基于接觸式淬火的車身板熱沖壓成形數值模擬

冉毅

摘 要：為滿足汽車用結構件重量輕、強度高的要求，高強度鋼板的熱成形技術結合熱鍛造和冷沖壓的工藝優勢，已得到廣泛的關注和應用。車身板減薄和高強使得在成形過程中容易開裂和產生過量回彈，影響車身裝配及質量安全。本文對車身板沖壓進行簡易模具設計，三維模型建立后采用有限元軟件Abaqus對車身板成形過程進行數值模擬分析，預測工件變形歷程，分析結構合理性，避免沖壓過量回彈。

關鍵詞：熱成形；沖壓回彈；車身板；高強度鋼

1 車身板熱沖壓成形簡介

車身車體鈑金中大部分零部件依靠沖壓使之成形，其中熱沖壓成形是通過加熱、沖壓、保壓淬火等工藝的成形。汽車為減輕車身重量降低油耗，迫使車身板減薄和采用高強度材料，板料進行熱沖壓成形后，需對工件進行淬火處理，板件成形過程中容易開裂和產生過量回彈，且車身沖壓件的裝配精度高，因此板件的結構設計至關重要。

2 幾何模型的建立

車身板工件結構形狀相對簡單，有3段彎曲，有倒圓角，料厚為1.5mm，滿足許用壁厚要求，板邊緣有8mm的通孔。本文著重分析E板的熱沖壓成形。

本文應用PRO/E軟件進行幾何特征的建模，三維實體模型建好后，模擬沖壓成形，對模具和沖壓件的實體模型進行裝配，干涉檢查后導出STP格式文件為后續有限元分析作模型準備。

3 轎車車身板熱成形數值模擬

在ABAQUS/Explicit顯式動力學中創建壓邊和沖壓兩個分析步，分析步類型都定義為Dynamic，Temp-disp，Explicit。其中第1個分析步在模具上施加壓邊力，時間為0.001S，壓邊力必須適當，過大會拉裂，過低邊壁或凸緣會起皺。第2個分析步在沖頭端施加向下的位移，經計算時間為0.01 S。車身板材料為22MnB5硼鋼板，設置凸、凹模和壓邊圈的材料均為Crl2MoV，彈性模量為210GPa。泊松比為0.3，密度7.8eCcm3，屈服強度761MPa，熱膨脹系數為1.1×10-5m/℃，熱傳導系數為48W/（m·℃）。

設置完材料屬性后，進行邊界條件限定，凹模采用固定約束，凸模僅能Z方向移動（沖壓分向），向下速度6000mm/s。凸模沖壓面與板材之間、板材與凹模之間都采用摩擦系數0.1的接觸對。

4 熱成形分析

模具圓角半徑對熱成形零件回彈具有直接影響，圓角半徑越小，板料在圓角處變形越大，塑性變形量增加，彈性變形減少，從而有利于減小回彈。但圓角半徑的減小，會增大板料的變形力，使圓角處板料出現應力集中，不利于成形。通過Abaqus進行沖壓分析后，如圖4所示。

從上述看出保險杠沖壓件沒有出現結構破壞損傷。在底部圓角處應力略大于其他區域的應力值。圓角半徑、保壓時間等關鍵工藝參數對高強度鋼板熱成形零件回彈的影響，模具圓角半徑對熱成形零件回彈具有直接影響，圓角半徑越小，板料在圓角處變形越大，塑性變形量增加，彈性變形減少，從而有利于減小回彈。但圓角半徑的減小，會增大板料的變形力，使圓角處板料出現應力集中，不利于成形。

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