高強(qiáng)度鋼板熱沖壓冷卻速率的研究*

馬鈺杰，郭穎穎，馬 寧

(1.龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 龍巖 364000；2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引 言

熱沖壓成形技術(shù)是專門用于成形高強(qiáng)度沖壓件的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)是將傳統(tǒng)熱鍛造技術(shù)與冷沖壓技術(shù)相結(jié)合的制造工藝。隨著汽車制造業(yè)發(fā)展，高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)在汽車先進(jìn)制造中的優(yōu)勢(shì)日益突出[1]。由于在常溫下高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度高、硬度大，加工困難且對(duì)模具及沖壓設(shè)備要求較高[2-3]，目前采用可淬火硼鋼板進(jìn)行熱沖壓成形的工藝成為各大汽車生產(chǎn)商及研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)[4]。其成形原理是把特殊的高強(qiáng)度硼合金鋼加熱奧氏體化后，送入帶有冷卻管道的模具中進(jìn)行成形及合模保壓淬火，根據(jù)材料的CCT連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線，確保熱沖壓件的平均冷卻速率大于臨界轉(zhuǎn)變速率，滿足板料組織向馬氏體轉(zhuǎn)變的條件，保證沖壓件的強(qiáng)度[5-6]。但是熱沖壓件會(huì)因局部冷卻速率小而未能完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，出現(xiàn)局部區(qū)域強(qiáng)度過(guò)低，馬氏體轉(zhuǎn)變不均勻、不充分等一系列問(wèn)題[7-8]。

針對(duì)熱沖壓冷卻速速率的研究國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究：Gu等[9]研究了W形件模具冷卻系統(tǒng)，并對(duì)防撞梁熱沖壓模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了管道半徑R、管道側(cè)壁間距L、管道頂部至模面的垂直距離H對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響的關(guān)系；Alexandre等[10]研究了板料與模具間的接觸熱阻并建立了計(jì)算接觸熱阻的數(shù)學(xué)模型；Tomoyoshi等[11]研究了用伺服壓力機(jī)高速成形和法蘭間隙防止法蘭溫度下降較快，來(lái)提高高強(qiáng)度鋼在熱沖壓中成形性能。這些研究大都集中在簡(jiǎn)單、規(guī)則的部件上，對(duì)形狀復(fù)雜的熱沖壓件研究較少。

本研究通過(guò)對(duì)具有復(fù)雜曲面的高強(qiáng)鋼部件車身B柱進(jìn)行熱沖壓過(guò)程數(shù)值模擬，通過(guò)提高模具復(fù)雜部位對(duì)板料的局部冷卻速率和優(yōu)化模面形狀設(shè)計(jì)方案，對(duì)熱沖壓冷卻速率進(jìn)行研究。

1 熱沖壓成形冷卻速率的理論分析

在熱沖壓過(guò)程中，熱沖壓件會(huì)因冷卻速率不同而導(dǎo)致在組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中得到不同的組織，最終導(dǎo)致成形后組織力學(xué)性能不一，對(duì)沖壓件整體的力學(xué)性能有很大影響。因此，研究冷卻速率這一參數(shù)對(duì)熱沖壓有重要意義。

1.1 22MnB5材料力學(xué)性能

車用高強(qiáng)度鋼板通常為錳硼合金鋼。在不同溫度下22MnB5的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)22MnB5材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

隨著溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度從550 ℃的450 MPa峰值降到950 ℃的78 MPa，屈服強(qiáng)度降低了5倍多，屈服強(qiáng)度變化范圍大，反映出了溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響大。此外，板料在不同的成形溫度下的成形性能也不同。所以，在熱沖壓成形過(guò)程中，需要控制冷卻速率使板料在成形性能好的溫度區(qū)間內(nèi)沖壓成形，以避免產(chǎn)生破裂、褶皺、頸縮等缺陷。

1.2 冷卻速率對(duì)22MnB5組織轉(zhuǎn)變的影響

22MnB5連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線如圖2所示。

圖2 22MnB5奧氏體化后連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖

材料在900 ℃時(shí)完全奧氏體化，隨著冷卻，材料在410 ℃左右開始馬氏體化，即奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，在234 ℃時(shí)馬氏體化終止；當(dāng)板料在向馬氏體轉(zhuǎn)變前平均冷卻速率大于30 ℃/s時(shí)，板料可以百分百地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，當(dāng)冷卻速率小于30 ℃/s時(shí)，板料部分轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w、馬氏體、鐵素體、珠光體等混合組織，當(dāng)冷卻十分緩慢時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體組織。要獲得完全馬氏體的超高強(qiáng)度鋼零件，須使得板料平均冷卻速率在30 ℃/s以上。

2 B柱熱沖壓成形模擬

熱沖壓件B柱是支撐車頂連接車底板的主要部件，其強(qiáng)度的大小直接關(guān)系到汽車被動(dòng)安全中側(cè)碰的性能。冷卻速率是影響熱沖壓件B柱強(qiáng)度的直接因素，根據(jù)圖2中22MnB5連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線圖可知，冷卻速率不同，B柱的微觀組織也不同，且冷卻速率越大，馬氏體組織越細(xì)，沖壓件的力學(xué)性能越好。

2.1 B柱熱沖壓成形參數(shù)的設(shè)置

該模擬中，板料的厚度為1.95 mm，其材料的屬性中熱膨脹系數(shù)為1.3e-005，密度為7.83e-009 ton/mm3，泊松比為0.3、不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為圖1所示曲線。邊界條件參數(shù)中板料的初始溫度為860 ℃，模具與板料間的換熱系數(shù)為3 000 w/(m2.k)，模具的沖壓速度為500 mm/s。

2.2 模擬結(jié)果及分析

熱沖壓件B柱一個(gè)完整的生產(chǎn)過(guò)程包括沖壓成形和合模保壓淬火兩個(gè)階段。該模擬中，板料從加熱爐加熱到900 ℃保溫完全奧氏體化后，經(jīng)4 s移至模具上，由于熱輻射、空氣對(duì)流等傳熱溫度為降為860 ℃。成形結(jié)束時(shí)板料溫度云圖如圖3(a)所示，B柱頸部?jī)山茿處在模具拉伸擠壓下塑性變形進(jìn)一步變大，產(chǎn)生更多的變形能，因此溫度最高，為865 ℃；成形結(jié)束的厚度云圖如圖3(b)所示，A處最薄，最小厚度為1.43 mm，相應(yīng)減薄率為26.7%，主要由于在A處板料受到大的模具的擠壓，發(fā)生較大的塑形變形；而在沖壓件中部W處，由于對(duì)稱彎曲壓應(yīng)力作用，W處最厚，為2.16 mm。

圖3 成形結(jié)束時(shí)板料的溫度、厚度云圖分布

合模淬火5 s后，B柱大部分溫度在410 ℃左右，合模淬火主要時(shí)刻溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 合模淬火主要時(shí)刻溫度分布云圖

從圖4(a)中可知，已開始奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化。但其中M位置處和N位置處溫度較高，最高溫度為662.3 ℃，沒(méi)有發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。經(jīng)分析M位置處是由于板料成形過(guò)程中形變復(fù)雜，受到拉伸塑形變形較其他部位大，板料減薄較大，與模具貼合不好；又較其他部位與模具接觸時(shí)間短，相對(duì)其他部位與模具發(fā)生接觸傳熱較少。N位置處在B柱的拉伸區(qū)，在成形過(guò)程中，受到模具的拉伸形變大且減薄較多，導(dǎo)致在淬火過(guò)程中與模具貼合不緊，主要通過(guò)板料與模具之間的空氣熱傳導(dǎo)傳熱，與模具接觸傳熱少，所以冷卻速率較小。隨著淬火冷卻，在10.6 s時(shí)，N位置處溫度降為411.1 ℃，開始向馬氏體轉(zhuǎn)變，平均冷卻速率為29.8 ℃/s，小于完全馬氏體化轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率；在11.4 s時(shí)，M位置處的溫度為402.5 ℃，已開始向馬氏體轉(zhuǎn)變，平均的冷卻速率為28.9 ℃/s，同樣小于完全馬氏體化轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率，從圖2奧氏體化后連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖中可以看出，轉(zhuǎn)變過(guò)程中，有少量非馬氏體生成將影響B(tài)柱整體的力學(xué)性能。

3 熱沖壓優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

綜上分析，根據(jù)22MnB5連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線圖，冷卻速率不同，B柱的微觀組織也不同，為確保B柱有較好的力學(xué)性能，必須提高B柱在M處和N處的冷卻速率。

3.1 優(yōu)化方案1設(shè)置

高溫板料經(jīng)模具的擠壓拉伸成形及冷卻淬火，熱量大部分被模具冷卻系統(tǒng)吸收，少部分輻射到周圍環(huán)境。設(shè)模具冷卻系統(tǒng)吸收板料的熱量為Q，冷卻水溫度由T1升為T2，根據(jù)傳熱學(xué)原理分析可知，冷卻水單位時(shí)間內(nèi)的流量q為：

(1)

由式(1)知：在冷卻水密度、比熱及溫差一定情況下，冷卻水單位時(shí)間內(nèi)的流量q越大，其表面冷卻水吸收的熱量越多，即模具對(duì)板料的冷卻速率越大。由物理學(xué)知，單位時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量q與冷卻管道截面面積、冷卻水流速成正比，故增加冷卻管道截面積和冷卻水流速，可以提高模具對(duì)板料的冷卻速率。冷卻水與模具是通過(guò)對(duì)流傳熱的，冷卻管道與模具表面距離直接影響其對(duì)流傳熱的效果。冷卻管道與模具表面距離越小，熱對(duì)流傳熱越大，故在保證模具有足夠強(qiáng)度的條件下，盡量減小冷卻管道到模具表面的距離以增大模具對(duì)板料的冷卻速率[12]。

針對(duì)1.3中M和N位置冷卻速率小于30 ℃/s的臨界冷卻速率，導(dǎo)致B柱關(guān)鍵部位M位置的強(qiáng)度降低，影響整體的力學(xué)性能。本文提出的優(yōu)化模具冷卻水管道布置示意圖如圖5(a)所示，通過(guò)優(yōu)化設(shè)置，增加M和N位置模具與板料間的換熱系數(shù)使模具對(duì)板料的換熱系數(shù)如圖5(b)所示。

圖5 模具內(nèi)部冷卻水管道及換熱系數(shù)示意圖

經(jīng)優(yōu)化后的模具保持其他工藝參數(shù)不變，換熱系數(shù)用圖5中的模具等效換熱系數(shù)，進(jìn)行板料熱沖壓成形模擬。優(yōu)化方案一合模淬火主要時(shí)刻溫度分布云圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案一合模淬火主要時(shí)刻溫度分布云圖

結(jié)果從圖6可以看出：與圖4中淬火5 s時(shí)最高溫度662.2 ℃相比顯著降低，說(shuō)明增加該處模具冷卻速率對(duì)改善B柱M位置的淬火速率有所提高，該方案有明顯效果。當(dāng)淬火7.2 s時(shí)，M位置溫度為402.1 ℃，已達(dá)到向奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，平均冷卻速率為39.3 ℃/s，冷卻速率提高了36.0%，滿足完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體條件；在淬火10.6 s時(shí)，N位置處溫度最高為408.5 ℃，已開始向馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，平均冷卻速率為30.0 ℃/s，滿足完全馬氏體化轉(zhuǎn)變溫度。相比N位置處及周圍拉伸區(qū)的改善效果不明顯，冷卻速率提高了僅0.67%。在合模淬火20.8 s，完成馬氏體轉(zhuǎn)化過(guò)程。

3.2 優(yōu)化方案2設(shè)置

本文中為使模擬更接近實(shí)際，設(shè)置當(dāng)模具與板料間隙小于一定值時(shí)，計(jì)算按照板料與模具間接觸熱傳導(dǎo)計(jì)算；當(dāng)間隙稍大，在一定范圍內(nèi)時(shí)，計(jì)算按照模具板料間空氣熱導(dǎo)率傳熱和熱輻射計(jì)算；當(dāng)間隙較大時(shí)，以空氣對(duì)流和熱輻射計(jì)算。對(duì)成形中板料局部厚度變化與模具之間有間隙存在而影響B(tài)柱在淬火階段的冷卻效果，本文提出了一種優(yōu)化模面形狀的方法。通過(guò)板料云圖厚度變化調(diào)節(jié)局部模具單元節(jié)點(diǎn)示意圖如圖7所示。

圖7 通過(guò)板料云圖厚度變化調(diào)節(jié)局部模具單元節(jié)點(diǎn)示意圖

圖7中，顯示模具的網(wǎng)格單元，板料以厚度云圖顯示，通過(guò)修改模面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)板料厚度云圖變化顯示值的大小，來(lái)彌補(bǔ)板料模具間隙空隙的存在，使板料與模具間隙減小到一定值，從而確保使M處和N處板料在淬火階段以與模具接觸熱傳導(dǎo)為主進(jìn)行冷卻降溫。

本研究經(jīng)過(guò)優(yōu)化模面后進(jìn)行熱沖壓數(shù)值模擬。優(yōu)化方案二合模淬火主要時(shí)刻溫度分布云圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化方案二合模淬火主要時(shí)刻溫度分布云圖

從圖8合模淬火5 s溫度云圖可知：優(yōu)化后的模具很好地提高了B柱M及N位置處的冷卻速率，對(duì)比圖4中淬火5 s時(shí)M位置處溫度由682.2 ℃降低為497.1 ℃，冷卻速率大大提高，在淬火6.5 s時(shí)，M位置處達(dá)到開始向馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，溫度降為409.1 ℃，冷卻速率為41.2 ℃/s，相對(duì)于初始方案，冷卻速率提高了37.9%，滿足完全馬氏體化的臨界冷卻速率。淬火7.5 s時(shí)，N位置處溫度降為407.7 ℃，冷卻速率為37.9 ℃/s，提高了27.2%，滿足完全馬氏體化的臨界冷卻速率。在淬火14.6 s時(shí)，B柱有效部分已完成馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程，與對(duì)比方案，整個(gè)生產(chǎn)周期縮短了46.5%。從圖8亦可知，合模淬火7.5 s溫度分布云圖，可以看出N位置處前部及周圍拉伸區(qū)溫度稍高，主要原因是由于優(yōu)化模面形狀是按照對(duì)應(yīng)模具單元節(jié)點(diǎn)來(lái)優(yōu)化模具減小板料與模具間隙的，節(jié)點(diǎn)不是連續(xù)構(gòu)成的，中間存在一定距離，這就導(dǎo)致優(yōu)化后的模具與板料連續(xù)性減薄或增厚部位不能很好地吻合，依然有間隙存在，尤其是對(duì)于B柱拉伸區(qū)變化復(fù)雜處，所以該復(fù)雜處冷卻速率提高不明顯。

3.3 優(yōu)化方案結(jié)果

本研究對(duì)初始方案、優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案2進(jìn)行整理，得到M、N處結(jié)果對(duì)比如表1、表2所示。

表1 M處結(jié)果對(duì)比

表2 N處結(jié)果對(duì)比

對(duì)比可知：增大模具形狀復(fù)雜位置換熱能力的優(yōu)化設(shè)置，改善了B柱M處的冷卻速率，使B柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜M處的冷卻速率提高了36.0%，確保了該關(guān)鍵部位完全馬氏體化，但對(duì)B柱N處及周圍拉伸區(qū)的效果不明顯。對(duì)應(yīng)模面形狀優(yōu)化設(shè)置，結(jié)果表明，B柱模具與板料間隙的存在影響其在淬火階段的冷卻速率，進(jìn)而影響工件的整體質(zhì)量；B柱形狀復(fù)雜M處的冷卻速率提高了37.9%，整體的冷卻速率由28.9 ℃/s提高到了41.2 ℃/s，提高了42.6%；同時(shí)還表明，由于優(yōu)化模面形狀是通過(guò)優(yōu)化模具對(duì)應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)來(lái)完成的，與板料連續(xù)性減薄、增厚不能很好地吻合，成形工件淬火過(guò)程中，板料局部冷卻依然受間隙存在的影響，冷卻速率改善不明顯。在實(shí)際高強(qiáng)度鋼零部件熱沖壓生產(chǎn)中，增大板料表面與模具間的光潔度，使工件在成形過(guò)程中厚度變化小，減小成形后部件與模具間的間隙，是提高成形工件整體性能的關(guān)鍵。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)具有復(fù)雜曲面的高強(qiáng)鋼部件車身B柱進(jìn)行熱沖壓過(guò)程數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)淬火中B柱成形復(fù)雜處冷卻速率小等問(wèn)題，提出了兩種優(yōu)化設(shè)置方案對(duì)熱沖壓冷卻速率進(jìn)行了研究。得出以下結(jié)論：

(1)優(yōu)化模具冷卻水管道布置以增大局部模具對(duì)板料的冷卻速率的方案，結(jié)果表明B柱形狀復(fù)雜位置處的冷卻速率提高了36.0%，對(duì)熱沖壓成形后工件力學(xué)性能均勻有一定的改善作用；

(2)優(yōu)化模面形狀的方案，結(jié)果表明B柱形狀復(fù)雜M處的冷卻速率提高了37.9%，生產(chǎn)周期由原來(lái)22.04 s縮短為15.04 s，生產(chǎn)周期縮短了46.5%，同時(shí)表明模具與板料間隙的存在對(duì)板料冷卻速率有很大的影響。

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