板料初始溫度及沖壓速度對(duì)

劉全義，張貴杰，李昆昆，夏亮亮

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

板料初始溫度及沖壓速度對(duì)

劉全義，張貴杰，李昆昆，夏亮亮

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

22MnB5高強(qiáng)鋼；熱沖壓成形；初始溫度；沖壓速度；有限元分析

采用DEFORM軟件以唐鋼生產(chǎn)的厚度為1.4 mm的22MnB5汽車用高強(qiáng)鋼為材料，建立了熱沖壓成形的有限元分析模型，研究了板料初始溫度及沖壓速度對(duì)熱沖壓成形過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明，總負(fù)荷隨著22MnB5板料初始溫度的升高呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，22MnB5鋼的成形初始溫度應(yīng)選擇在900 ℃。當(dāng)沖壓速度低于50 mm/s時(shí)，沖壓成形過(guò)程中奧氏體可能已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變。受到應(yīng)變速率和材料內(nèi)部溫度這2種影響因素的制約，使沖壓成形后的最大應(yīng)力隨著沖壓速度的增加呈先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。沖壓速度宜選擇在50～60 mm/s之間。

隨著21世紀(jì)的科技進(jìn)步以及居民生活條件的改善，使用汽車作為代步工具逐漸被更多的人所認(rèn)可，汽車的產(chǎn)銷量增漲非常迅猛。汽車行業(yè)連年以驚人的速度發(fā)展，加上日益嚴(yán)重的大氣污染，汽車尾氣帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題受到越來(lái)越多的人的關(guān)注。為了保證車輛的安全性能、降低油耗、減少尾氣排放，世界上較大的汽車公司逐漸推出輕重量化的概念車型，并積極尋求途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)它[1]。其中，最重要的途徑就是采用高強(qiáng)鋼代替普通鋼作為汽車的結(jié)構(gòu)材料。高強(qiáng)鋼的成形性能和傳統(tǒng)鋼鐵相比相差甚遠(yuǎn)，在室溫條件下難以變形，極易產(chǎn)生開(kāi)裂、回彈等缺陷，對(duì)模具的壽命構(gòu)成了挑戰(zhàn)[2]。伴隨著熱沖壓成形[3]的出現(xiàn)，這些難題逐漸被克服，熱沖壓零件在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。熱沖壓成形過(guò)程復(fù)雜，并且考慮到熱力耦合問(wèn)題，往往通過(guò)有限元分析方法進(jìn)行輔助分析[4,5]。

該項(xiàng)研究以唐鋼生產(chǎn)的厚度為1.4 mm 的22MnB5汽車用高強(qiáng)鋼為熱沖壓板料，采用DEFORM軟件建立了熱沖壓成形的有限元分析模型，研究了板料初始溫度和沖壓速度對(duì)沖壓成形過(guò)程的影響。

1 熱沖壓成形有限元模型的建立

構(gòu)建的有限元分析模型，一般包括凸模、凹模以及板料等內(nèi)容，用以模擬分析整個(gè)高強(qiáng)鋼板熱沖壓成型過(guò)程。按照現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)條件下熱沖壓成形的模具運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在數(shù)值模擬時(shí)假設(shè)凹模保持靜止?fàn)顟B(tài)，使凸模按著工程條件向凹模方向運(yùn)動(dòng)。一般情況下，熱沖壓成形有限元建模內(nèi)容如下：材料模型、幾何模型、網(wǎng)格模型、模具和板料間的接觸形式、邊界條件設(shè)置和確定預(yù)定義場(chǎng)、分析步設(shè)置。

1.1 材料模型

由唐鋼生產(chǎn)材料22MnB5，化學(xué)成分如表1所示，上模沖程結(jié)束后需要將材料在模內(nèi)進(jìn)行冷卻淬火形成馬氏體。避免出現(xiàn)貝氏體的最低冷卻速率是30 ℃/s?？紤]到變形過(guò)程，奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變會(huì)受阻，為了更好地形成成分均勻、性能優(yōu)異的板條狀馬氏體組織，應(yīng)將冷卻速率控制在40 ℃/s以上。

表1 22MnB5成分/%

使用熱模擬試驗(yàn)機(jī)Gleeble-3500進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)研究鋼板在高溫境中的熱流變行為，實(shí)驗(yàn)溫度參數(shù)主要設(shè)置為500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃，應(yīng)變速率為0.1 s-1。獲得22MnB5真應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 22MnB5真應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.2 幾何模型

和實(shí)體模型相比，幾何模型主要是以滿足順利完成數(shù)值模擬求解過(guò)程目標(biāo)來(lái)進(jìn)行便利化處理的有效措施。由于變形過(guò)程的對(duì)稱性，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，采用沖壓過(guò)程的1/4模型部分進(jìn)行模擬。利用三維軟件Creo制作的1/4幾何模型如圖2所示，模型主要由凸模、凹模以及坯料所組成。凹模圓角半徑為13 mm、凸模圓角半徑為11.5 mm，其模具間隙為1.5 mm，沖壓深度為57.91 mm。

徠卡為旗下使用APS-C幅面?zhèn)鞲衅鞯腃L系統(tǒng)增加了機(jī)身顏色選項(xiàng)。新的銀色機(jī)身使用黑色蒙皮包裹，參數(shù)性能均與黑色版一致。

圖2 1/4幾何沖壓模型[6]

1.3 網(wǎng)格模型

網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞是有限元數(shù)值模擬成功與否的關(guān)鍵所在，Deform軟件擁有強(qiáng)大的網(wǎng)格重劃分能力，為模擬出實(shí)際的變形行為提供了可靠保障。具體的網(wǎng)格劃分參數(shù)：板料劃分網(wǎng)格100 000個(gè)，最小邊長(zhǎng)為0.508 mm；凸模劃分網(wǎng)格為32 000個(gè)，最小邊長(zhǎng)為1.807 mm；凹模劃分網(wǎng)格為32 000個(gè)，最小邊長(zhǎng)為2.042 mm。

1.4 模具和板料間的接觸

在熱沖壓過(guò)程中，模具和板料之間存在接觸、摩擦和傳熱。設(shè)置接觸容差為0.01 mm，摩擦系數(shù)為0.1，設(shè)定板料與模具之間的傳熱系數(shù)為50 W/(m·℃)。

1.5 模具和板料間的接觸

設(shè)定凹模位置固定不變，凸模垂直向下運(yùn)動(dòng)，凸模和凹模完成合攏時(shí)運(yùn)動(dòng)停止，計(jì)算結(jié)束。在模擬前處理時(shí)設(shè)定室溫及模具初始溫度20 ℃，選定模具的自由平面和鏡像平面。坯料同樣設(shè)置好自由平面和對(duì)稱的鏡像平面。

1.6 控制分析步長(zhǎng)的確定

分析控制過(guò)程中要確保計(jì)算的連續(xù)進(jìn)行，每一步的計(jì)算長(zhǎng)度都需要小于劃分網(wǎng)格的最小邊長(zhǎng)的一半。初步劃分的網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)為0.508 mm，每步的允許的最大計(jì)算長(zhǎng)度為0.254 mm，本模擬過(guò)程設(shè)定計(jì)算步長(zhǎng)為0.116 mm。由于熱沖壓過(guò)程時(shí)間極短，熱沖壓過(guò)程主要是通過(guò)模具運(yùn)動(dòng)路程來(lái)進(jìn)行控制變形，對(duì)于沖壓過(guò)程的分析步長(zhǎng)控制來(lái)說(shuō)，按照模具運(yùn)動(dòng)的路程比按照時(shí)間來(lái)控制顯得更加合理一些。

2 不同影響參數(shù)下的有限元求解分析

2.1 不同板料初始溫度的有限元求解分析

熱沖壓過(guò)程中，當(dāng)板料的初始溫度不同時(shí)，板料的成形性能將發(fā)生改變，一般表現(xiàn)在塑性成形過(guò)程實(shí)現(xiàn)的難易上。因此，分析了成形力在不同鋼板初始溫度條件下的變化情況。由于22MnB5鋼的完全奧氏體化溫度在800 ℃以上，需要保證在板料完全奧氏體化的條件下進(jìn)行熱沖壓變形過(guò)程，故在800 ℃以下進(jìn)行模擬計(jì)算變得沒(méi)有意義。因此，設(shè)置板料的初始溫度分別為800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃，以此進(jìn)行模擬計(jì)算分析。得出在1/4模型中硼鋼坯料在熱沖壓變形過(guò)程中的總負(fù)荷曲線，如圖3所示。

圖3 硼鋼坯料在熱沖壓變形過(guò)程中的總負(fù)荷曲線

通過(guò)圖3可知，由于隨著溫度的提高，鋼材硬度減小，變形抗力開(kāi)始降低，材料成形變得更加容易，所以總負(fù)荷隨著22MnB5坯料初始溫度的升高呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。

但是，溫度并不是越高越好。如果溫度過(guò)高，即便采用氣體保護(hù)、鋼板涂層保護(hù)等手段對(duì)板料進(jìn)行保護(hù)，22MnB5鋼板坯料表面的氧化現(xiàn)象也會(huì)變得非常嚴(yán)重。零件表面的氧化層夾雜在熱沖壓變形過(guò)程中很難去除。不僅如此，因?yàn)闇囟冗^(guò)高還會(huì)引起22MnB5板料過(guò)熱過(guò)燒，從而嚴(yán)重影響成形后的零件質(zhì)量。

考慮到熱沖壓成型板料的成形性和高溫階段容易造成的缺陷兩方面因素，22MnB5鋼的成形初始溫度宜選擇在900 ℃。

2.2 不同板料初始溫度和不同沖壓速度的有限元求解分析

熱沖壓成型工藝中，坯料的變形一定要在奧氏體態(tài)下完成，要求使用較大的沖壓速度，讓板料盡可快成形。如果成形速度較小，溫度將會(huì)降低很快，隨著溫度的降低，坯料的變形抗力會(huì)逐漸增加，導(dǎo)致出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，進(jìn)而造成成形困難。與此同時(shí)，沖壓速度的不同會(huì)影響成形過(guò)程的快慢程度，從而影響了成形結(jié)束時(shí)零件上的溫度分布情況，進(jìn)而影響了保壓、冷卻時(shí)制件的溫度和應(yīng)力分布。同時(shí)，成形力的大小也受到?jīng)_壓速度的影響，沖壓速度越快，變形越劇烈，往往會(huì)造成沖壓缺陷。為了研究在不同沖壓速度下所引起的不同效果，現(xiàn)選取的沖壓速度分別為30 mm/s、40 mm/s、50 mm/s、60 mm/s、70 mm/s、80 mm/s、90 mm/s的7組數(shù)據(jù)對(duì)900 ℃的坯料進(jìn)行有限元模擬，得到不同沖壓速度下成形后的零件最低溫度如圖4所示。

圖4 不同沖壓速度下成形后的零件最低溫度

從圖4中可以看出，板料熱沖壓成型結(jié)束時(shí)，沖壓速度的升高會(huì)導(dǎo)致板料溫度的增大。原因是當(dāng)板料熱沖壓成型的初始溫度相同，如果沖壓速度升高將會(huì)使所需的沖壓成型時(shí)間縮短，并導(dǎo)致板料與模具和空氣進(jìn)行熱量交換的時(shí)間縮短，從而將會(huì)使板料沖壓成型結(jié)束時(shí)的溫度升高。但是當(dāng)沖壓速度低于50 mm/s時(shí)，沖壓成形后零件的最低溫度將低于400 ℃，此時(shí)奧氏體可能已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，不能為后續(xù)冷卻淬火保證單一的奧氏體環(huán)境，不利于零件的成型質(zhì)量。

得出在成形過(guò)程中不同沖壓速度下零件的最大應(yīng)力如圖5所示

圖5 成形過(guò)程中不同沖壓速度下零件的最大應(yīng)力

在熱沖壓變形中，不僅應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力有影響，同時(shí)材料內(nèi)部溫度變化也對(duì)應(yīng)力大變化有影響。這雙重影響因素綜合制約著最大應(yīng)力隨著沖壓速度變化形成圖5所示的趨勢(shì)。

從圖5中可以看出，沖壓到第200步(step 200)時(shí)，不同沖壓速度下的最大應(yīng)力還沒(méi)有出現(xiàn)多大的差距。此時(shí)，由于材料的變形不夠劇烈，所產(chǎn)生的變形熱不多，變形抗力在不同沖壓速度下的增加相差不大。隨著沖壓過(guò)程的繼續(xù)變形，變形程度加大，隨著應(yīng)變速率的增加變形抗力也在增加，這時(shí)，由于受到變形速度的影響材料內(nèi)部溫度變化比較大，對(duì)熱沖壓變形過(guò)程的影響變得顯著起來(lái)，影響了應(yīng)力的分布(step 300、step 400)。

在熱沖壓變形過(guò)程結(jié)束時(shí)(step 500)，零件板料成形過(guò)程中的最大應(yīng)力隨著沖壓速度的增加呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。重要原因是因?yàn)閼?yīng)力受到應(yīng)變速率和材料內(nèi)部溫度這2種因素影響，致使隨著沖壓速度變化最大應(yīng)力形成step 500這樣的趨勢(shì)。首先，金屬變形的應(yīng)變速率隨著沖壓速度的增大而增加，雖然此時(shí)的變形抗力有所增長(zhǎng)，但材料的變形區(qū)溫度在速度增大的同時(shí)逐漸積累，也在逐步變高，受到溫度影響變形抗力有減小的趨勢(shì)，在這種情況下，流變抗力的影響溫度占據(jù)主導(dǎo)地位，所以應(yīng)力隨著沖壓速度的增大反而呈現(xiàn)出了減小的趨勢(shì)。當(dāng)沖壓速度超過(guò)60 mm/s時(shí)，隨著沖壓速度的增加，應(yīng)變速率的影響開(kāi)始變得比溫度的影響更為顯著，最大應(yīng)力呈現(xiàn)出了上升的趨勢(shì)。

從圖5中可以看出，橫坐標(biāo)的沖壓速度分別為70 mm/s、90 mm/s時(shí)的第300步、第400步2條曲線呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，說(shuō)明70 mm/s、90 mm/s的沖壓速度在沖壓過(guò)程中溫度變化對(duì)應(yīng)力的影響較大。但是，在熱沖壓變形結(jié)束時(shí)，模具和板料的接觸區(qū)域面積增大，變形最為劇烈，此時(shí)在較高的沖壓速度下應(yīng)變速率的影響能力要強(qiáng)于溫度。

當(dāng)沖壓速度較高時(shí)，22MnB5板料的變形溫度比較高，同時(shí)材料內(nèi)部承受的變形抗力隨著速度上升有所增加，這時(shí)特別容易造成的材料損壞，最終形成沖壓件缺陷，將嚴(yán)重影響成型件的質(zhì)量，同時(shí)如果沖壓速度太大，極易造成沖壓件減薄現(xiàn)象。

沖壓成形后，基于對(duì)成形后零件的最低溫度和最大應(yīng)力的影響方面考慮，模具的沖壓速度宜選擇在50～60 mm/s之間。

3 結(jié)論

(1)總負(fù)荷隨著22MnB5板料初始溫度的升高呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。隨著溫度的提高，鋼材硬度減小，變形抗力開(kāi)始降低，材料成形變得更加容易。如果溫度過(guò)高，22MnB5鋼板坯料表面的氧化也會(huì)變得非常嚴(yán)重，產(chǎn)生的氧化鐵皮層夾雜在零件表面會(huì)難以去除。過(guò)高的溫度也可能會(huì)導(dǎo)致22MnB5板料過(guò)熱過(guò)燒，從而影響零件的成型質(zhì)量?？紤]到熱沖壓成形板料的成形性和高溫階段容易造成的缺陷兩方面因素，22MnB5鋼的成形初始溫度宜選擇在900 ℃。

(2)在板料熱沖壓成形結(jié)束時(shí)，沖壓速度的升高會(huì)導(dǎo)致板料溫度的增大。但是當(dāng)沖壓速度低于50 mm/s時(shí)，沖壓成形后零件的最低溫度將低于400 ℃，此時(shí)奧氏體可能已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，不能為后續(xù)冷卻淬火保證單一的奧氏體環(huán)境，對(duì)零件的成型質(zhì)量會(huì)有影響。零件板料成形后的最大應(yīng)力隨著沖壓速度的增加出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)椴粌H應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力的大小有影響，材料內(nèi)部溫度變化對(duì)應(yīng)力也有影響，這2種影響因素綜合制約著沖壓成形后的最大應(yīng)力隨著沖壓速度變化形成先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。沖壓速度較高時(shí)，22MnB5板料的變形溫度會(huì)比較高，材料內(nèi)部承受的變形抗力較大，在熱沖壓過(guò)程中特別容易造成材料損壞，同時(shí)，沖壓速度過(guò)大，極易造成沖壓件減薄現(xiàn)象?；趯?duì)成形后零件的最低溫度和最大應(yīng)力的影響方面考慮，熱沖壓工藝中的沖壓速度宜選擇在50～60 mm/s之間。

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EffectofInitialTemperatureofSheetMetalandStampingSpeedon22MnB5HotStampingProcess

LIU Quan-yi, ZHANG Gui-jie, LI Kun-kun, XIA Liang-liang

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

22MnB5 high strength steel; hot stamping; initial temperature; stamping speed; finite element analysis

By using DEFORM software, finite element analysis model of hot stamping was built by thickness of 1.4 mm 22MnB5 high strength steel as the material. The influence of initial temperature of sheet metal and stamping speed on hot stamping process was researched. The results show that with the increase of the initial temperature of the 22MnB5 sheet, the total load decreases gradually . The initial temperature of 22MnB5 steel should be selected at 900 ℃. When the stamping speed is lower than 50 mm/s, austenite may have changed in the stamping forming process o. With effect of the two factors of strain rate and internal temperature of the material, the maximum stress after stamping forming decreases firstly and then increases with the increase of the stamping speed. The best choice of stamping speed is between 50～60 mm/s.

2095-2716(2017)04-0041-06

2017-05-07

2017-09-15

22MnB5熱沖壓成形過(guò)程的影響

TG306

A