22MnB5超高强度钢防撞梁的冷冲压成形数值模拟

2019-09-07纪沙沙王章忠吕学鹏

冶金与材料 2019年4期

李琦，纪沙沙，王章忠，吕学鹏

（1.南京星乔威泰克汽车零部件有限公司，江苏南京 211100；

2.南京工程学院，材料工程学院，江苏南京 211167）

随着能源与环境保护问题的日益突出，汽车行业对节能减排提出了更高的要求，汽车的轻量化已成为低碳时代汽车技术的发展趋势。目前，汽车轻量化主要通过以下三种途径［1-3］：1.汽车结构的轻量化优化设计，如结构拓扑优化和多目标协同优化设计等；2.采用超高强度钢以及高强度复合材料等；3.采用先进的轻量化制造工艺技术，如超高强度钢热成形和内高压成形等制造技术等。其中，采用高强度及超高强度钢制造汽车零部件是实现汽车轻量化的重要研究内容。

与普通钢板相比，高强度钢板具有更高的屈服应力和抗拉强度，但硬化指数、厚向异性系数及延伸率均较低，成形性能差，且回弹量大难以控制，容易破裂。尤其是强度达到1500MPa时，目前的冷成形工艺几乎无法完成高强钢构件的成形制造。为解决高强钢成形难的问题，热成形高强钢应运而生。高强度钢板热成形技术是把特殊的硼合金钢加热使之奥氏体化，随后将红热的板料送入有冷却系统的模具内冲压成形，同时被具有快速均匀冷却系统的模具冷却淬火，钢板组织由奥氏体转变成马氏体，从而得到超高强度的钢板的过程。

目前，工业化常用的热成形工艺分为直接热成形和间接热成形两类。直接热成形是奥氏体化和成形同时进行，适用于形状简单、深度较浅的零部件。相比于直接热成形，间接热成形是将板材先经过冲压预成形后再进行热冲压淬火，可用于复杂形状零件的制造。间接热成形具有技术要求简单，热冲压过程中温度更均匀，数值模拟简单等优点，其使用范围越来越广［4］。间接热成形中冷冲压的质量直接决定零件合格率，因此超高强度钢的冷冲压成形工艺研究具有重要的实用价值。

采用有限元数值模拟分析对超高强度钢冷成形工艺参数进行优化分析，不仅减少试模次数，从而大大缩短零件的开发周期，降低开发成本。基于以上背景，文章将利用Dynaform软件对22MnB5超高强度钢防撞梁进行冷冲压过程的模拟，得到最佳的摩擦系数和压边力等工艺参数。

1 试验材料及有限元数值模拟流程

试验材料为2MnB5超高强度钢，该钢为最常用的热成形马氏体钢，其屈服强度为400MPa，抗拉强度为520MPa。汽车防撞横梁为汽车典型的安全组件，其成形过程包括以下四个阶段，如图1所示。

图1 防撞梁冷冲压成形过程

本试验以防撞梁为例快速设置的回弹分析流程为：建立模型、导入模型、前处理设置参数、Full Run Dynay隐式算法计算和后处理。在前处理设置参数中，先对导入模具划分网格，设置单元格的大小；划分完网格后定义冲头和凹模工具，设置材料的厚度、摩擦系数以及压边力；设置完可以通过拉延界面的预览来观察模具的运动情况是否正确。在后处理界面可以直观看到板料冲压成型过程演示动画，并且通过后处理来分析零件不同部位的回弹量。通过 Dynaform中的划线功能，在板料回弹前后的位置上各定义出一条直线，并测量出这两条直线的夹角即可得到板料的回弹角，这种方法不仅提高了测量精度，还提高了测量效率。本实验中根据选取回弹难易的部位选取了三个典型回弹角θ1、θ2和θ3来分别计算回弹量 η1、η2和 η3，如图 2 所示。其中，回弹量 η=（r′-r）/r′，r为回弹前的弯曲半径，r′为回弹后的弯曲半径。

图2 典型回弹角 θ1、θ2和 θ3

2 超高强度钢冷冲压成形工艺过程模拟

通常在板料的冲压成形中，卸载后的回弹往往是由材料本身的属性以及加载环境的参数来决定的，文章选择摩擦系数和压边力这两个主要影响因素来分析22MnB5防撞梁的回弹情况。在冷冲压成形过程中，板料与模具表面会发生摩擦现象，对材料的应力状态具有较大的影响，进而影响其成形性和回弹情况。

当压边力为250kN时，不同摩擦系数对22MnB5防撞梁回弹量的影响如图3所示。随着摩擦系数的增大，防撞梁的回弹量η1、η2和η3均逐渐降低，其中回弹量η1的降低幅度最大。随着摩擦系数从0.08增大到0.15，回弹量 η1、η2和 η3分别从 0.422、0.352、0.542 降低至 0.181、0.184、0.372，其降幅分别为 55.45%、47.72%和31.37%。

图3 不同摩擦系数下防撞梁的回弹量

此外，从图3中可看出，防撞梁的回弹量和摩擦系数近似成二次函数的关系，这是由于摩擦系数使变形过程某些局部区域的拉应力增大了，这样一来零件的变形增大也带来发生塑性变形的区域增大。当摩擦系数大于0.125后，防撞梁的回弹量虽然仍在降低，但其降幅明显减小，因此考虑到工程应用价值和预防起皱开裂等因素，最佳摩擦系数应选取0.125。

不同摩擦系数下防撞梁的最大减薄率见图4。从图中可以看出，防撞梁的最大减薄率随着摩擦系数的增大而逐渐增大。这是由于当摩擦系数增大，回弹量会随着减小，导致原本发生弹性变形的区域发生了塑性变形，因此板料的最大减薄率增大。

图4 不同摩擦系数下防撞梁的回弹量

当摩擦系数为0.125时，不同压边力对22MnB5防撞梁回弹量的影响如图5所示。随着压边力的增大，防撞梁的回弹量逐渐η1、η2和η3均逐渐减小，其中回弹量η2的降低幅度最大。随着压边力从150kN增大到300kN，回弹量 η1、η2和 η3分别从 0.544、0.682、0.702降低至 0.154、0.174、0.350，其降幅分别为 71.69%、74.49%和50.14%。对比摩擦系数对回弹量的影响，可发现压边力的大小对控制防撞梁的回弹具有重要作用。

图5 不同压边力对22MnB5防撞梁回弹量的影响

此外，从图5中可看出，防撞梁的回弹量和压边力近似成反比例函数的关系。当压边力较大时，加载过程冲头就会紧紧压住板料的边缘，使零件在成型过程中产生大量塑性变形与拉应力，冲头卸载后由于大部分区域都已经发生塑性变形，即使有回弹也由于受到拉应力的作用而降低，因此极大地提高了工件的尺寸精度。在工件成行过程中，压边力对回弹的影响至关重要。由于压边力过大易造成冷成形工件的破裂，因此选取合适的压边力为250kN。

当摩擦系数为0.125，压边力为250kN时，对防撞梁的冲压成形过程进行了数值模拟分析。防撞梁的壁厚分布如图6所示。冲压后防撞梁的减薄分布如图7所示。对比图6和图7可以看出，防撞梁中减薄率较高的区域（图7中圆圈区域）与其壁厚较薄的区域相对应，而且在棱角部位的减薄率较高。冲压后防撞梁的第一应力分布图见图8。对比图6可以观察到，应力分布较大的区域减薄率也较大，减薄率较小的区域的变形程度要更高，这就可以推断出由于受力较大的区域与其它中心部位受力不同，在加载过程中该区域由于承受较大应力已经发生塑性变形，但是板料的中心区域仍处于弹性变形阶段，此时卸载后板料中心部位就会产生回弹。