汽車防撞梁超高強(qiáng)鋼熱成形工藝研究

莊百亮 單忠德 姜 超 戎文娟

機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京，100083

0 引言

熱沖壓成形技術(shù)是一項(xiàng)專門用于成形超高強(qiáng)度鋼板的新技術(shù)。熱沖壓件的抗拉強(qiáng)度可超過1500MPa，且成形精度高，基本無回彈。這種方式能夠充分利用材料的塑性性能來沖壓零件，用于汽車結(jié)構(gòu)件制造時(shí)，可提高汽車的安全性能，減輕車身重量。目前只有少數(shù)幾家單位對(duì)熱沖壓技術(shù)進(jìn)行研究，在模具設(shè)計(jì)、工藝試驗(yàn)及模擬方面獲得了相應(yīng)成果［1－4］，但對(duì)工藝參數(shù)之間的關(guān)系未作深入探討。

熱沖壓成形工藝難以把握，利用模擬技術(shù)可以優(yōu)化工藝參數(shù)［5］。本文以車門防撞梁為例，通過數(shù)值模擬和熱沖壓試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究超高強(qiáng)鋼板的熱成形工藝特征，建立沖壓力與沖壓速度和初始成形溫度的關(guān)系模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。

1 材料特性

試驗(yàn)鋼板為寶鋼產(chǎn)22MnB5熱軋板，牌號(hào)為BR1500HS，厚度為2mm，密度為7850kg／m3，臨界冷卻速度為15℃／s，化學(xué)組分如表1所示。

表1 BR1500HS的化學(xué)組分 %

熱軋狀態(tài)下，材料的硬度約為193HV，抗拉強(qiáng)度在500～600MPa之間，微觀組織成分為鐵素體和珠光體，經(jīng)過熱沖壓后，材料強(qiáng)度提高2.5倍以上，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀馬氏體。

熱沖壓成形屬于準(zhǔn)靜態(tài)過程［6］，成形過程中，鋼板產(chǎn)生機(jī)械變形的同時(shí)，溫度急劇下降，故接觸處理是板料熱沖壓成形有限元分析的關(guān)鍵技術(shù)，板料與模具之間的摩擦力與傳熱系數(shù)的確定至關(guān)重要。熱沖壓過程中，摩擦力對(duì)成形件質(zhì)量的影響很大，它不僅與壓力有關(guān)，還與接觸面的溫度有關(guān)［7］。在板料與模具的接觸過程中，熱交換包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三部分。傳熱系數(shù)是影響溫度場(chǎng)的重要因素：在板料與模具接觸前，傳熱系數(shù)與接觸間隙關(guān)系密切；緊密接觸后，傳熱系數(shù)主要受到壓力的影響。

2 防撞梁熱沖壓成形數(shù)值模擬分析

文獻(xiàn)［8］詳細(xì)介紹了防撞梁的熱沖壓成形過程中沖壓速度、初始成形溫度的影響規(guī)律，并指出，對(duì)于2mm厚的熱軋硼鋼HR1500HS，最佳沖壓速度區(qū)間為50～100mm／s，最佳初始成形溫度區(qū)間為750～850℃。本文在此基礎(chǔ)上利用沖壓軟件PamStamp 2G研究防撞梁熱沖壓工藝參數(shù)之間的關(guān)系，并給出沖壓力計(jì)算方法。

沖壓力是零件成形時(shí)重要的工藝參數(shù)，熱沖壓過程中，在材料確定后，沖壓力的大小主要受板料厚度、初始成形溫度、成形速度以及沖壓件大小和沖壓深度等影響。對(duì)于本文所研究的防撞梁，主要考慮初始成形溫度和沖壓速度兩個(gè)因素。根據(jù)牛頓靜態(tài)力學(xué)理論，作用力與反作用力大小相等，本文依據(jù)模具在沖壓過程中的受力情況，反算成形件所需要的成形力。

為研究沖壓力與沖壓速度以及初始成形溫度之間的關(guān)系（以便建立相關(guān)模型），在沖壓速度20～200mm／s，成形溫度700～900℃范圍內(nèi)，對(duì)防撞梁熱成形進(jìn)行數(shù)值模擬，得到所需成形力如表2所示。

表2 不同沖壓速度與初始成形溫度對(duì)應(yīng)的沖壓力 kN

首先分析沖壓速度與沖壓力的關(guān)系——同一初始溫度下，不同沖壓速度對(duì)板料成形力的影響。如表2所示，在成形溫度范圍內(nèi)（700～900℃），同一初始成形溫度下，隨著沖壓速度的增大，板料成形所需沖壓力減小，板料成形較快。板料的平均變形溫度增加時(shí)，塑性相對(duì)較好，所需變形抗力相對(duì)較小。

進(jìn)而分析初始成形溫度與沖壓力的關(guān)系——在同一沖壓速度下，不同初始成形溫度對(duì)板材成形力的影響。表2表明，在同一成形速度下，沖壓力隨著初始成形溫度的增加而減小，即板料塑性越好，變形抗力越小。

圖1是熱沖壓過程中模具受力曲線圖，工藝參數(shù)如下：初始成形溫度為850℃，沖壓速度為50mm／s。由圖1可知：板料在沖壓深度小于20mm時(shí)，受力較小，因?yàn)檫@時(shí)模具與板料接觸面較小，板料溫度相對(duì)較高，板料變形抗力較小；沖壓深度超高25mm后，板料受力才開始明顯上升，當(dāng)接近完全成形時(shí)，沖壓力急劇上升。因?yàn)榇藭r(shí)模具與板材的接觸越來越緊密，板料變形速率增加，溫降也加快，變形抗力增大，故所需成形力快速增大。

根據(jù)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，分析沖壓力與沖壓速度和成形溫度之間的關(guān)系模型，通過軟件合成不同的計(jì)算公式，最終根據(jù)公式的復(fù)雜程度與相關(guān)系數(shù)選擇的公式如下：

式中，t為初始成形溫度，℃；v為沖壓速度，mm／s；a、b、c、d、f為模型參數(shù)系數(shù)，a＝1534.98，b＝ －0.3236，c＝ －109.54，d＝ －7.789×10－4，f＝0.1357。

式（1）的相關(guān)系數(shù)R2＝0.976，BR1500HS鋼的成形條件如下：初始成形溫度為700～900℃，沖壓速度為20～200mm／s。式（1）針對(duì)的是1／2防撞梁，即對(duì)整個(gè)防撞梁來說，式（1）計(jì)算所得的成形力需加倍。圖2為沖壓力與沖壓速度和成形溫度之間的空間關(guān)系圖。由圖2容易看出：沖壓速度相同時(shí)，沖壓力隨著初始成形溫度的降低而不斷增大；在同一初始成形溫度下，沖壓力隨著沖壓速度的增加而減小。

3 防撞梁熱沖壓成形工藝試驗(yàn)與分析

文獻(xiàn)［8］與文獻(xiàn)［9］從數(shù)值模擬及試驗(yàn)方面研究了防撞梁熱沖壓成形工藝，工藝參數(shù)優(yōu)選結(jié)果如下：加熱溫度為930℃，保溫時(shí)間為270s，壓機(jī)沖壓速度為75mm／s，成形后保壓15s，水流速度為1.1m／s。根據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行熱沖壓試驗(yàn)，紅外測(cè)溫顯示板料沖壓前的溫度為810～830℃，由式（1）計(jì)算得到的沖壓力為564～593kN，進(jìn)而計(jì)算所得的壓力為5.8～6MPa，試驗(yàn)設(shè)定的沖壓力為6MPa，從熱成形件成形效果判斷，防撞梁完全成形，無破裂起皺等缺陷產(chǎn)生，說明利用式（1）計(jì)算的沖壓力與防撞梁熱成形試驗(yàn)所需的成形力相一致，即式（1）可以作為防撞梁熱沖壓成形的經(jīng)驗(yàn)公式使用。

3.1 防撞梁熱沖壓件厚度

根據(jù)要求，所研究防撞梁的減薄率應(yīng)控制在25%之內(nèi)，且厚度較均勻。試驗(yàn)測(cè)得成形件各點(diǎn)厚度分布見表3。

表3 零件不同位置的厚度 mm

由測(cè)試結(jié)果可知，零件的最厚處在圖3的5處，最薄處在4的位置，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性［8］。根據(jù)表3比較零件端部邊緣位置的點(diǎn)1和點(diǎn)2厚度，點(diǎn)6與點(diǎn)7厚度及點(diǎn)8與點(diǎn)9厚度可知，熱沖壓零件兩端，越靠近邊緣，減薄越多；點(diǎn)8與點(diǎn)9在斜面與平面的圓弧過渡位置，屬于應(yīng)力集中地區(qū)，故變薄較為明顯；比較6點(diǎn)、7點(diǎn)與1點(diǎn)、2點(diǎn)可知，零件中間的拉伸較邊緣稍明顯；比較零件中心位置的點(diǎn)3、側(cè)壁位置的點(diǎn)10與邊緣位置的點(diǎn)11可知，零件側(cè)壁的變薄率較為明顯，約7%；熱成形零件的最大減薄率為17%，厚度最大值為2.18mm，厚度區(qū)間分布較窄，即滿足防撞梁厚度要求。

3.2 防撞梁熱沖壓件力學(xué)性能

零件的硬度分布如表4所示，熱沖壓件的硬度分布較為均勻，極差為2.7HRC，均值為47.6HRC。硬度測(cè)試點(diǎn)和拉伸試樣在零件上的位置見圖4，拉伸試樣采用50標(biāo)距（國(guó)際上對(duì)熱沖壓零件的評(píng)價(jià)方法），抗拉強(qiáng)度平均值為1545MPa。

表4 零件不同位置的硬度值

本文通過STRAINFLEX MSF－2M型X射線殘余應(yīng)力分析儀對(duì)熱沖壓防撞梁表面進(jìn)行測(cè)試與分析，為說明工件表面質(zhì)量提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)［8］的數(shù)值模擬結(jié)論，熱成形件的最大應(yīng)力發(fā)生在圖5標(biāo)記的位置處，測(cè)試結(jié)果見表5。數(shù)據(jù)表明，拉伸深度越大，殘余應(yīng)力越大，即點(diǎn)3位置處殘余應(yīng)力最大，因?yàn)榇宋恢米詈蟪尚危钦麄€(gè)零件最大拉伸處，此部位在成形中的溫度差較大，處在機(jī)械力與熱力的雙重影響下，內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較大。

表5 殘余應(yīng)力各點(diǎn)數(shù)值 MPa

熱成形件最大殘余應(yīng)力為306MPa，不到抗拉強(qiáng)度數(shù)值的20%，故對(duì)于成形件來說，不需要消除殘余應(yīng)力。熱處理或時(shí)效處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)也降低了熱沖壓件的抗拉強(qiáng)度，這對(duì)于以安全性為重的防撞梁來說是沒有必要的。

3.3 防撞梁熱沖壓件精度與微觀組織

回彈是影響沖壓件形狀精度的主要因素，比較防撞梁數(shù)學(xué)模型與熱沖壓件中間截面回彈量，并將其與冷沖壓件中間截面回彈量對(duì)比，結(jié)果如表6所示，圖6為防撞梁數(shù)學(xué)模型的中間截面圖，θ1、θ2為回彈精度角，是表征防撞梁回彈量的重要參數(shù)，其中θ1＝32°，θ2＝16°。由表6可以看出，熱成形件的回彈很小，只有冷沖壓件的一半，而冷沖壓件的抗拉強(qiáng)度約為600MPa，不到熱成形件拉抗強(qiáng)度的一半。圖7為防撞梁金相照片，可見組織都較均勻，呈現(xiàn)大量板條狀馬氏體。

表6 冷、熱沖壓件的回彈角度對(duì)比

以上測(cè)試結(jié)果表明：防撞梁熱沖壓件比較理想，本文所使用的研究方法可行。

4 結(jié)語

防撞梁熱沖壓工藝試驗(yàn)結(jié)果表明：成形件的厚度和硬度分布較為均勻，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1545MPa，最大殘余應(yīng)力只有抗拉強(qiáng)度數(shù)值的20%左右，不需要消除；熱成形件精度較高，回彈量較小；組織為均勻板條狀馬氏體，這說明熱沖壓工藝較為合理。

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