基于DEFORM 的熱成型過(guò)程仿真

廖勇武 ， 黃 河 ， 尤麗剛

（1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系， 湖南 衡陽(yáng) 421002；2.三一汽車(chē)制造有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410100）

1 引言

在汽車(chē)制造過(guò)程中，熱成型零部件能夠有效地降低車(chē)輛質(zhì)量，提升車(chē)身安全性能，滿(mǎn)足車(chē)輛安全性能、舒適性能和節(jié)能環(huán)保的需求［1-3］。目前，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)工業(yè)主要應(yīng)用熱成型生產(chǎn)的超高強(qiáng)度鋼零部件，如A柱、B柱、C柱、保險(xiǎn)加強(qiáng)板、車(chē)門(mén)防碰撞梁、門(mén)框加強(qiáng)板等，應(yīng)用范圍和比例也在逐漸增加［4-5］。熱成型件在由奧氏體冷卻時(shí)需滿(mǎn)足一定的冷卻速度才能得到馬氏體相，若冷卻效果不佳則會(huì)產(chǎn)生貝氏體等影響最終沖壓件的力學(xué)性能，所以熱成型過(guò)程中工藝控制至關(guān)重要，數(shù)值技術(shù)是研究熱成型工藝等的有效工具。本文通過(guò)數(shù)值仿真分析板料熱成型過(guò)程、溫度場(chǎng)變化規(guī)律，為熱成型數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用和工藝選擇提供參考。

2 建立熱沖壓數(shù)值仿真模型

2.1 幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分

在汽車(chē)零部件中，B柱是影響汽車(chē)安全性能重要的零部件。圖1a為汽車(chē)B柱零件，以其成型工藝角度來(lái)說(shuō)屬于U型沖壓件，本研究以B柱零件某局部U型件特征部件作為幾何模型，材料為22MnB5，材料初始厚度1.8mm。U型沖壓件如圖1b所示。為提高軟件計(jì)算與模擬的效率，根據(jù)U型件及其成型模具均具有對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn)，將幾何模型作對(duì)稱(chēng)處理。DEFROM-3D的單元模型是四面體，在同類(lèi)網(wǎng)格重劃分中，體積損失最小。本文仿真時(shí)為了考慮計(jì)算效率和精度，對(duì)模型采用尺寸比率為5，最小尺寸為1mm；凹模、凸模網(wǎng)格最小尺寸為0.8mm，尺寸比率為5，劃分后的有限元模型如圖2所示。

圖1 U型沖壓件幾何模型

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2 材料模型設(shè)置

熱沖壓過(guò)程中，模具材料的熱力學(xué)參數(shù)直接影響成型零件的模擬計(jì)算精度。本文中凹模和凸模選用為剛體的H13熱作模具鋼，板料材料為塑性體的22MnB5。材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 熱沖壓成型過(guò)程仿真

通過(guò)DEFORM軟件仿真時(shí)，分別設(shè)置以下熱沖壓工藝參數(shù)，板料初始溫度800℃、沖壓速度40mm·s-1、保壓時(shí)間120s。如圖3所示，熱成型過(guò)程主要有下面3個(gè)步驟：第1步是合模，在此過(guò)程中成型零件與模具間和空氣中散熱，時(shí)長(zhǎng)為4s；第2步是成型，時(shí)長(zhǎng)約為1.5s；第3步是保壓冷卻，此過(guò)程時(shí)長(zhǎng)為120s。

圖3 成型過(guò)程仿真

3.2 減薄率分析

成型零件減薄率是評(píng)估成型后零件品質(zhì)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算冷卻后成型零件厚度分布如圖4所示。從圖4中發(fā)現(xiàn)，沖壓完成后的板料的最小厚度為1.57mm，最大板厚為2mm，最大減薄率為21.5%。

圖4 板料厚度分布 （t=125.5s）

3.3 溫度場(chǎng)變化分析

熱成型零件溫度變化與組織演變有密切的關(guān)系，決定成型制件最終的力學(xué)性能；成型制件溫度差會(huì)使成型制件厚度不均勻，增大減薄率，增加成型制件殘余內(nèi)應(yīng)力。

1） 合模，圖5a顯示成型制件中間位置溫度變化率高于其它位置，致使4s后成型制件溫度不均勻，中間位置溫度低于其它位置現(xiàn)象。

圖5 熱成型制件溫度場(chǎng)

2） 沖壓成型，圖5b和5c顯示側(cè)壁位置 （P2-P5） 的成型制件溫度下降速度較快。

3） 保壓冷卻，如圖5d顯示成型制件與模具和冷卻系統(tǒng)間產(chǎn)生大量熱交換，此過(guò)程中成型制件與模具間溫差大，熱交換系數(shù)最大。

圖6是仿真得到的凹模、凸模上不同位置溫度曲線(xiàn)。從圖6中可以看出模具表面的溫度變化也是不均勻的，模具一方面與成型制件相接觸進(jìn)行熱量交換升溫，另一方面與冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生熱交換降低溫度。

圖6 模具溫度變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

熱沖壓成型過(guò)程分3步進(jìn)行，沖壓完成后的板料的最小厚度為1.57mm，最大板厚為2mm，最大減薄率為21.5%，成型過(guò)程中不同位置板料溫度變化不均勻，成型過(guò)程中板料的側(cè)壁冷卻速度較快，成型過(guò)程中的凹模和凸模的不同位置溫度變化也不均勻，與板料接觸最大的凸模溫度變化更加明顯。