高強度彎曲零件回彈模擬分析

趙　軍，李奮強

(廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

高強度彎曲零件回彈模擬分析

趙軍，李奮強

(廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

以一汽車高強度彎曲零件為研究對象，應(yīng)用Dynaform軟件對彎曲零件的沖壓成形過程進行數(shù)值模擬，分析常溫與熱沖壓成形后零件的回彈情況，研究熱沖壓成形過程中板料初始溫度、沖壓成形速度對零件回彈的影響規(guī)律.結(jié)果表明：在常溫條件下零件成形無缺陷，但最大回彈量較大，為1.48mm，零件尺寸精密度得不到保證；采用熱成形方法后，零件回彈得到較大改善，板料預(yù)熱溫度對零件回彈影響復(fù)雜，隨沖壓成形速度的增加，回彈量減小.

高強度鋼板；熱沖壓；彎曲零件；Dynaform軟件

在成形的過程中，通過冷卻水冷卻模具，零件發(fā)生淬火過程，組織從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而獲得超高強度零件[1-3].熱成形后零件具有很多優(yōu)點:1)經(jīng)過熱沖壓成形后零件的強度能夠達到1 500MPa，與傳統(tǒng)的冷沖壓工藝所能達到的600MPa有了顯著的提高；2)在高溫情況下，板料變形程度小，塑性和可成形性能較好，能夠避免多次成形復(fù)雜的沖壓件，避免冷沖壓成形中帶來的回彈大、開裂等現(xiàn)象；3)熱沖壓成形后的沖壓件和其零件的回彈率相對于冷沖壓來說比較小，而且熱沖壓成形后零件的精度高，同時熱沖壓成形后的零件質(zhì)量好；4)熱沖壓噸位要求比較小[4-5].零件經(jīng)過奧氏體化后塑性會變得更好.同濟大學(xué)林建平等運用傳熱學(xué)基本理論對淬火熱沖壓成形過程中的傳熱進行分析[6].劉紅生等采用ABAQUS軟件對高溫下22MnB5高強鋼板溝槽形件沖壓成形進行了數(shù)值模擬研究,考察了壓邊力、模具間隙和凹模圓角半徑等工藝參數(shù)對熱成形時溫度分布和回彈的影響[7].嚴浩宇等采用熱成形極限試驗，利用光化學(xué)蝕刻法和坐標網(wǎng)格分析法測量得到了800 ℃下22MnB5的成形極限圖[8].大連理工大學(xué)馬寧、胡平等研究了單向熱拉深過程中硼鋼熱、力、相變的耦合關(guān)系，建立了高強度鋼板熱成形的全量形式及增量形式本構(gòu)方程[9].陳鷹等對車門防撞梁的熱沖壓進行了試驗研究，得到合格的熱沖壓零件[10].本文以一汽車高強度彎曲零件為例，采用數(shù)值模擬方法，對比分析冷、熱沖壓成形對零件回彈的影響規(guī)律，為生產(chǎn)提供理論支持.

1　板料冷沖壓成形分析

彎曲零件截面如圖1所示.零件厚度t=2mm，材料為HSLA250，該產(chǎn)品為不對稱結(jié)構(gòu).

1.1成形過程分析

HSLA250的力學(xué)性能參數(shù)如表1，零件厚度為2mm，凸模的運動速度為2 000mm/s，壓邊力為20kN.

表1　HSLA250的力學(xué)性能參數(shù)

零件成形情況如圖2所示.由圖2可以看出，成形后零件無破裂現(xiàn)象.從零件厚度分布情況(如圖3所示)也可看出，厚度變化情況主要分布在圓角地方，而遠離圓角的直邊部分和底面沒有變形，其厚度在1.96～2.01mm之間，零件成形質(zhì)量較好.

2　板料沖壓回彈分析

對彎曲類零件來說回彈是不可避免的，其回彈量與零件形狀有關(guān).圖4(a)為零件回彈情況，零件最大回彈量為1.48mm，發(fā)生在直壁位置，可見對彎曲零件來說，回彈對其成形質(zhì)量的影響較大，零件高度越高其回彈越明顯.圖4(b)為零件熱成形后零件回彈情況，其回彈與熱成工藝參數(shù)密切相關(guān)，可以看出熱沖壓成形零件的回彈能得到一定的改善.

3熱沖壓成形工藝參數(shù)對回彈的影響

溫度、輻射、對流是熱沖壓成形過程中最重要的影響因素.溫度主要包括板料溫度和模具溫度，在成形過程中考慮溫度對成形質(zhì)量的影響，在成形過程中板料與模具之間存在熱傳，會使模具溫度升高，但由于在模具內(nèi)設(shè)置有冷卻系統(tǒng)，模具溫度會很快下降，設(shè)定輻射系數(shù)0.8，傳熱系數(shù)5.0W/m2·k.3.1板料成形初始溫度對回彈的影響

板料的初始溫度分別取600、700、800、900、1 000 ℃進行成形分析.其中工具的初始溫度取50 ℃，凸模的速度取2 000mm/s，材料選擇為HSLA250.

圖5為板材料溫度對回彈的影響曲線.由圖5可以看出，零件在不同位置、不同溫度下產(chǎn)生的回彈量不同.零件在短直邊處，900 ℃的回彈量最小，均為0.295mm.底部位置回彈幾乎為零.在長邊處，當板料溫度為600 ℃時其回彈量為0.62mm，當板料溫度為800 ℃時，零件的回彈最小，為0.36mm，當溫度升高到1 000 ℃時，其回彈量為0.55mm.可以看出，溫度對零件的回彈影響較復(fù)雜，但較冷沖壓成形來說，其回彈量大大下降.隨著溫度的升高，板料的變形抗力在不斷地下降，其塑形也在不斷地改善，從而板料的回彈量在不斷地減小.另一方面，當板料的初始溫度過高時，板料容易發(fā)生脫碳、軟化等現(xiàn)象，在成形過程中與模具之間的熱交換加劇，造成零件冷卻不均勻，從而對回彈產(chǎn)生影響.

3.2成形速度對回彈的影響

設(shè)定沖壓速度分別為2 000、2 500、3 000、3 500、4 000mm/s進行模擬分析，同時設(shè)定板料的初始溫度為900 ℃，材料選擇為HSLA250.當沖壓速度為2 000mm/s時，零件的最大回彈量為0.44mm，當沖壓成形速度為4 000mm/s，其回彈量為0.17mm.

成形速度對零件成形質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)為板料與模具之間熱交換時間和材料變形時間，從而影響板料的塑形和板料內(nèi)部溫度場的變化.成形速度越快，板料與模具的作用時間也就越短，板料溫度下降越少.圖6為熱沖壓成形速度對回彈的影響曲線，由圖6可以看出，沖壓成形速度越快，板料的回彈量也就越小.

4　結(jié)論

通過對高強度彎曲零件進行常溫、熱沖壓成形回彈分析表明：在常溫條件下，零件成形無缺陷，但最大回彈量較大；采用熱成形方法后，零件回彈能得到較大改善.其中熱成形工藝參數(shù)對零件回彈有較大影響，板料預(yù)熱溫度對零件回彈影響復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)，隨沖壓成形速度的增加，回彈量減小.

[1]馬寧，申國哲，張宗華，等．高強度鋼板熱沖壓材料性能研究及在車身設(shè)計中的應(yīng)用[J]．機械工程學(xué)報，2011，47(8)：60-64.

[2]莊百亮，單忠德，姜超．熱沖壓成形工藝技術(shù)及其在車身上的應(yīng)用[J]．先進制造技術(shù)研究中心，2010(21)：62-63．

[3]NADERIM，SAEED-AKBARIA，BLECKW．Theeffectsofnon-isother-maldeformationonmartensitictransformationin22MnB5steel[J]．MaterialsScienceandEngineering，2008,487(1/2):445-455．

[4]黃英．高強度鋼板熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值分析研究[D]．長春：吉林大學(xué)，2012．

[5]徐虹，沈永波，李欣，等．熱沖壓成形車門防撞梁組織和性能研究[J]．鍛壓技術(shù)，2011，36(6)：24-27．

[6]林建平,孫國華,朱巧紅,等，超高強度鋼板熱成形板料溫度的解析模型研究[J]．鍛壓技術(shù)，2009，34(1)：20-23.

[7]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.

[8]嚴浩宇，閔峻英，黃明泰. 高強度鋼板熱成形極限的模具設(shè)計及試驗研究[J].機械制造,2010,48(533):61-63.

[9]馬寧，胡平，武文華，等. 高強度鋼板熱成形本構(gòu)理論與實驗分析[J]．力學(xué)學(xué)報，2011,43(2):346-354.

[10] 陳鷹，董瀚，惠衛(wèi)軍，等，車門防撞梁的熱沖壓試驗研究[J]．汽車工藝與材料，2011(6)：19-23.

(責(zé)任編輯李寧)

Study on Springback of High Strength Bending PartBased on Numerical Simulation

ZHAO Jun，LI Feng-qiang

(SchoolofMaterialsScience&Engineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China)

Cracking,wrinklingandspringbackofhighstrengthbendingpartbyroomtemperaturestampingcanbeeffectivelysolvedadoptinghotstampingtechnology.NumericalsimulationwasconductedonthehighstrengthbendingpartbasedonDynaform,springbackofpartatroomtemperatureandhotstampinganalyzed,andeffectsofinitialblanktemperatureandformingvelocityonspringbackofthepartsinhotstampingprocessstudied.Theresultsshowthattheformingpartisdefectfreeundertheconditionsofroomtemperatureformingbutthemaximumspringbackamountis1.48mm.Usingthehotformingmethod,thespringbackofpartisimproved.Theeffectofinitialblanktemperatureonthespringbackiscomplex.Butthespringbackdecreaseswiththeincreaseofspeed.

highstrengthsteel;hotstamping;bendingpart;Dynaformsoft

2014-12-04

2014-01-30

福建省自然科學(xué)基金項目(2012D132)；福建省科技廳重點項目(2013H0049)

趙軍(1973-)，男，副教授，博士，研究方向為材料精密成形與模具設(shè)計與制造.E-mail：zjcqu@163.com

TG376A

1673-4432(2015)01-0022-04