工藝參數對硼鋼熱沖壓成形質量影響研究

高波

摘 要：文章以某一M型截面為研究對象，采用有限元模擬的方法研究沖壓速度、壓邊力和摩擦系數對該零件沖壓成形質量的影響規律。研究表明：熱沖壓過程中，高速沖壓可以減小板料破裂的可能性，當沖壓速度達到一定數值時，沖壓速度對減薄影響不明顯；當增大壓邊力時，會使零件在側壁處減薄嚴重，壓邊力過大時，零件會發生破裂；研究的M形件的內側壁的厚度受摩擦系數影響很大，在熱沖壓過程中，需要重視板料的潤滑狀態，盡量減少摩擦系數。

關鍵詞：工藝參數；硼鋼熱沖壓成形質量；影響

1 概述

超高強度鋼在汽車上的應用，不僅實現了車身輕量化，減少了燃油的排放，同時其超高的強度也提高了車身的碰撞性能，保證了整車的安全性，因此超高強度鋼在汽車制造領域的應用越來越廣泛[1-4]。近年來，熱沖壓技術得到了廣泛的研究。高強鋼熱沖壓技術是將硼鋼板加熱至900-950℃保溫4-5min使其充分奧氏體化，然后迅速轉移到冷模具上進行沖壓，同時冷模具對硼鋼進行保壓淬火，獲得抗拉強度為1500MPa級的高強鋼熱沖壓零件[5-7]。由于在高溫下成形，板料流動性能好，可一次成形形狀復雜的零件。并且零件的回彈量小，零件的精度高[8-10]。

然而，在熱沖壓成形零件質量受很多因素的影響。由于硼鋼在高溫下成形，板料的流動行為受應變速率的影響，因此沖壓速度對零件的成形性能有一定的影響。同時，成形過程中，壓邊力的大小和板料與模具之間的摩擦力的大小也會對零件的成形性能產生較大的影響。因此，本文基于有限元仿真，以某汽車車門防撞梁上的某一個M型的截面拉伸后的零件為研究對象，研究沖壓速度，壓邊力和摩擦系數對其成形性能的影響規律。

2 M形件熱沖壓有限元模擬

M形件熱沖壓的幾何模型如圖1所示。模型由四部分組成：板料為可變形體，上下模及壓力板為剛體，他們之間的接觸形式為通用接觸。上下模面的間隙為1.21mm，板料尺寸為250×210×1.1mm。

高強鋼熱沖壓有限元仿真是一個熱力耦合的問題，因此為了更加準確的獲得其擬合的結果，需要較多的板料材料屬性。材料的各個物理屬性參數見表1。

沖壓行程為42mm。板料與模具之間發生熱傳導，由于熱傳導系數與接觸壓力和模具間隙有關，根據已有文獻，確定熱傳導系數如表2所示。隨著間隙的減小，界面換熱系數增大，隨著接觸壓力的增大，界面換熱系數增大。

硼鋼在高溫下的流變行為如圖2所示，采用的是四個溫度（600，700，800，900℃）和四個應變速率下（0.01，0.1，1.0，10.0/s）的應力應變曲線。從圖中可以看出，隨著應變速率的提高，硼鋼在高溫下的強度越高。

3 工藝參數對硼鋼熱沖壓成形的影響

3.1 沖壓速度對減薄的影響

為了研究沖壓速度對于硼鋼熱沖壓成形的影響，分別進行了50，100，150，200mm/s沖壓速度條件下的有限元仿真，這些仿真都是在摩擦系數0.3，模具溫度為80℃，壓邊力10KN，成形溫度800℃下進行的。

圖3（a-d）為沖壓速度分別為50mm/s，100mm/s，150mm/s和200mm/s條件下的厚度分布云圖。當沖壓速度為50mm/s時，M形件在沖程為40mm處內側壁發生破裂；當沖壓速度為100mm/s，150mm/s及200mm/s時，最后厚度約為1.0mm，無明顯差異。比較得知：熱沖壓過程中，需采用高速沖壓，這樣可以減小板料破裂的可能性。但當沖壓速度達到一定數值時，沖壓速度對減薄影響不明顯。

3.2 壓邊力對減薄的影響

為了研究壓邊力對于22MnB5熱沖壓成形的影響，進行了不同壓邊力條件下的有限元仿真，這些仿真都是在摩擦系數0.3，模具溫度為80℃，沖壓速度100mm/s，成形初始溫度800℃下進行的。

圖4為壓邊力分別為5KN，10KN和50KN條件下成形后的厚度分布云圖。當壓邊力為5KN時，M形件最小厚度為1.01mm；當壓邊力為10KN時，M形件最小厚度為1.00mm；當壓邊力為50KN時，M形件在沖程為21mm處內側壁發生破裂。比較得知：對于此M形件的成形，增大壓邊力，會使零件在側壁處減薄嚴重，壓邊力過大時，破裂的可能性較大。

3.3 摩擦系數對減薄的影響

為了研究摩擦系數對于22MnB5熱沖壓成形的影響，進行了不同摩擦系數條件下的有限元仿真，這些仿真都是在壓邊力為10KN，模具溫度為80℃，沖壓速度100mm/s，成形初始溫度800℃下進行的。

圖5為摩擦系數分別為0.2，0.3和0.35條件下成形后的厚度分布云圖。當摩擦系數為0.2時，M形件最小厚度為1.03mm；當摩擦系數為0.3時，M形件最小厚度為1.00mm；當摩擦系數為0.35，沖程達到34mm時M形件發生破裂。比較得知：此M形件的兩個內側壁的成形受摩擦系數影響很大，在實際沖壓中，我們采用石墨潤滑，同時，要均勻涂抹潤滑油。

4 結束語

本文采用有限元模擬的方法研究了工藝參數對硼鋼熱沖壓成形性能的影響，得到如下結論：

（1）熱沖壓過程中，高速沖壓可以減小板料破裂的可能性。當沖壓速度達到一定數值時，沖壓速度對減薄影響不明顯；

（2）當增大壓邊力時，會使零件在側壁處減薄嚴重，壓邊力過大時，零件會發生破裂；

（3）研究的M形件的內側壁的厚度受摩擦系數影響很大，在熱沖壓過程中，需要重視板料的潤滑狀態，盡量減少摩擦系數。

參考文獻

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