基于Autoform的A柱加強(qiáng)板熱成形工藝研究

韋旺華

【摘 要】A柱加強(qiáng)板作為汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，熱成形鋼應(yīng)用較為廣泛。熱成形應(yīng)用于汽車工業(yè)能夠較好地解決超高強(qiáng)鋼的破裂、起皺、回彈等問(wèn)題，但是具體零件在實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)較難確定，所以對(duì)零件工藝方法的制定和工藝參數(shù)的設(shè)置顯得極其重要。文章選取某一車型的A柱內(nèi)加強(qiáng)板，以最大減薄率和最大回彈量作為研究目標(biāo)，通過(guò)改變板料初始溫度、模具溫度和沖壓速度3個(gè)關(guān)鍵變量，確定最佳的成形工藝參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)：在800～1 000 ℃范圍內(nèi)，隨著板料初始溫度的升高，零件最大減薄率先減小后增大，零件的回彈呈現(xiàn)較為直接的下降趨勢(shì)；模具溫度在室溫～100 ℃范圍內(nèi)，板料的最大減薄率和回彈的變化量較??；隨著沖壓速度的增加，最大減薄率先急劇增大后趨于平緩，回彈變化相似，最終確定最佳的工藝參數(shù)，為實(shí)際工裝開發(fā)和工藝參數(shù)設(shè)定提供指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】熱成形；A柱內(nèi)加強(qiáng)板；減薄率；回彈

【中圖分類號(hào)】U466 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）09-0058-05

0 前言

面對(duì)汽車輕量化和被動(dòng)安全的需求，超高強(qiáng)鋼在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日趨廣泛[1]，特別針對(duì)于A柱、B柱、C柱、門檻梁、中通道加強(qiáng)板等有著廣泛的應(yīng)用。超高強(qiáng)鋼在熱成形之后抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 500 MPa，在不增加重量的前提下能夠充分滿足安全性問(wèn)題，或在保證強(qiáng)度不變的情況下實(shí)現(xiàn)零件減薄、車身減重的目的。

但是超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用仍然存在較多問(wèn)題。由于常溫下較高的硬化指數(shù)和較低的厚向異性指數(shù)，采用傳統(tǒng)方法加工時(shí)，極其容易出現(xiàn)破裂、起皺和回彈，同時(shí)需要較大的成形力[2]。

針對(duì)這種情況，熱成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。熱成形技術(shù)是指將板料加熱至奧氏體溫度以上進(jìn)行加工成形，高溫下的超高強(qiáng)鋼塑形增強(qiáng)，成形充分。成形之后的鋼板零件成形精度高，質(zhì)量好，基本沒(méi)有回彈[3]。

熱成形過(guò)程是一個(gè)涉及金相學(xué)、物理學(xué)和傳熱學(xué)的多學(xué)科熱力耦合過(guò)程，內(nèi)部機(jī)理較復(fù)雜，目前有大量的學(xué)者從理論和工藝的角度分別進(jìn)行研究。例如：M. Naderi等 [1]基于真應(yīng)力-應(yīng)變曲線修正了超高強(qiáng)鋼M-R本構(gòu)模型和V-K模型，并研究了模型的準(zhǔn)確性；Karbasian H等[3]總結(jié)了熱成形的溫變塑形本構(gòu)模型，包括現(xiàn)象學(xué)模型、物理學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ANN）等；胡平[4]通過(guò)有限元方法研究了界面換熱系數(shù)的反算方法，為熱成形工藝參數(shù)提供依據(jù)；劉丹[5]研究高強(qiáng)鋼熱沖壓的回彈機(jī)理，從應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響總結(jié)出回彈的規(guī)律，具有指導(dǎo)意義。

工藝參數(shù)對(duì)熱成形結(jié)果的影響較為明顯。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)有限元分析計(jì)算出成形結(jié)果，并加以參數(shù)優(yōu)化，能夠極大地縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本。本文通過(guò)Autoform R7建立了某一車型的A柱加強(qiáng)板有限元模型，改變不同的工藝參數(shù)，研究不同條件下的工藝結(jié)果，為生實(shí)際生產(chǎn)提供充分的指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 傳熱學(xué)

熱塑性成形過(guò)程中，板料的熱量交換方式包括模具與板料接觸通過(guò)熱傳導(dǎo)熱量交換，以及板料自由表面通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射方式向周圍環(huán)境散熱[6]。由能量守恒定律和傅里葉定律，熱成形過(guò)程的溫度變化瞬態(tài)方程表達(dá)式如下：

ρc■=k■+■+■+■（1）

公式（1）中：k是材料的熱交換系數(shù)，左邊相為內(nèi)能率，c，ρ為材料的比熱容和密度，■為單位體積變形能產(chǎn)生的內(nèi)熱源率，計(jì)算公式如下：

■=ησ ■（2）

其中：σ為等效應(yīng)力；■為等效應(yīng)變速率；η為應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為熱能的系數(shù)，通常取0.9～0.95。

1.2 流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線

流變應(yīng)力不僅取決于合金成分和金相組織，而且取決于發(fā)生的應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度[7]。另外，相同型號(hào)的材料的組織狀態(tài)、均勻性和各向異性也會(huì)有差別。

根據(jù)觀察的在通常熱塑性成形溫度范圍內(nèi)溫度對(duì)流變應(yīng)力的影響，加上變形量和變形速率的影響，可將流變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表示為指數(shù)函數(shù)。

σ=KAεεnexp（-mεε）■■■ATexp（-mTT）（3）

可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，能夠確定公式（3）中各個(gè)待定系數(shù)（K、Aε、n、mε、■、■、AT、mT）。這樣做能夠得到可靠結(jié)果的前提是需要大量的實(shí)驗(yàn)和采集足夠多的數(shù)據(jù)。

1.3 塑形屈服準(zhǔn)則

屈服準(zhǔn)則是用來(lái)描述塑形屈服發(fā)生時(shí)應(yīng)力分離分量之間的關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，將發(fā)生從彈性到塑形的轉(zhuǎn)變。對(duì)于多軸應(yīng)力狀態(tài)，很難定義一個(gè)描述從彈性狀態(tài)向塑形狀態(tài)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)則，為此常用一個(gè)隱函數(shù)的方式來(lái)定義該準(zhǔn)則：

F（σ1，σ2，σ3，Y）=0（4）

公式（4）中：σ1，σ2，σ3表示3個(gè)主應(yīng)力，Y表示屈服應(yīng)力。

對(duì)于各項(xiàng)異性板材，通常Autoform中采用Hill屈服準(zhǔn)則進(jìn)行定義屈服面，當(dāng)σ3=0時(shí)，屈服函數(shù)如下[7]：

■-■σ1σ2+■=■（5）

2 數(shù)值模擬計(jì)算

A柱區(qū)域結(jié)構(gòu)在汽車安全中具有重要意義，在汽車正碰過(guò)程中，A柱區(qū)域結(jié)構(gòu)需要足夠的剛度、強(qiáng)度，以保證乘坐人的安全，因此超高強(qiáng)鋼應(yīng)用廣泛。

2.1 模型建立

選取的零件模型如圖1所示，該A柱加強(qiáng)板較長(zhǎng)，左端較寬，中部和右端為“U”形梁結(jié)構(gòu)。將零件導(dǎo)入Autoform R7中，選取下表面作為基準(zhǔn)面進(jìn)行面的抽取，以中部上平面為水平作為主要標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置沖壓方向如圖2所示。

2.2 材料設(shè)置

2.2.1 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

利用Autoform R7定義的材料庫(kù)中的22MnB5高錳鋼作為零件材料，材料成分見(jiàn)表1。軟件中定義材料的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與傳統(tǒng)定義方法不同，該軟件首先定義不同溫度下鐵素體、珠光體和奧氏體的溫變應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算過(guò)程中，模擬計(jì)算金相組織的變化，利用不同溫度下的金相變化綜合計(jì)算出某一點(diǎn)的動(dòng)態(tài)熱屬性，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖3和圖4分別為奧氏體和鐵素體的溫變應(yīng)力-應(yīng)變曲線，另外還有貝氏體和馬氏體兩種金相組織的溫變應(yīng)力-應(yīng)變曲線及速度相關(guān)系數(shù)，這里不再列出。

2.2.2 材料屈服面

根據(jù)已定義的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以據(jù)此定義22MnB5超高強(qiáng)鋼的屈服準(zhǔn)則。按照Hill屈服準(zhǔn)則進(jìn)行定義：

r0=0.7 r45=0.9 r90=0.8

Hill屈服面定義如圖5所示。

2.2.3 材料成形極限圖

從理論上來(lái)說(shuō)，材料成形極限圖隨著溫度的變化而變化，但本文按照回彈量和最大減薄率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，所以成形極限圖對(duì)結(jié)果并沒(méi)有影響，采用默認(rèn)成形極限圖作為參考（如圖6所示）。

2.3 工具設(shè)置

將零件模型導(dǎo)入Autoform R7后進(jìn)行壓料面設(shè)置和工藝補(bǔ)充，得到A柱加強(qiáng)板熱成形過(guò)程的模具型面圖（如圖7所示）。

2.4 初步模擬計(jì)算結(jié)果

設(shè)置工藝參數(shù)：模具初始溫度為25 ℃，板料初始加熱溫度為950 ℃，沖壓速度變化區(qū)間為250～1 000 mm/s。

零件成形過(guò)程中，最關(guān)鍵的兩個(gè)衡量成形性的標(biāo)準(zhǔn)是零件減薄率和回彈。零件的減薄率過(guò)大，板料發(fā)生破裂，導(dǎo)致零件報(bào)廢；零件的回彈量過(guò)大，精度過(guò)低，裝配困難，且容易導(dǎo)致整車性能出現(xiàn)問(wèn)題。

2.4.1 最大減薄率分布

A柱加強(qiáng)板熱成形之后零件減薄率如圖8所示。圖中負(fù)值表示減薄，正值表示增厚，課件在左端下方的尖端圓角處的減薄率最大，值為0.298。另外，左端側(cè)壁處的減薄率較大，最大可達(dá)0.257，存在破裂風(fēng)險(xiǎn)，其余位置為“U”形梁結(jié)構(gòu)，減薄率可接受，適度的變形有利于增加板材的剛度和強(qiáng)度。

2.4.2 回彈量分布

零件的法向回彈量分布如圖9所示。由圖9中可以看出，最大回彈量分布于最左端上表面處（應(yīng)按照絕對(duì)值大小衡量），最大值為2.666 mm，對(duì)應(yīng)附近區(qū)域的回彈較大，左端頭右側(cè)的回彈量在1～2 mm之間，右端“U”形梁結(jié)構(gòu)最右側(cè)回彈量較大。最大達(dá)到1.958 mm，其余位置回彈量在0.2～ 1.1 mm之間。

3 工藝參數(shù)對(duì)成形性能的影響

熱成形過(guò)程的最關(guān)鍵的變量是板料初始加熱溫度，這也是熱成形區(qū)別于傳統(tǒng)冷加工的關(guān)鍵，此外模具初始溫度、沖壓速度等因素也會(huì)對(duì)成形結(jié)果造成影響。以下分別選取不同的變量進(jìn)行定量分析，以最大減薄率和回彈量作為研究目標(biāo)，研究成形結(jié)果隨工藝參數(shù)變化的趨勢(shì)。

3.1 板料初始溫度

圖10和圖11分別為零件最大減薄率和最大回彈量隨板料初始溫度的變化趨勢(shì)。隨著板料初始溫度的升高，零件最大減薄率先急劇減小，之后減小趨勢(shì)變緩，最終出現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是由于在800～850 ℃范圍內(nèi)，隨著板料初始溫度的增大，板料金相組織逐漸完全轉(zhuǎn)化為奧氏體，塑形極大地增強(qiáng)，有利于加工成形，零件局部的尖角區(qū)域所受周圍的板料的撕扯力相對(duì)變小，零件的最大減薄率減?。辉?50～920 ℃范圍內(nèi)，板料已經(jīng)充分奧氏體化，溫度的增加造成的影響變低；920 ℃以后，由于塑性過(guò)大，較小的壓型力就會(huì)導(dǎo)致尖角位置的板料發(fā)生變形，最終導(dǎo)致減薄率過(guò)大，造成局部破裂。

零件的最大回彈變化量較小。在800～950 ℃范圍內(nèi)，最大回彈量逐漸減小。在950～1 000 ℃范圍內(nèi)，最大回彈量有輕微的增大趨勢(shì)。在800～1 000 ℃范圍內(nèi)，零件的最大回彈量變化很小，但相對(duì)于傳統(tǒng)冷加工，回彈量減小量非常明顯。

3.2 模具初始溫度

圖12和圖13分別為零件最大減薄率和最大回彈量隨模具溫度的變化趨勢(shì)。隨著模具溫度的升高，最大減薄率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于模具溫度升高，減小板料與模具的傳熱，保證了板料的溫度和塑形，但變化量極小，在25～100 ℃范圍內(nèi)，最大減薄率變化值為0.021，幾乎可以忽略不計(jì)；最大回彈量隨著模具溫度的升高，先增大后減小，可見(jiàn)調(diào)整模具溫度至更高的溫度才能對(duì)最大減薄率和回彈量造成較大的影響，實(shí)際生產(chǎn)中，加熱模具較難實(shí)現(xiàn)，所以不建議通過(guò)加熱模具改善成形性能。

3.3 沖壓速度

圖14和圖15分別為零件最大減薄率和最大回彈量隨沖壓速度的變化趨勢(shì)。隨著沖壓速度的升高，零件的最大減薄率先急劇增大，到500 mm/s時(shí)，最大減薄率變化趨于平緩。這是由于板料初始溫度在920 ℃左右時(shí)，本身塑形較好，隨著沖壓速度的增大，模具的成形力也隨之增大，對(duì)板材造成較大的沖擊，導(dǎo)致減薄率增大直至破裂。隨著沖壓速度增大到750 mm/s，由于沖壓速度的增加，板料與工具的接觸時(shí)間變短，熱量散失少，塑形降低速度慢，所以減薄率有少量的降低，但隨著速度繼續(xù)增大，最大減薄率由于較大的成型力繼續(xù)增大。

另外，隨著沖壓速度的增加，最大回彈量先增大后減小，這和最大減薄率的變化相似，500 mm/s時(shí)板料的成型力較大，板料成形沖擊力較大，導(dǎo)致回彈量變大，隨著沖壓速度繼續(xù)增加，板料的能耗散失少，塑形好，回彈量降低。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）該A柱加強(qiáng)板的最大減薄率分布在左端頭尖角處，對(duì)應(yīng)側(cè)壁處的減薄率也較大，最大回彈量主要分布于左端端頭或者右端端頭，設(shè)計(jì)制造工藝流程時(shí)應(yīng)著重考慮這兩處。

（2）隨著板料初始溫度的增大，零件的減薄率先減小后增大，最大回彈量則一直有減小的趨勢(shì)最終趨于平緩，減小量較小。

（3）模具溫度的增大對(duì)最大減薄率和回彈量造成的影響較小，且在實(shí)際生產(chǎn)中較難實(shí)現(xiàn)，故不建議改變模具溫度以改善成形結(jié)果。

（4）沖壓速度的增大，最大減薄率先增大后趨于平緩，最大回彈量先增大后減小，設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置沖壓速度在250 mm/s左右為宜。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]M. Naderi，L. Durrenberger，A. Molinari，et al.Co-

nstitutive relationships for 22MnB5 boron steel deformed isothermally at high temperatures[J].Mate-

rials Science and Engineering，2008，478：130-139.

[2]吳斌，嚴(yán)勇，董芳.典型沖壓件成形工藝研究[J].熱加工工藝，2017（3）：132-137.

[3]Karbasian H，Tekkaya A E.A review on hot stam-

ping[J].Journal of Materials Processing Technology，2010，210：2103-2118.

[4]胡平.基于有限元的熱沖壓界面換熱系數(shù)反算[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2016（3）：188-192.

[5]劉丹.高強(qiáng)鋼變強(qiáng)度件熱沖壓成形回彈預(yù)測(cè)與控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).

[6]陳煒.高強(qiáng)度鋼熱變形塑性本構(gòu)關(guān)系研究及典型熱沖壓件模擬[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2014.

[7]Dorel Banabic.Sheet Metal Forming Processes Co-

nsititutive Modelling and Numerical Simulation[Z].2017.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]