基于DYNAFORM的22MnB5鋼熱成形工藝數(shù)值模擬研究

胡 軍，胡春艷，張 偉，顏廷國

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

基于DYNAFORM的22MnB5鋼熱成形工藝數(shù)值模擬研究

胡 軍，胡春艷，張 偉，顏廷國

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

利用有限元分析軟件ETA/DYNAFORM對22MnB5材料的U形件進(jìn)行熱成形模擬研究。在影響U形件熱成形性能的各參數(shù)中，主要研究了板料初始溫度和摩擦系數(shù)：板料初始溫度水平為800℃、850℃、900℃、950℃四種；摩擦系數(shù)水平為0.1、0.125、0.15、0.2四種。對比FLD（Forming Limit Diagram）成形極限圖，結(jié)果表明，在板料初始溫度為900℃ 、摩擦系數(shù)為0.125時(shí)，U形件的成形性能最好。對比冷、熱成形工藝，熱成形后INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域比冷成形后的小，因此熱成形工藝成形的U形件成形性能更好。

熱成形工藝；22MnB5；DYNAFORM；數(shù)值模擬

0　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和國民生活水平的提高，汽車行業(yè)得到了飛速發(fā)展，車輛開始增多，污染情況加重。為了控制污染，世界各國開始研究實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的方法。其中一種有效的做法就是合理匹配車身零件的減薄和高強(qiáng)，這樣不僅可以有效減輕車身重量，降低油耗，而且可以確保和提高車型的安全性和舒適性。高強(qiáng)度鋼板在室溫務(wù)件下塑性差、延伸率低，對傳統(tǒng)的冷成形工藝而言，減薄和高強(qiáng)是惡化成形性的雙重因素，不僅使得車身零件在成形過程中容易拉裂，容易產(chǎn)生回彈，影響后續(xù)裝配［1］。在熱成形工藝沖壓是一種可行沖壓方法，它可以降低成形設(shè)備負(fù)載、提高零件成形精度［2］。

1　熱成形工藝過程模擬

首先，應(yīng)用UG6.0創(chuàng)建凹模、凸模、板料的CAD模型，然后將文件格式轉(zhuǎn)化為為IGS，分別導(dǎo)入ETA/ DYNAFORM中，完成熱沖壓模型。劃分網(wǎng)格時(shí)凸模、凹模設(shè)置為剛性，不參與計(jì)算，所以模具網(wǎng)格單元采用細(xì)密單元，為了精確模擬模具表面的幾何形狀，采用三角形單元；板料網(wǎng)格采用四邊形單元。網(wǎng)格單元尺寸控制要考慮到模具與坯料接觸界面上力的傳遞與分布，必須保證模具網(wǎng)格單元尺寸與坯料單元尺寸相互適應(yīng)。所以采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)（Adaptive Mesh）。網(wǎng)格劃分結(jié)果：凸模、凹模網(wǎng)格劃分采用Tool Mesh，控制網(wǎng)格單元尺寸最小0.5mm，最大30mm；板料網(wǎng)格劃分采用Part Mesh，網(wǎng)格單元尺寸為0.5mm。

完成所有零件的導(dǎo)入和網(wǎng)格劃分后，建立成形文件，定義凸模、凹模和板料，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.125。以凹模（die）為基準(zhǔn)，對凸模、凹模和板料進(jìn)行定位。

圖1　模具有限元網(wǎng)格模型

設(shè)置參數(shù)：板料厚度為1mm，單元公式采用16號全積分單元公式，板料材料模型選用106號熱-彈塑性材料模型。設(shè)置熱分析（Thermal Analysis）參數(shù)。接觸方式算法選取雙面接觸（Two Way），板料和模具熱性模型選擇第6種材料模型熱-各向同性熱性材料模型。

熱量傳遞過程有3種基本方式熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流。成形的不同階段熱傳遞系數(shù)都不盡相同。合適的板料成形初始溫度為800～900℃［3］。本文研究了初始溫度分別為800℃、850℃、900℃、950℃四種水平下的U形件成形性能。模具初始溫度為常溫25℃。表1為不同板料初始溫度下的邊界務(wù)件，表2為不同初始溫度下的接觸務(wù)件［4］。

表1　不同溫度下的邊界條件

表2　不同溫度下的接觸條件

導(dǎo)入成形模擬后生成的格式為”DYNAIN（*. dynain*）”的文件，建立回彈分析（Springback）文件，進(jìn)行回彈量后處理分析。

2　冷、熱沖壓成形工藝對比

2.1冷沖壓模擬

冷沖壓模擬與熱沖壓模擬步驟類似，前處理完全一樣，只是參數(shù)設(shè)置不同。建立成形文件后，進(jìn)行板料設(shè)置。單元公式選用2號單元公式，材料模型選用36號材料模型。接觸界面類型選擇單面接觸（From One Way S. to S.）。摩擦系數(shù)設(shè)置為0.125。22MnB5常溫下的材料參數(shù)如表3［5］所示。

設(shè)置參數(shù)完成后，保存文件，運(yùn)行模擬計(jì)算，進(jìn)行成形性能后處理分析。

同熱成形回彈設(shè)置步驟一樣，建立回彈分析文件，運(yùn)行模擬。進(jìn)行回彈后處理分析。

2.2冷熱沖壓成形性能對比

FLD成形極限圖是以平面內(nèi)主應(yīng)變和來表示板料應(yīng)變成形極限的圖形，它可以用來評判板料局部成形性能。板料被不同的顏色分區(qū)，其中，灰色代表INSUFFICIENT STRETCH成形不足區(qū)域，INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域越多，表明不完全成形區(qū)域越多，產(chǎn)品整體可成形性能越差，產(chǎn)品質(zhì)量越差。所以本文通過對比INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域面積的大小來判斷其可成形性能。圖2為不同溫度下的U形件INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域面積直方示意圖。

從以上后處理結(jié)果的對比圖可以看出，在常溫25℃，INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域最大。而初始溫度為高溫時(shí)成形的U形件，INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域明顯比常溫25℃時(shí)INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域小，可成形性更好。

表3　常溫下（25℃）22MnB5材料參數(shù)

圖2　不同溫度下的成形不足區(qū)域面積示意圖

圖3 不同溫度下的回彈量

圖3為不同溫度下的回彈量。從圖中可以看出，常溫下的U形件回彈量幾乎為0。但是常溫下22MnB5的韌性差，成形的U形件機(jī)械性能差，不能保證產(chǎn)品質(zhì)量；而900℃時(shí)的回彈最大值為0.032mm，回彈量很小，符合成形工藝要求，只需要采用校正彎曲即可控制。

從上述分析可以看出，從保證成形質(zhì)量角度考慮產(chǎn)品，成形22MnB5的U形件采用熱成形技術(shù)更好。

3　各參數(shù)對熱成形性能的影響

在熱成形過程中，板料初始溫度和摩擦系數(shù)對U形件的成形性能都有顯著影響，考慮板料初始溫度和摩擦系數(shù)，有利于更精確地模擬成形過程。

3.1溫度對熱成形性能的影響

圖4為不同溫度下的INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域面積示意圖。

從圖4可以看出，850℃時(shí)INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域最大，隨著溫度升高，INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域逐漸減小，到900℃最小，950℃又比900℃時(shí)的INSUFFICIENT STRETCH區(qū)域大，可見900℃時(shí)成形性能最好。結(jié)果表明，溫度偏低或偏高都不利于U形件成形，基于22MnB5的U形件適宜熱成形加

【】【】工工藝成形溫度的溫度區(qū)間在850℃～900℃。

3.2摩擦系數(shù)對熱成形性能的影響

本文中摩擦系數(shù)水平為0.1、0.125、0.15、0.2四種。

圖5為不同摩擦系數(shù)下的INSUFFICIENT STRETCH面積示意圖。

Numerical simulation research on hot forming technology of 22MnB5 on DYNAFORM

HU Jun， HU Chun-yan， ZHANG Wei， YAN Ting-guo

TG306

A

1009-0134（2016）10-0108-03

2016-06-21

胡軍（1972 -），男，遼寧丹東人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE/CAM。