考慮成形歷程的熱沖壓鋼板應(yīng)用研究

馬寧 ，馬鈺杰，劉克素

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院 山東 青島 266580； 2. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 安徽 合肥 230009)

0 引言

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓技術(shù)是一項(xiàng)新型的專門用于成形高強(qiáng)度沖壓件的先進(jìn)制造技術(shù)，可用來(lái)成形強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa的沖壓件,已成為世界上眾多汽車生產(chǎn)廠商關(guān)注的熱點(diǎn)。熱沖壓技術(shù)越來(lái)越受到工業(yè)界的關(guān)注[1-3]。熱成形技術(shù)原理是把特殊的高強(qiáng)度硼合金鋼加熱使之奧氏體化，隨后將紅熱的板料送入有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，同時(shí)被具有快速均勻冷卻系統(tǒng)的模具冷卻淬火，鋼板組織由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，因而得到超高強(qiáng)度的鋼板。熱成形技術(shù)不僅有高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，高溫下的材料塑性、成形性好，能一次成形復(fù)雜的沖壓件；高溫下成形能消除回彈影響，零件精度高，成形質(zhì)量好。熱成形工藝打破常規(guī)，構(gòu)思新穎，是沖壓成形領(lǐng)域的前沿技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于汽車前、后保險(xiǎn)杠、A柱、B柱、C柱、車頂構(gòu)架、車底框架以及車門內(nèi)板、車門防撞梁等構(gòu)件的生產(chǎn)。

對(duì)于傳統(tǒng)的沖壓技術(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量卓有成效的研究[4-5]。同樣對(duì)于淬火熱處理的實(shí)驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬，目前已經(jīng)積累了大量的研究成果[6-9]。高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)是將傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)與冷沖壓技術(shù)相結(jié)合的最新制造工藝，研究?jī)?nèi)容集中在材料高溫力學(xué)性能、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)方面。 Alexandre等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[10]；意大利帕多瓦大學(xué)的A.Turetta等根據(jù)Nakazima定律在高溫下來(lái)評(píng)估材料的成形性[11]； Naderi、Bleck及Merklein分別對(duì)熱成形硼鋼在高溫下的流動(dòng)準(zhǔn)則及材料參數(shù)進(jìn)行了研究[12-13]；Ma及Hu等對(duì)熱成形過(guò)程進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究，提出了新的方法用于熱成形模具設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程分析；邢忠文等對(duì)硼鋼熱沖壓成形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[14]；林建平等對(duì)高強(qiáng)度熱沖壓鋼板的高溫?zé)崃髯冃袨檫M(jìn)行了研究[15]。上述研究多集中在熱沖壓工藝?yán)碚?、?shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究上，而對(duì)于熱沖壓技術(shù)的服役性能及在車身耐沖擊碰撞中應(yīng)用的研究較少[16]。

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓零部件在汽車車身中的應(yīng)用主要集中在承載及抵抗沖擊碰撞的結(jié)構(gòu)件，例如B柱等，那么熱沖壓技術(shù)應(yīng)用于汽車車身設(shè)計(jì)相比其他高強(qiáng)度鋼板有何優(yōu)勢(shì)？本文結(jié)合數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)此進(jìn)行研究。常規(guī)的碰撞分析零件的材料性能參數(shù)都是由未變形的初始坯料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲取的，其厚度均為初始板料常數(shù)，而且未考慮成形過(guò)程中的殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)力。實(shí)際上對(duì)于車身上應(yīng)用的熱沖壓件及冷沖壓零部件，成形后的厚度分布、殘余應(yīng)變和應(yīng)力都發(fā)生變化[17-18]。本文研究在對(duì)B柱外板熱沖壓工藝數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)熱沖壓零部件的成形歷程進(jìn)行研究，分析了熱沖壓零部件殘余應(yīng)變的特征，闡述了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及作用機(jī)理，給出了考慮成形歷程的熱沖壓技術(shù)應(yīng)用方法。

1 汽車B柱數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)分析

B柱是影響轎車側(cè)面碰撞性能的主要部件之一，要改善整車的側(cè)面碰撞性能，需要從改善這些主要部件的碰撞特性入手。為了提高B柱的抗撞性，設(shè)計(jì)人員通常設(shè)計(jì)出復(fù)雜的形狀，包括增加加強(qiáng)件等方法，使其盡可能滿足抗撞性的要求，但這樣做無(wú)疑增加了B柱設(shè)計(jì)的難度。而高強(qiáng)度鋼板熱沖壓新工藝的發(fā)明，可以在成形的同時(shí)改變B柱的材料微觀組織及性能，從而在實(shí)現(xiàn)了B柱形狀簡(jiǎn)化、輕量化的同時(shí)提高整車的側(cè)面碰撞性能。

采用熱沖壓工藝進(jìn)行成形加工某車型B柱外板，如圖1所示。B柱外板形狀較為復(fù)雜，可以采用間接成形工藝加工[19]，這樣可以提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，但預(yù)成形后B柱外板在加熱爐內(nèi)加熱不均、熱應(yīng)力變形及高溫上下料等問(wèn)題制約了間接成形工藝的應(yīng)用，所以此B柱外板應(yīng)采用進(jìn)行熱沖壓直接成形工藝進(jìn)行加工[19]。應(yīng)用DYNAFORM熱力耦合模塊對(duì)B柱外板成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，板料采用熱沖壓專用硼鋼冷軋鋼板B1500HS，板料初始厚度1.4 mm，摩擦系數(shù)0.35，板料的成形初始溫度800 ℃，沖壓速率為0.15 m/s，沖壓合模后，保壓15 s，材料的熱力學(xué)參數(shù)采用文獻(xiàn)[20]中同種材料的研究數(shù)據(jù)。

圖1 車身B柱外板模型

圖2所示為B柱外板熱沖壓數(shù)值模擬的成形圖，模擬結(jié)果顯示在上述的熱沖壓工藝條件下B柱外板可以無(wú)缺陷成形，所以按上述工藝參數(shù)進(jìn)行B柱外板熱沖壓直接成型實(shí)驗(yàn)，圖3為實(shí)驗(yàn)后的B柱外板產(chǎn)品圖。從圖3中可以看出成形后的B柱外板無(wú)開(kāi)裂等成形缺陷，與上述熱沖壓的數(shù)值模擬結(jié)果相一致。從圖3中的B柱外板產(chǎn)品上切割拉伸試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，從圖4中可以看出經(jīng)過(guò)熱沖壓工藝后B柱外板的屈服強(qiáng)度接近1 000 MPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到1 500 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了雙相鋼及其他傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼板。圖5中所示為熱沖壓前B1500HS材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線[16]，對(duì)比圖4可以看出，熱沖壓后零部件的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度比原始板料均提升了3倍多，這說(shuō)明熱沖壓零部件非常適合作耐沖擊構(gòu)件的選材。

圖2 B柱外板數(shù)值模擬結(jié)果圖片

圖3 B柱外板熱沖壓實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)品圖片

圖4 B柱外板熱沖壓后試樣工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 熱沖壓前B1500HS鋼板的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 熱沖壓B柱在整車側(cè)碰撞中的應(yīng)用

在上一節(jié)，分析了B柱外板熱沖壓直接成形工藝，拉伸實(shí)驗(yàn)表明通過(guò)熱沖壓工藝可以大幅提高單個(gè)零部件的力學(xué)性能。為研究熱沖壓工藝對(duì)整車側(cè)面碰撞的影響，設(shè)計(jì)了3種對(duì)比方案進(jìn)行分析研究。整車碰撞的有限元模型如圖6所示，單元總數(shù)為108萬(wàn)個(gè)，側(cè)碰速度為50 km/h；碰撞模擬采用商業(yè)軟件LS-DYNA。

表1中列出了對(duì)比B柱工藝材料及厚度的3種方案，其中材料B340LA、DP780、QP的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖7、圖8所示。通過(guò)跟蹤碰撞過(guò)程中B柱上測(cè)試點(diǎn)P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7(如圖9所示)的最大位移侵入量來(lái)比較3種設(shè)計(jì)工況下整車的碰撞性能。

表1 側(cè)碰B柱侵入量?jī)?yōu)化過(guò)程對(duì)比

圖6 整車側(cè)面碰撞有限元模型

圖7 B340LA板材的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 DP780板材的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 B柱側(cè)碰記錄點(diǎn)位置示意圖

表2為在3種不同工況下，B柱延高度方向上7個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)的侵入量，從表中可以看出B1500HS熱沖壓B柱外板在厚度減薄0.2 mm的條件下，B柱侵入量比相應(yīng)的B340LA板材最大降低了27.2 mm，降低22%多，可見(jiàn)熱沖壓技術(shù)在輕量化領(lǐng)域及提高耐沖擊碰撞方面的突出優(yōu)勢(shì)。作為較多應(yīng)用的雙相鋼DP780在厚度減薄0.1 mm時(shí)，B柱侵入量比相應(yīng)的B340LA板材有所降低，但比熱沖壓零部件的侵入量大。

表2 側(cè)碰B柱侵入量對(duì)比 mm

3 考慮成形歷程的側(cè)面碰撞模擬研究

常規(guī)的碰撞分析零件的材料性能參數(shù)都取自未變形的初始坯料的拉伸試驗(yàn)，其厚度均為初始板料常數(shù)，而且未考慮成形過(guò)程中的殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)力。實(shí)際上對(duì)于車身上應(yīng)用的熱沖壓件及冷沖壓零部件，成形后的厚度分布、殘余應(yīng)變和應(yīng)力都發(fā)生變化。這些變化都會(huì)導(dǎo)致在碰撞仿真中產(chǎn)生誤差，然而以前常規(guī)的碰撞仿真分析將這些變化都給忽略了[17-18]。所以對(duì)于研究熱沖壓技術(shù)應(yīng)用，需要碰撞仿真中引入制造過(guò)程(主要指冷熱沖壓過(guò)程)的影響因素，考慮成形歷程的碰撞仿真分析技術(shù)對(duì)保證碰撞仿真的精度及準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

圖10為未考慮成形歷程的車身側(cè)面模型圖片；圖11為考慮成形歷程的車身側(cè)面模型圖片，即考慮B柱外板熱沖壓過(guò)程的應(yīng)變積累影響(將圖2中所示的B柱外板應(yīng)變中發(fā)生相變前的變形部分去掉)，同時(shí)將B柱內(nèi)板及周圍的側(cè)門檻、A柱及側(cè)圍等冷沖壓件的沖壓硬化影響引入LS-DYNA求解器進(jìn)行側(cè)面碰撞模擬。

圖10 未考慮成形歷程的車身側(cè)面模型

圖11 考慮成形歷程的車身側(cè)面模型

表3為考慮冷熱沖壓成形歷程側(cè)面碰撞B柱侵入量，對(duì)比表2的第2種工況(未考慮冷熱沖壓成形歷程的B柱侵入量)，可以看出考慮成形歷程的影響后，B柱的侵入量均下降，最大下降量13 mm多，P1點(diǎn)下降量達(dá)到12.5%。

表3 考慮冷熱沖壓成形歷程側(cè)面碰撞B柱侵入量 mm

4 結(jié)語(yǔ)

1) 對(duì)某車型B柱外板熱沖壓工藝進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)值模擬研究說(shuō)明提出的熱沖壓直接成形工藝及工藝參數(shù)的可行性，隨后的熱沖壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了數(shù)值模擬的有效性及所提出的B柱外板熱沖壓直接工藝及參數(shù)的正確性；

2) 經(jīng)過(guò)熱沖壓工藝后，B柱外板屈服強(qiáng)度接近1 000 MPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到1 500 MPa；設(shè)計(jì)了3種方案進(jìn)行B柱在車輛側(cè)面碰撞作用的分析研究，通過(guò)跟蹤對(duì)比B柱侵入量說(shuō)明熱沖壓技術(shù)在輕量化領(lǐng)域及提高耐沖擊碰撞方面的突出優(yōu)勢(shì)；

3) 對(duì)熱沖壓零部件的成形歷程進(jìn)行研究，分析了熱沖壓零部件殘余應(yīng)變的特征，對(duì)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及作用機(jī)理進(jìn)行了說(shuō)明，給出了考慮成形歷程的熱沖壓技術(shù)應(yīng)用方法。

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