國(guó)內(nèi)外沖壓工藝現(xiàn)狀分析

李潤(rùn)泉

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-8882（2015）04-121-01

一、國(guó)外研究現(xiàn)狀

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)己經(jīng)成為汽車(chē)車(chē)身制造技術(shù)中的焦點(diǎn)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。國(guó)外眾多汽車(chē)生產(chǎn)公司和科研人員都對(duì)熱沖壓鋼板的基本力學(xué)、熱學(xué)性能以及熱沖壓成形工藝優(yōu)化和應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。Akerstrom P和Oldenburg 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了熱沖壓鋼板的高溫膨脹效應(yīng)，并且通過(guò)有限元仿真研宄了高溫鋼板的冷卻過(guò)程。得到了 22MnB5鋼板熱力學(xué)和力學(xué)性能等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，考察了該材料的硬度分布、厚度分布，獲得了板料在熱沖壓過(guò)程中受到的成形力。結(jié)果表明，高強(qiáng)度鋼板在熱沖壓成形的過(guò)程中，板料的流變應(yīng)力受到應(yīng)變速率的影響，而且應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響隨著成形溫度的變化而變化。

Merkleinl M和Lechler J等人丨對(duì)熱沖壓成形進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，利j|.j GleeblelSOO熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)板料進(jìn)行等溫拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得了時(shí)間和溫度對(duì)22MnB5流變特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，應(yīng)變速率對(duì)材料流變應(yīng)力冇重要影響，材料流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而增加；材料奧氏體狀態(tài)下的流變特性不受乳制方向的影響；溫度對(duì)材料流變應(yīng)力有較大影響，材料的流變應(yīng)力和加工硬化隨著溫度的升高而顯著減小。Mori K和Akita K等人使用計(jì)算機(jī)數(shù)控伺服壓機(jī)控制條件，研究了超高強(qiáng)度鋼板彎曲的回彈性能。測(cè)試了材料、最終減薄量、成形速度和在底部死點(diǎn)保壓時(shí)間對(duì)V形彎曲回彈量的影響。超高強(qiáng)度鋼板V形彎曲的回彈量比低碳鋼大很多，最終減薄使回彈量降低，成形速度和保壓時(shí)間的影響很小。

Yanagimoto J和Oyamada 等人研宄了高強(qiáng)度鋼板等溫和非等溫彎曲，得到了加熱溫度對(duì)V形、U形和帽形件回彈的影響規(guī)律，并給出了高強(qiáng)度鋼板熱成形的回彈機(jī)理。Naderi M和Mori K等人研宄了熱沖壓鋼板加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)氧化皮產(chǎn)生的影響，防氧化涂層可以顯著減少氧化。開(kāi)展了高溫單向壓縮實(shí)驗(yàn)和高溫膨脹實(shí)驗(yàn)，分析了熱變形條件對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響，獲得了變形的應(yīng)變量、應(yīng)變速率和初始溫度對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度、馬氏體含量的影響規(guī)律。

二、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，大眾、通用、豐田等國(guó)外各大汽車(chē)生產(chǎn)公司己經(jīng)廣泛使用熱沖壓成形技術(shù)制造汽車(chē)安全零部件和加強(qiáng)件，有效地降低了成本、提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但是熱沖壓成形技術(shù)基本上處于國(guó)外技術(shù)封鎖和壟斷狀態(tài)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)公司對(duì)高強(qiáng)度熱沖壓車(chē)身零部件有巨大需求。目前，國(guó)內(nèi)眾多汽車(chē)公司和科研單位日益重視熱沖壓技術(shù)和熱沖壓生產(chǎn)線的研究和開(kāi)發(fā)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的邪忠文、劉紅生、包軍等人建立超高強(qiáng)鋼板熱沖壓三維彈塑性熱-力糊合的有限元模型和熱成形下的材料模型，基于U形件沖壓實(shí)驗(yàn)和有限元仿真，研宄了壓邊力、模具間隙和凹模圓角半徑等工藝參數(shù)對(duì)熱沖壓件溫度分布、冷卻速率等的影響規(guī)律?；诜堑葴囟群偷葴囟葦?shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，研宄了壓邊力、熱成形終了溫度和變形溫度對(duì)熱沖壓零件回彈的影響規(guī)律，給出了熱沖壓中產(chǎn)生回彈的機(jī)理，引起回彈的主要因素是熱效應(yīng)，螺變應(yīng)變對(duì)熱沖壓后回彈量有抵消作用。

大連理工大學(xué)的胡平、馬寧、盈亮等人建立高強(qiáng)度鋼板熱成形熱、力、相變多場(chǎng)耦合本構(gòu)模型，在自主開(kāi)發(fā)的金屬板材成形有限元商業(yè)軟件KMAS（King-MeshAnalysis System）基礎(chǔ)上，根據(jù)虛功率方程及持續(xù)平衡方程建立了熱沖壓成形熱、力、相變耦合的非線性、大變形靜力顯式數(shù)值模擬模塊，鋼板等效應(yīng)力和微觀組織相變分布變化規(guī)律?；诶碚摲治?、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究對(duì)汽車(chē)車(chē)身零部件超高強(qiáng)度硼鋼熱成形技術(shù)進(jìn)行研宄，以某汽車(chē)門(mén)內(nèi)防撞梁和B柱內(nèi)板熱成形為例，分析高溫下熱成形硼鋼的成形性能影響因素及其規(guī)律，對(duì)新型金屬?gòu)?fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、強(qiáng)度及塑性變化規(guī)律進(jìn)行了研宄，圍繞提高最終熱沖壓產(chǎn)品質(zhì)量的角度，提出了適合水冷模具的設(shè)計(jì)方法及技術(shù)要點(diǎn)。

同濟(jì)大學(xué)的林建平、王立影、譚志耀等人根據(jù)熱沖壓工藝的時(shí)間-溫度特征，采用Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在溫度60（rC～80（rC和材料應(yīng)變率0.01/s～0.5/s下，對(duì)熱沖壓高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得了不同溫度和應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并利用最小二乘法進(jìn)行多元線性回歸，建立了熱沖壓高強(qiáng)度鋼板的熱變形抗力模型。建立了高溫下方盒形件非等溫拉深成形的有限元模型，利用正交實(shí)驗(yàn)研究了熱沖壓成形過(guò)程中模具溫度對(duì)22MnB5鋼板的不等溫拉深成形能力的影響規(guī)律，并分析零件幾何參數(shù)對(duì)22MnB5鋼板的不等溫成形能力的影響規(guī)律。為保證熱沖壓過(guò)程中模具具有良好散熱效果，優(yōu)化高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形模具水冷管道設(shè)計(jì)，采用數(shù)值模擬和解析法建立熱沖壓模具水冷管道和冷卻水流之間的傳熱模型，得到了臨界水流速度的數(shù)值模擬結(jié)果和解析公式，對(duì)于熱沖壓模具水冷管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。進(jìn)行了熱沖壓工藝參數(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)研宄。

（一）對(duì)于水冷、強(qiáng)風(fēng)萍火等實(shí)驗(yàn)，研究了奧氏體化參數(shù)加熱溫度、保溫時(shí)間以及冷卻速率等對(duì)熱沖壓成形后材料微觀組織和機(jī)械性能的影響規(guī)律，獲得了制造兼具高強(qiáng)度和良好塑性熱沖壓零件的最佳加熱溫度、保溫時(shí)間和浮火速率范圍。

（二）基于U形熱沖壓實(shí)驗(yàn)和ABAQUS有限元仿真、復(fù)雜形狀零件熱沖壓實(shí)驗(yàn)和Dynaform有限元仿真，進(jìn)行了熱沖壓關(guān)鍵工藝改進(jìn)研究。獲得了改進(jìn)工藝對(duì)熱沖壓件浮火速率、浮火均勻性、微觀組織、機(jī)械性能、回彈和成形性能等的影響規(guī)律。采用快速急冷工藝，將高溫板料快速急冷至合適溫度再熱沖壓成形，改善浮火均句性和成形性能，同時(shí)提高板料的浮火速率、獲得滿足機(jī)械性能和形狀精度要求的熱沖壓件。

（三）根據(jù)改進(jìn)工藝制造了熱沖壓車(chē)門(mén)防撞梁，研宄了其材料性能和成形性能等基本性能，進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)彎曲實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)沖擊仿真測(cè)試了其抗彎和吸能等使用性能。采用熱沖壓車(chē)門(mén)防撞梁和B柱對(duì)車(chē)身側(cè)圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并基于LS-DYNA進(jìn)行了整車(chē)側(cè)碰仿真優(yōu)化分析，對(duì)比不同方案的車(chē)體能量、變形、加速度、B柱侵入速度和侵入量等，獲得最優(yōu)改進(jìn)方案，在保證碰撞安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化。