U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型的構(gòu)建

劉全義，張貴杰

(1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009；2.現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

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U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型的構(gòu)建

劉全義，張貴杰

(1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009；2.現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

汽車(chē)；高強(qiáng)鋼；沖壓件；模型簡(jiǎn)化；U形；模擬驗(yàn)證

近年來(lái)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅速，新車(chē)上市速度越來(lái)越頻繁，高強(qiáng)鋼在汽車(chē)沖壓件中的應(yīng)用變得更加廣泛。對(duì)比了2種汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型，提出了U形簡(jiǎn)化模型的合理性。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，構(gòu)建出了1個(gè)U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型。根據(jù)該模型選取熱沖壓高強(qiáng)鋼22MnB5作為沖壓材料，進(jìn)行計(jì)算模擬，驗(yàn)證了這個(gè)U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型的可行性。研究表明：采用U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型科學(xué)合理，構(gòu)建出的U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型符合需求，可用于指導(dǎo)實(shí)際汽車(chē)沖壓件生產(chǎn)。

近年來(lái)，隨著科技進(jìn)步和發(fā)展以及人民生活水平的提升，越來(lái)越多的人開(kāi)始選擇汽車(chē)作為代步工具，汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量增長(zhǎng)迅猛，由此帶來(lái)的汽車(chē)工業(yè)發(fā)展十分迅速。2015年我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量均超2 400萬(wàn)輛，分別環(huán)比增長(zhǎng)3.3%、4.7%，保持了穩(wěn)定增長(zhǎng)。不僅是產(chǎn)銷(xiāo)量，新車(chē)上市的速度也越來(lái)越頻繁，北汽、通用、吉利、奇瑞等企業(yè)屢推新款車(chē)型上市。

伴隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，以及大氣污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，汽車(chē)尾氣的危害問(wèn)題越來(lái)越得到我國(guó)政府部門(mén)的關(guān)注。為了保證汽車(chē)安全性能同時(shí)減少燃油消耗、尾氣排放，世界各大汽車(chē)公司逐漸引進(jìn)了汽車(chē)輕量化概念，并積極努力尋找其實(shí)施方法[1]。采用優(yōu)異性能的輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的最佳辦法，汽車(chē)使用最多的材料是鋼鐵，那么增加高強(qiáng)鋼的比例，既能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的目標(biāo)，又能保證汽車(chē)力學(xué)性能上的安全性。高強(qiáng)鋼的成型性能和傳統(tǒng)鋼鐵相比相差甚遠(yuǎn)，主要是受高的抗拉強(qiáng)度、屈服性能顯著提升的影響，有時(shí)還受低的延展性和高回彈影響[2-3]，高強(qiáng)鋼的加工工藝出現(xiàn)了前所未有的難題。材料的成形能力受溫度的影響非常顯著[4-5]，在高溫區(qū)變形能大大減少變形抗力并且有良好的延展性，伴隨著熱沖壓成型[6]的出現(xiàn)，這些難題逐漸被克服。所謂的熱沖壓成型技術(shù)就是將鋼板加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫一段時(shí)間實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化后再進(jìn)行沖壓成型，成型后往往還伴有快速冷卻。伴隨著汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量的增長(zhǎng)和新車(chē)型的不斷研發(fā)，汽車(chē)沖壓件的形狀呈現(xiàn)出了多樣化。為了預(yù)測(cè)鋼鐵材料在熱沖壓成型中的沖壓質(zhì)量，構(gòu)建一種合理的汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型顯得十分必要。

1 模型簡(jiǎn)化

在60年代，隨著板材成形技術(shù)的發(fā)展，成形極限圖(FLD)的提出推動(dòng)了板材性能、成形理論、成形工藝和質(zhì)量控制的協(xié)調(diào)發(fā)展，成為板材成形技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。其試驗(yàn)方法如下：在試驗(yàn)用坯料上制備好坐標(biāo)網(wǎng)格；以一定的加載方式使坯料產(chǎn)生脹形變形，測(cè)出試件破裂或失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變?chǔ)?、ε2(長(zhǎng)、短軸方向)；改變坯料尺寸或加載條件，重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得另一狀態(tài)下的ε1、ε2；取得一定量的數(shù)值后，在平面坐標(biāo)圖上描繪出各試驗(yàn)點(diǎn)，然后圓滑連線，作出FLD。成形極限曲線將整個(gè)圖形分成如圖1所示的三部分，即安全區(qū)、破裂區(qū)及臨界區(qū)。

圖1 實(shí)驗(yàn)成形極限圖

然而，在大型汽車(chē)薄板零件沖壓過(guò)程中，由于在奧氏體區(qū)變形，變形溫度較高。采用成形極限圖方法難以保持某一固定的高溫，對(duì)于高溫變形過(guò)程，成形極限圖方法變得難以實(shí)現(xiàn)。隨著三維建模和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，更好的解決辦法開(kāi)始出現(xiàn)。用數(shù)值模擬還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)耦合場(chǎng)的分析，針對(duì)薄板計(jì)算模型來(lái)說(shuō)，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)破裂或者失穩(wěn)的區(qū)域，檢測(cè)鋼鐵材料在相關(guān)沖壓變形過(guò)程中的成型性能。

目前來(lái)看，大型汽車(chē)支撐類(lèi)的沖壓件主要有保險(xiǎn)杠和支撐柱(A、B、C)、防撞梁等，如圖2所示，通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)件主要呈現(xiàn)出中空的凹形，如圖3所示。

圖2 車(chē)身結(jié)構(gòu)

圖3 保險(xiǎn)杠

根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)件的形狀特點(diǎn)，目前主要有2種簡(jiǎn)化模型，一類(lèi)是矩形盒模型，另一類(lèi)是U形模型。對(duì)于矩形盒模型來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)觀察研究的是法蘭邊的減薄和起皺。對(duì)于U形模型來(lái)說(shuō)，則主要觀察研究的是開(kāi)裂、回彈和工藝優(yōu)化。對(duì)于現(xiàn)代汽車(chē)制造形式來(lái)看，汽車(chē)支撐構(gòu)件逐漸呈現(xiàn)流線形的設(shè)計(jì)，力圖避免小的矩形盒類(lèi)的形狀出現(xiàn)，這也是符合生產(chǎn)過(guò)程中提高產(chǎn)品合格率的要求，U形模型方案被采用的頻率開(kāi)始加快。目前越來(lái)越多的人開(kāi)始針對(duì)U形模型進(jìn)行研究，形成了汽車(chē)汽車(chē)支撐結(jié)構(gòu)件沖壓模型研究的主流趨勢(shì)。

2 U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型的設(shè)計(jì)

需要構(gòu)建的U形零件簡(jiǎn)化模型如圖4所示，這是專門(mén)針對(duì)凹形截面簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的。綜合以往廣大研究者來(lái)看，其中凹槽的深度主要取值范圍是40 ～ 60 mm之間。為了更好地檢測(cè)材料性能，采用深度較大的設(shè)計(jì)數(shù)值57.91 mm。

圖4 U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型

汽車(chē)支撐件的厚度(即沖壓坯料厚度)t一般位于1.0 mm到2.5 mm之間，由于小于3 mm，凹模圓角半徑r凹的取值

(1)

為了適應(yīng)大范圍汽車(chē)沖壓件材料沖壓質(zhì)量的檢測(cè)，選取圓角半徑r凹為13 mm，其適用的板料厚度可達(dá)1.3 ～ 2.16 mm ，特別符合實(shí)際的大部分沖壓材料厚度。沖壓過(guò)程凸模的圓角半徑要略小于底部零件的圓角半徑，凸模的圓角半徑r凹和凹模的圓角半徑r凹共同決定了模具間隙g的大小，用公式(2)表示如下。

g=r凹-r凸

(2)

汽車(chē)板熱沖壓過(guò)程中通常要考慮淬火，通常需要模具中的冷卻水帶走熱量，凹模的成本會(huì)比凸模的成本高一些。采用1個(gè)圓角半徑r凹為13 mm的凹模和不同圓角半徑的凸模來(lái)針對(duì)不同厚度(1.3 ～ 2.16 mm)的沖壓坯料進(jìn)行沖壓測(cè)試會(huì)更加經(jīng)濟(jì)劃算，故再確定多個(gè)凸模(圓角半徑不同)來(lái)形成最終的U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型?？紤]到模內(nèi)淬火，模具間隙不能太大，否則會(huì)增大和空氣間的接觸，影響到模具淬火效果，模具間隙與坯料的厚度關(guān)系如下：

(3)

將公式(3)代入公式(2)中，可得到凸模圓角半徑r和坯料厚度的關(guān)系：

(4)

r凹值為13 mm，t的取值范圍為1.3 ～ 2.16 mm ，由公式(4)所得到r凸的取值范圍為10.624 ～ 12.7 mm 。為了盡量減少凸模的數(shù)量，辯證考慮凸模圓角半徑的規(guī)范化、滿足不同坯料厚度的模具間隙適用性和更換不同厚度沖壓坯料試驗(yàn)的方便性，歸納整理U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型的凸模圓角半徑、模具間隙、適用的坯料厚度關(guān)系如表1所示。

表1 不同凸模圓角半徑下的模具間隙和坯料厚度范圍/mm

3 熱沖壓過(guò)程模擬驗(yàn)證

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)行模擬運(yùn)算。利用三維軟件Creo制作的1/4幾何沖壓模型如圖5所示。

圖5 1/4幾何沖壓模型

使用DEFORM軟件，選用熱沖壓材料22MnB5對(duì)U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型進(jìn)行沖壓過(guò)程數(shù)值模擬。選取板料厚為1.41 mm，根據(jù)表1判斷凸模圓角半徑為11.5 mm，度板料開(kāi)始沖壓的初始溫度為900 ℃，模具溫度為20 ℃，沖壓速度為50 mm/s。設(shè)定板料與模具之間的摩擦系數(shù)為0.1，傳熱系數(shù)為50 N/s/mm/℃。

獲得沖壓材料在不同沖程下的溫度場(chǎng)如圖6所示，在不同沖程下的應(yīng)力場(chǎng)如圖7所示。

圖6 不同沖程下的溫度場(chǎng)

圖7 不同沖程下的應(yīng)力場(chǎng)

通過(guò)圖6可以看出，隨著變形過(guò)程的進(jìn)行鋼板溫度逐漸降低，變形結(jié)束時(shí)(Step 500)的低溫區(qū)域溫度在600 ℃以上，高于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度(385 ℃)，變形過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生相變，為接下來(lái)模內(nèi)淬火提供了良好的奧氏體環(huán)境。通過(guò)圖7可以看出，凸模、凹模圓角附近應(yīng)力值始終比較大，同時(shí)由于溫度場(chǎng)分布不均及板料與模具接觸為曲面接觸，導(dǎo)致板料的應(yīng)力場(chǎng)分布不均；可以看出，隨著變形過(guò)程的進(jìn)行鋼板應(yīng)力逐漸增大，變形結(jié)束時(shí)(Step 500)的應(yīng)力較大區(qū)域應(yīng)力值在500 MPa左右，這時(shí)也是材料沖壓測(cè)試中容易發(fā)生材料破壞的時(shí)間。

通過(guò)有限元模擬，展示了U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型在沖壓過(guò)程中的變形規(guī)律、溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力場(chǎng)分布，驗(yàn)證了模型的理論可行性，為實(shí)際的材料沖壓測(cè)試提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合汽車(chē)支撐結(jié)構(gòu)材料沖壓件構(gòu)建了沖壓深度為57.91 mm的U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型，采用與之對(duì)應(yīng)的1個(gè)圓角半徑為13 mm的凹模和8個(gè)不同圓角半徑的凸模構(gòu)成研究高強(qiáng)鋼材料沖壓成形性能的模型組，可用于研究的坯料厚度為1.3 mm到2.16 mm，符合目前汽車(chē)生產(chǎn)制造的需求。

(2)通過(guò)有限元模擬，展示了U形汽車(chē)沖壓件簡(jiǎn)化模型沖壓過(guò)程中的變形規(guī)律、溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力場(chǎng)分布，驗(yàn)證了模型的理論可行性，為實(shí)際的材料沖壓測(cè)試提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

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Construction of Simplified Model of U-shaped Automobile Stamping Parts

LIU Quan-yi, ZHANG Gui-jie

(1. College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China;2. Key Laboratory of the Ministry of Education for Modern Metallurgy Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

automobile; high strength steel; stamping part; model simplification; U shape; simulation and verification

With the rapid development of the automobile industry in recent years, the new car market is becoming more and more frequent, and the application of high strength steel in the automobile stamping part becomes more extensive. The rationality of U shape model was proposed by comparing with two kinds of automobile stamping parts. Combining with the production practice, a simplified model of U shaped automobile stamping parts was built. According to this model, the hot stamping high strength steel 22MnB5 was selected as the punching material, and the simulation was carried out to verify the feasibility of the U shaped automobile stamping parts. The result shows that the simplified model of U shaped automobile stamping is reasonable and scientific. The simplified model of U shaped automobile stamping parts meets the requirements, which can be used to guide the production of the actual automobile stamping parts.

2095-2716(2017)01-0040-06

O344；TG142.1

A