模具初始溫度對U形件熱沖壓機械性能的影響

徐亮 潘露 杜文文

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系，安徽 蕪湖 241000)

USIBOR1500P鋼板在室溫條件下的成形能力較差，易發(fā)生回彈和開裂等現(xiàn)象，對成形件的形狀精度難以控制［1］，在實際操作中對模具的磨損也較為嚴(yán)重，降低了模具的使用壽命。為解決這一問題，提出了高強鋼板熱沖壓成形技術(shù)，即將板料加熱到奧氏體化溫度后，在專用模具上進行沖壓成形并保壓淬火冷卻，以獲得均勻板條狀馬氏體組織，抗拉強度達 1 500 MPa［2-4］。

劉文等人分析了成形速度與保壓時間對冷卻效果的影響［5］。馬寧等人對加熱溫度、保溫時間、水流速度等工藝參數(shù)進行了相關(guān)研究［6-9］。本次研究先通過高溫下的熱拉伸實驗，獲得了USIBOR1500P在不同變形條件下的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)合所得數(shù)據(jù)，采用ANSYS/LS-DYNA與DYNAFORM有限元軟件對熱沖壓成形過程進行仿真模擬，重點分析模具初始溫度對最終組織結(jié)構(gòu)及機械性能的影響規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 材料模型

本次研究采用單向熱拉伸實驗，獲得了USIBOR1500P 硼鋼在 550，600，650，750，850，950 ℃共6種溫度條件下，應(yīng)變速率為0.1 mm/s時的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。

1.2 有限元模型

板料尺寸為300 mm×200 mm，凹凸模圓角半徑R=5 mm，板料厚度為2 mm。U形件模具熱沖壓成形主要包括凹模、凸模、板料和壓邊圈，有限元模型如圖2所示。

圖1 USIBOR1500P應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖2 有限元模型圖

1.3 工藝及模擬方案

為研究熱沖壓成形工藝參數(shù)中模具初始溫度對成形件機械性能的影響，選擇不同的模具初始溫度開展模擬實驗，方案如表1所示。

表1 不同模具初始溫度方案

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果

圖3、圖4所示為將板料加熱到950℃，傳熱系數(shù)為400 W/(m2·℃)，模具初始溫度為25℃和沖壓速度為15 mm/s的條件下的馬氏體和維氏硬度分布情況。由圖3可知，在板料的底部區(qū)域，馬氏體含量最大，在凹凸模具圓角處，馬氏體含量相對較少。圖4反映出維氏硬度的分布與馬氏體含量分布規(guī)律相同。

2.2 結(jié)果分析

(1)板料馬氏體組織分析。圖5為板料加熱到950℃，沖壓速度為15 mm/s、傳熱系數(shù)為400 W/(m2·℃)，模具初始溫度分別為 25，100，180 ℃時馬氏體含量分布圖。由圖5可知，最終的馬氏體含量的最大值隨著模具初始溫度的升高而降低，最小值也呈下降趨勢。這是因為模具初始溫度影響了溫度場的分布，所以，其對U型件的最終組織結(jié)構(gòu)和機械性能影響較為明顯。

圖3 板料最終馬氏體分布

圖4 板料最終維氏硬度分布

圖5 不同模具初始溫度下對應(yīng)的馬氏體含量分布

(2)板料維氏硬度分析。根據(jù)有限元模擬結(jié)果分析，U型件最終的維氏硬度值隨著模具初始溫度的升高而降低，如圖6所示。分析認(rèn)為這是因為模具初始溫度升高，使得板料溫度升高，加快了原子的熱運動，從而原子擴大能力加強，導(dǎo)致硬度下降。

3 結(jié)語

通過單向熱拉伸實驗獲得了USIBOR1500P硼鋼在550，600，650，750，850，950 ℃ 共 6 種溫度下，應(yīng)變速率為0.1 mm/s時的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。借助有限元軟件DYNAFORM和ANSYS/LS-DYNA，研究了USIBOR1500P鋼板熱沖壓成形工藝參數(shù)中模具初始溫度對U型件機械性能的影響，結(jié)論如下:

圖6 不同模具初始溫度的維氏硬度關(guān)系曲線

(1)U形件最終的馬氏體含量隨著模具初始溫度的升高而降低。

(2)U形件最終的維氏硬度隨著模具初始溫度的升高而降低。

［1］ Peng C，Muammer K.Simulation of Springback Variation in Forming of Advanced High Strength Steels［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，190(1/2/3):189-198.

［2］張志強.高強鋼板熱沖壓技術(shù)及數(shù)值模擬［J］.熱加工工藝，2010，39(11):103-105.

［3］林建平，王立影，田浩彬，等.超高強度鋼板熱沖壓成形研究與進展［J］.熱加工工藝，2008，37(21):140-146.

［4］劉紅生，包軍，邢忠文，等.高強鋼板熱沖壓成形熱力耦合數(shù)值模擬［J］.材料科學(xué)與工藝，2010，18(4):459-463.

［5］劉文，王夢寒，冉云蘭.超高強度鋼熱成形冷卻過程數(shù)值模擬［J］.熱加工工藝，2012，41(3):78-80.

［6］馬寧，胡平，閆康康，等.高強度硼鋼熱成形技術(shù)研究及其應(yīng)用［J］.機械工程學(xué)報，2010，46(14):68-72.

［7］ Shan Z D，Zhang M L，Jiang C，et al.Basic Study on Die Cooling System of Hot Stamping Process［C］//Proceedings of the International Conference on Advanced Technology of Design and Manufacture.Beijing:IET PRESS，2010:23-25.

［8］江海濤，唐荻，米振莉，等.工藝參數(shù)對熱沖壓成型鋼組織性能及硼偏聚的影響［J］.材料工程，2010(2):69-73.

［9］ Zhuang B L，Shan Z D，Jiang C，et al.Numerical Simulation of Hot Stamping Technology for Automotive Structural Parts［C］//Proceedings of the International Conference on Advanced Technology of Design and Manufacture.Beijing:IET PRESS，2010:176-180.

［10］馬鵬飛，張松生.機械工程材料與加工工藝［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:37-38.