钢的应用仍然存在较多问题。由于常温下较高的硬化指数和较低的厚向异性指数，采用传统方法加工时，极其容易出现破裂、起皱和回弹，同时需要较大的成形力[2]。

针对这种情况，热成形技术应运而生。热成形技术是指将板料加热至奥氏体温度以上进行加工成形，高温下的超高强钢塑形增强，成形充分。成形之后的钢板零件成形精度高，质量好，基本没有回弹[3]。

热成形过程是一个涉及金相学、物理学和传热学的多学科热力耦合过程，内部机理较复杂，目前有大量的学者从理论和工艺的角度分别进行研究。例如：M. Naderi等 [1]基于真應力-应变曲线修正了超高强钢M-R本构模型和V-K模型，并研究了模型的准确性；Karbasian H等[3]总结了热成形的温变塑形本构模型，包括现象学模型、物理学模型、神经网络模型（ANN）等；胡平[4]通过有限元方法研究了界面换热系数的反算方法，为热成形工艺参数提供依据；刘丹[5]研究高强钢热冲压的回弹机理，从应力场、温度场的影响总结出回弹的规律，具有指导意义。

工艺参数对热成形结果的影响较为明显。在实际生产中，通过有限元分析计算出成形结果，并加以参数优化，能够极大地缩短开发周期，节约成本。本文通过Autoform R7建立了某一车型的A柱加强板有限元模型，改变不同的工艺参数，研究不同条件下的工艺结果，为生实际生产提供充分的指导。

1 研究方法

1.1 传热学

热塑性成形过程中，板料的热量交换方式包括模具与板料接触通过热传导热量交换，以及板料自由表面通过热对流和热辐射方式向周围环境散热[6]。由能量守恒定律和傅里叶定律，热成形过程的温度变化瞬态方程表达式如下：

ρc■=k■+■+■+■（1）

公式（1）中：k是材料的热交换系数，左边相为内能率，c，ρ为材料的比热容和密度，■为单位体积变形能产生的内热源率，计算公式如下：

■=ησ ■（2）

其中：σ为等效应力；■为等效应变速率；η为应变能转化为热能的系数，通常取0.9～0.95。

1.2 流变应力-应变曲线

流变应力不仅取决于合金成分和金相组织，而且取决于发生的应变、应变速率和变形温度[7]。另外，相同型号的材料的组织状态、均匀性和各向异性也会有差别。

根据观察的在通常热塑性成形温度范围内温度对流变应力的影响，加上变形量和变形速率的影响，可将流变应力-应变关系表示为指数函数。

σ=KAεεnexp（-mεε）■■■ATexp（-mTT）（3）

可将实验数据进行回归，能够确定公式（3）中各个待定系数（K、Aε、n、mε、■、■、AT、mT）。这样做能够得到可靠结果的前提是需要大量的实验和采集足够多的数据。

1.3 塑形屈服准则

屈服准则是用来描述塑形屈服发生时应力分离分量之间的关系。当应力达到材料的屈服点，将发生从弹性到塑形的转变。对于多轴应力状态，很难定义一个描述从弹性状态向塑形状态转变的准则，为此常用一个隐函数的方式来定义该准则：

F（σ1，σ2，σ3，Y）=0（4）

公式（4）中：σ1，σ2，σ3表示3个主应力，Y表示屈服应力。

对于各项异性板材，通常Autoform中采用Hill屈服准则进行定义屈服面，当σ3=0时，屈服函数如下[7]：

■-■σ1σ2+■=■（5）

2 数值模拟计算

A柱区域结构在汽车安全中具有重要意义，在汽车正碰过程中，A柱区域结构需要足够的刚度、强度，以保证乘坐人的安全，因此超高强钢应用广泛。

2.1 模型建立

选取的零件模型如图1所示，该A柱加强板较长，左端较宽，中部和右端为“U”形梁结构。将零件导入Autoform R7中，选取下表面作为基准面进行面的抽取，以中部上平面为水平作为主要标准，设置冲压方向如图2所示。

2.2 材料设置

2.2.1 材料应力-应变曲线

利用Autoform R7定义的材料库中的22MnB5高锰钢作为零件材料，材料成分见表1。软件中定义材料的真应力-应变曲线与传统定义方法不同，该软件首先定义不同温度下铁素体、珠光体和奥氏体的温变应力-应变曲线，计算过程中，模拟计算金相组织的变化，利用不同温度下的金相变化综合计算出某一点的动态热属性，进而进行数值计算。图3和图4分别为奥氏体和铁素体的温变应力-应变曲线，另外还有贝氏体和马氏体两种金相组织的温变应力-应变曲线及速度相关系数，这里不再列出。

2.2.2 材料屈服面

根据已定义的应力-应变曲线，可以据此定义22MnB5超高强钢的屈服准则。按照Hill屈服准则进行定义：

r0=0.7 r45=0.9 r90=0.8

Hill屈服面定义如图5所示。

2.2.3 材料成形极限图

从理论上来说，材料成形极限图随着温度的变化而变化，但本文按照回弹量和最大减薄率作为衡量标准，所以成形极限图对结果并没有影响，采用默认成形极限图作为参考（如图6所示）。

2.3 工具设置

将零件模型导入Autoform R7后进行压料面设置和工艺补充，得到A柱加强板热成形过程的模具型面图（如图7所示）。

2.4 初步模拟计算结果

设置工艺参数：模具初始温度为25 ℃，板料初始加热温度为950 ℃，冲压速度变化区间为250～1 000 mm/s。

零件成形过程中，最关键的两个衡量成形性的标准是零件减薄率和回弹。零件的减薄率过大，板料发生破裂，导致零件报废；零件的回弹量过大，精度过低，装配困难，且容易导致整车性能出现问题。

2.4.1 最大减薄率分布

A柱加强板热成形之后零件减薄率如图8所示。图中负值表示减薄，正值表示增厚，课件在左端下方的尖端圆角处的减薄率最大，值为0.298。另外，左端侧壁处的减薄率较大，最大可达0.257，存在破裂风险，其余位置为“U”形梁结构，减薄率可接受，适度的变形有利于增加板材的刚度和强度。

2.4.2 回弹量分布

零件的法向回弹量分布如图9所示。由图9中可以看出，最大回弹量分布于最左端上表面处（应按照绝对值大小衡量），最大值为2.666 mm，对应附近区域的回弹较大，左端头右侧的回弹量在1～2 mm之间，右端“U”形梁结构最右侧回弹量较大。最大达到1.958 mm，其余位置回弹量在0.2～ 1.1 mm之间。

3 工艺参数对成形性能的影响

热成形过程的最关键的变量是板料初始加热温度，这也是热成形区别于传统冷加工的关键，此外模具初始温度、冲压速度等因素也会对成形结果造成影响。以下分别选取不同的变量进行定量分析，以最大减薄率和回弹量作为研究目标，研究成形结果随工艺参数变化的趋势。

3.1 板料初始温度

图10和图11分别为零件最大减薄率和最大回弹量随板料初始温度的变化趋势。随着板料初始温度的升高，零件最大减薄率先急剧减小，之后减小趋势变缓，最终出现上升趋势。这是由于在800～850 ℃范围内，随着板料初始温度的增大，板料金相组织逐渐完全转化为奥氏体，塑形极大地增强，有利于加工成形，零件局部的尖角区域所受周围的板料的撕扯力相对变小，零件的最大减薄率减小；在850～920 ℃范围内，板料已经充分奥氏体化，温度的增加造成的影响变低；920 ℃以后，由于塑性过大，较小的压型力就会导致尖角位置的板料发生变形，最终导致减薄率过大，造成局部破裂。

零件的最大回弹变化量较小。在800～950 ℃范围内，最大回弹量逐渐减小。在950～1 000 ℃范围内，最大回弹量有轻微的增大趋势。在800～1 000 ℃范围内，零件的最大回弹量变化很小，但相对于传统冷加工，回弹量减小量非常明显。

3.2 模具初始温度

图12和图13分别为零件最大减薄率和最大回弹量随模具温度的变化趋势。随着模具温度的升高，最大减薄率呈现下降趋势，这是由于模具温度升高，减小板料与模具的传热，保证了板料的温度和塑形，但变化量极小，在25～100 ℃范围内，最大减薄率变化值为0.021，几乎可以忽略不计；最大回弹量随着模具温度的升高，先增大后减小，可见调整模具温度至更高的温度才能对最大减薄率和回弹量造成较大的影响，实际生产中，加热模具较难实现，所以不建议通过加热模具改善成形性能。

3.3 冲压速度

图14和图15分别为零件最大减薄率和最大回弹量随冲压速度的变化趋势。随着冲压速度的升高，零件的最大减薄率先急剧增大，到500 mm/s时，最大减薄率变化趋于平缓。这是由于板料初始温度在920 ℃左右时，本身塑形较好，随着冲压速度的增大，模具的成形力也随之增大，对板材造成较大的冲击，导致减薄率增大直至破裂。随着冲压速度增大到750 mm/s，由于冲压速度的增加，板料与工具的接触时间变短，热量散失少，塑形降低速度慢，所以减薄率有少量的降低，但随着速度继续增大，最大减薄率由于较大的成型力继续增大。

另外，随着冲压速度的增加，最大回弹量先增大后减小，这和最大减薄率的变化相似，500 mm/s时板料的成型力较大，板料成形冲击力较大，导致回弹量变大，随着冲压速度继续增加，板料的能耗散失少，塑形好，回弹量降低。

4 结语

（1）该A柱加强板的最大减薄率分布在左端头尖角处，对应侧壁处的减薄率也较大，最大回弹量主要分布于左端端头或者右端端头，设计制造工艺流程时应着重考虑这两处。

（2）随着板料初始温度的增大，零件的减薄率先减小后增大，最大回弹量则一直有减小的趋势最终趋于平缓，减小量较小。

（3）模具温度的增大对最大减薄率和回弹量造成的影响较小，且在实际生产中较难实现，故不建议改变模具温度以改善成形结果。

（4）冲压速度的增大，最大减薄率先增大后趋于平缓，最大回弹量先增大后减小，设计时，设置冲压速度在250 mm/s左右为宜。

参 考 文 献

[1]M. Naderi，L. Durrenberger，A. Molinari，et al.Co-

nstitutive relationships for 22MnB5 boron steel deformed isothermally at high temperatures[J].Mate-

rials Science and Engineering，2008，478：130-139.

[2]吴斌，严勇，董芳.典型冲压件成形工艺研究[J].热加工工艺，2017（3）：132-137.

[3]Karbasian H，Tekkaya A E.A review on hot stam-

ping[J].Journal of Materials Processing Technology，2010，210：2103-2118.

[4]胡平.基于有限元的热冲压界面换热系数反算[J].材料热处理学报，2016（3）：188-192.

[5]刘丹.高强钢变强度件热冲压成形回弹预测与控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学.

[6]陈炜.高强度钢热变形塑性本构关系研究及典型热冲压件模拟[D].镇江：江苏大学，2014.

[7]Dorel Banabic.Sheet Metal Forming Processes Co-

nsititutive Modelling and Numerical Simulation[Z].2017.

[責任编辑：钟声贤]