高強度鋼板熱沖壓冷卻速率的研究*

馬鈺杰，郭穎穎，馬 寧

(1.龍巖學院 機電工程學院，福建 龍巖 364000；2.福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108)

0 引 言

熱沖壓成形技術是專門用于成形高強度沖壓件的先進制造技術。該技術是將傳統熱鍛造技術與冷沖壓技術相結合的制造工藝。隨著汽車制造業發展，高強度鋼板熱成形技術在汽車先進制造中的優勢日益突出[1]。由于在常溫下高強度鋼板強度高、硬度大，加工困難且對模具及沖壓設備要求較高[2-3]，目前采用可淬火硼鋼板進行熱沖壓成形的工藝成為各大汽車生產商及研究人員關注的熱點[4]。其成形原理是把特殊的高強度硼合金鋼加熱奧氏體化后，送入帶有冷卻管道的模具中進行成形及合模保壓淬火，根據材料的CCT連續冷卻組織轉變曲線，確保熱沖壓件的平均冷卻速率大于臨界轉變速率，滿足板料組織向馬氏體轉變的條件，保證沖壓件的強度[5-6]。但是熱沖壓件會因局部冷卻速率小而未能完全轉變為馬氏體，出現局部區域強度過低，馬氏體轉變不均勻、不充分等一系列問題[7-8]。

針對熱沖壓冷卻速速率的研究國內外進行了大量的研究：Gu等[9]研究了W形件模具冷卻系統，并對防撞梁熱沖壓模具的冷卻系統進行模擬仿真與試驗驗證，發現了管道半徑R、管道側壁間距L、管道頂部至模面的垂直距離H對冷卻系統的影響的關系；Alexandre等[10]研究了板料與模具間的接觸熱阻并建立了計算接觸熱阻的數學模型；Tomoyoshi等[11]研究了用伺服壓力機高速成形和法蘭間隙防止法蘭溫度下降較快，來提高高強度鋼在熱沖壓中成形性能。這些研究大都集中在簡單、規則的部件上，對形狀復雜的熱沖壓件研究較少。

本研究通過對具有復雜曲面的高強鋼部件車身B柱進行熱沖壓過程數值模擬，通過提高模具復雜部位對板料的局部冷卻速率和優化模面形狀設計方案，對熱沖壓冷卻速率進行研究。

1 熱沖壓成形冷卻速率的理論分析

在熱沖壓過程中，熱沖壓件會因冷卻速率不同而導致在組織轉變過程中得到不同的組織，最終導致成形后組織力學性能不一，對沖壓件整體的力學性能有很大影響。因此，研究冷卻速率這一參數對熱沖壓有重要意義。

1.1 22MnB5材料力學性能

車用高強度鋼板通常為錳硼合金鋼。在不同溫度下22MnB5的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 溫度對22MnB5材料應力-應變曲線的影響

隨著溫度的升高，材料的屈服強度從550 ℃的450 MPa峰值降到950 ℃的78 MPa，屈服強度降低了5倍多，屈服強度變化范圍大，反映出了溫度對材料力學性能的影響大。此外，板料在不同的成形溫度下的成形性能也不同。所以，在熱沖壓成形過程中，需要控制冷卻速率使板料在成形性能好的溫度區間內沖壓成形，以避免產生破裂、褶皺、頸縮等缺陷。

1.2 冷卻速率對22MnB5組織轉變的影響

22MnB5連續冷卻組織轉變曲線如圖2所示。

圖2 22MnB5奧氏體化后連續冷卻組織轉變圖

材料在900 ℃時完全奧氏體化，隨著冷卻，材料在410 ℃左右開始馬氏體化，即奧氏體轉變為馬氏體組織，在234 ℃時馬氏體化終止；當板料在向馬氏體轉變前平均冷卻速率大于30 ℃/s時，板料可以百分百地轉變為馬氏體，當冷卻速率小于30 ℃/s時，板料部分轉變為貝氏體、馬氏體、鐵素體、珠光體等混合組織，當冷卻十分緩慢時，轉變為鐵素體和珠光體組織。要獲得完全馬氏體的超高強度鋼零件，須使得板料平均冷卻速率在30 ℃/s以上。

2 B柱熱沖壓成形模擬

熱沖壓件B柱是支撐車頂連接車底板的主要部件，其強度的大小直接關系到汽車被動安全中側碰的性能。冷卻速率是影響熱沖壓件B柱強度的直接因素，根據圖2中22MnB5連續冷卻組織轉變曲線圖可知，冷卻速率不同，B柱的微觀組織也不同，且冷卻速率越大，馬氏體組織越細，沖壓件的力學性能越好。

2.1 B柱熱沖壓成形參數的設置

該模擬中，板料的厚度為1.95 mm，其材料的屬性中熱膨脹系數為1.3e-005，密度為7.83e-009 ton/mm3，泊松比為0.3、不同溫度下的應力-應變關系為圖1所示曲線。邊界條件參數中板料的初始溫度為860 ℃，模具與板料間的換熱系數為3 000 w/(m2.k)，模具的沖壓速度為500 mm/s。

2.2 模擬結果及分析

熱沖壓件B柱一個完整的生產過程包括沖壓成形和合模保壓淬火兩個階段。該模擬中，板料從加熱爐加熱到900 ℃保溫完全奧氏體化后，經4 s移至模具上，由于熱輻射、空氣對流等傳熱溫度為降為860 ℃。成形結束時板料溫度云圖如圖3(a)所示，B柱頸部兩角A處在模具拉伸擠壓下塑性變形進一步變大，產生更多的變形能，因此溫度最高，為865 ℃；成形結束的厚度云圖如圖3(b)所示，A處最薄，最小厚度為1.43 mm，相應減薄率為26.7%，主要由于在A處板料受到大的模具的擠壓，發生較大的塑形變形；而在沖壓件中部W處，由于對稱彎曲壓應力作用，W處最厚，為2.16 mm。

圖3 成形結束時板料的溫度、厚度云圖分布

合模淬火5 s后，B柱大部分溫度在410 ℃左右，合模淬火主要時刻溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 合模淬火主要時刻溫度分布云圖

從圖4(a)中可知，已開始奧氏體向馬氏體轉化。但其中M位置處和N位置處溫度較高，最高溫度為662.3 ℃，沒有發生奧氏體向馬氏體轉變。經分析M位置處是由于板料成形過程中形變復雜，受到拉伸塑形變形較其他部位大，板料減薄較大，與模具貼合不好；又較其他部位與模具接觸時間短，相對其他部位與模具發生接觸傳熱較少。N位置處在B柱的拉伸區，在成形過程中，受到模具的拉伸形變大且減薄較多，導致在淬火過程中與模具貼合不緊，主要通過板料與模具之間的空氣熱傳導傳熱，與模具接觸傳熱少，所以冷卻速率較小。隨著淬火冷卻，在10.6 s時，N位置處溫度降為411.1 ℃，開始向馬氏體轉變，平均冷卻速率為29.8 ℃/s，小于完全馬氏體化轉變的臨界冷卻速率；在11.4 s時，M位置處的溫度為402.5 ℃，已開始向馬氏體轉變，平均的冷卻速率為28.9 ℃/s，同樣小于完全馬氏體化轉變的臨界冷卻速率，從圖2奧氏體化后連續冷卻組織轉變圖中可以看出，轉變過程中，有少量非馬氏體生成將影響B柱整體的力學性能。

3 熱沖壓優化方案設計

綜上分析，根據22MnB5連續冷卻組織轉變曲線圖，冷卻速率不同，B柱的微觀組織也不同，為確保B柱有較好的力學性能，必須提高B柱在M處和N處的冷卻速率。

3.1 優化方案1設置

高溫板料經模具的擠壓拉伸成形及冷卻淬火，熱量大部分被模具冷卻系統吸收，少部分輻射到周圍環境。設模具冷卻系統吸收板料的熱量為Q，冷卻水溫度由T1升為T2，根據傳熱學原理分析可知，冷卻水單位時間內的流量q為：

(1)

由式(1)知：在冷卻水密度、比熱及溫差一定情況下，冷卻水單位時間內的流量q越大，其表面冷卻水吸收的熱量越多，即模具對板料的冷卻速率越大。由物理學知，單位時間內冷卻水的流量q與冷卻管道截面面積、冷卻水流速成正比，故增加冷卻管道截面積和冷卻水流速，可以提高模具對板料的冷卻速率。冷卻水與模具是通過對流傳熱的，冷卻管道與模具表面距離直接影響其對流傳熱的效果。冷卻管道與模具表面距離越小，熱對流傳熱越大，故在保證模具有足夠強度的條件下，盡量減小冷卻管道到模具表面的距離以增大模具對板料的冷卻速率[12]。

針對1.3中M和N位置冷卻速率小于30 ℃/s的臨界冷卻速率，導致B柱關鍵部位M位置的強度降低，影響整體的力學性能。本文提出的優化模具冷卻水管道布置示意圖如圖5(a)所示，通過優化設置，增加M和N位置模具與板料間的換熱系數使模具對板料的換熱系數如圖5(b)所示。

圖5 模具內部冷卻水管道及換熱系數示意圖

經優化后的模具保持其他工藝參數不變，換熱系數用圖5中的模具等效換熱系數，進行板料熱沖壓成形模擬。優化方案一合模淬火主要時刻溫度分布云圖如圖6所示。

圖6 優化方案一合模淬火主要時刻溫度分布云圖

結果從圖6可以看出：與圖4中淬火5 s時最高溫度662.2 ℃相比顯著降低，說明增加該處模具冷卻速率對改善B柱M位置的淬火速率有所提高，該方案有明顯效果。當淬火7.2 s時，M位置溫度為402.1 ℃，已達到向奧氏體向馬氏體轉變溫度，平均冷卻速率為39.3 ℃/s，冷卻速率提高了36.0%，滿足完全轉變為馬氏體條件；在淬火10.6 s時，N位置處溫度最高為408.5 ℃，已開始向馬氏體轉變溫度，平均冷卻速率為30.0 ℃/s，滿足完全馬氏體化轉變溫度。相比N位置處及周圍拉伸區的改善效果不明顯，冷卻速率提高了僅0.67%。在合模淬火20.8 s，完成馬氏體轉化過程。

3.2 優化方案2設置

本文中為使模擬更接近實際，設置當模具與板料間隙小于一定值時，計算按照板料與模具間接觸熱傳導計算；當間隙稍大，在一定范圍內時，計算按照模具板料間空氣熱導率傳熱和熱輻射計算；當間隙較大時，以空氣對流和熱輻射計算。對成形中板料局部厚度變化與模具之間有間隙存在而影響B柱在淬火階段的冷卻效果，本文提出了一種優化模面形狀的方法。通過板料云圖厚度變化調節局部模具單元節點示意圖如圖7所示。

圖7 通過板料云圖厚度變化調節局部模具單元節點示意圖

圖7中，顯示模具的網格單元，板料以厚度云圖顯示，通過修改模面網格節點所對應板料厚度云圖變化顯示值的大小，來彌補板料模具間隙空隙的存在，使板料與模具間隙減小到一定值，從而確保使M處和N處板料在淬火階段以與模具接觸熱傳導為主進行冷卻降溫。

本研究經過優化模面后進行熱沖壓數值模擬。優化方案二合模淬火主要時刻溫度分布云圖如圖8所示。

圖8 優化方案二合模淬火主要時刻溫度分布云圖

從圖8合模淬火5 s溫度云圖可知：優化后的模具很好地提高了B柱M及N位置處的冷卻速率，對比圖4中淬火5 s時M位置處溫度由682.2 ℃降低為497.1 ℃，冷卻速率大大提高，在淬火6.5 s時，M位置處達到開始向馬氏體的轉變溫度，溫度降為409.1 ℃，冷卻速率為41.2 ℃/s，相對于初始方案，冷卻速率提高了37.9%，滿足完全馬氏體化的臨界冷卻速率。淬火7.5 s時，N位置處溫度降為407.7 ℃，冷卻速率為37.9 ℃/s，提高了27.2%，滿足完全馬氏體化的臨界冷卻速率。在淬火14.6 s時，B柱有效部分已完成馬氏體轉變過程，與對比方案，整個生產周期縮短了46.5%。從圖8亦可知，合模淬火7.5 s溫度分布云圖，可以看出N位置處前部及周圍拉伸區溫度稍高，主要原因是由于優化模面形狀是按照對應模具單元節點來優化模具減小板料與模具間隙的，節點不是連續構成的，中間存在一定距離，這就導致優化后的模具與板料連續性減薄或增厚部位不能很好地吻合，依然有間隙存在，尤其是對于B柱拉伸區變化復雜處，所以該復雜處冷卻速率提高不明顯。

3.3 優化方案結果

本研究對初始方案、優化方案1與優化方案2進行整理，得到M、N處結果對比如表1、表2所示。

表1 M處結果對比

表2 N處結果對比

對比可知：增大模具形狀復雜位置換熱能力的優化設置，改善了B柱M處的冷卻速率，使B柱結構復雜M處的冷卻速率提高了36.0%，確保了該關鍵部位完全馬氏體化，但對B柱N處及周圍拉伸區的效果不明顯。對應模面形狀優化設置，結果表明，B柱模具與板料間隙的存在影響其在淬火階段的冷卻速率，進而影響工件的整體質量；B柱形狀復雜M處的冷卻速率提高了37.9%，整體的冷卻速率由28.9 ℃/s提高到了41.2 ℃/s，提高了42.6%；同時還表明，由于優化模面形狀是通過優化模具對應單元節點來完成的，與板料連續性減薄、增厚不能很好地吻合，成形工件淬火過程中，板料局部冷卻依然受間隙存在的影響，冷卻速率改善不明顯。在實際高強度鋼零部件熱沖壓生產中，增大板料表面與模具間的光潔度，使工件在成形過程中厚度變化小，減小成形后部件與模具間的間隙，是提高成形工件整體性能的關鍵。

4 結束語

本研究對具有復雜曲面的高強鋼部件車身B柱進行熱沖壓過程數值模擬，發現淬火中B柱成形復雜處冷卻速率小等問題，提出了兩種優化設置方案對熱沖壓冷卻速率進行了研究。得出以下結論：

(1)優化模具冷卻水管道布置以增大局部模具對板料的冷卻速率的方案，結果表明B柱形狀復雜位置處的冷卻速率提高了36.0%，對熱沖壓成形后工件力學性能均勻有一定的改善作用；

(2)優化模面形狀的方案，結果表明B柱形狀復雜M處的冷卻速率提高了37.9%，生產周期由原來22.04 s縮短為15.04 s，生產周期縮短了46.5%，同時表明模具與板料間隙的存在對板料冷卻速率有很大的影響。

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