沖壓速度及壓邊力對(duì)USIBOR1500高強(qiáng)鋼熱沖壓的影響

朱 樂，劉雅聰，田 野，劉榮偉，孫楊峰，王宇飛，候和龍

(承德石油高等專科學(xué)校 工業(yè)中心，河北 承德 06700)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量由2014年的1.4億輛增長(zhǎng)至2018年2億輛，汽車使用量的增加隨之帶來了環(huán)境污染問題[1]。汽車尾氣的排放是導(dǎo)致環(huán)境污染的重要因素，為減少油耗和尾氣排放汽車輕量化的主題被逐漸重視。通過使用超高強(qiáng)度材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料的方法可以實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目標(biāo)，目前汽車中往往使用超高強(qiáng)度鋼板代替高強(qiáng)度鋼板。超高強(qiáng)度鋼板在常溫下難以成形，常常會(huì)出現(xiàn)破裂、回彈等問題，隨著熱沖壓技術(shù)發(fā)展，這些問題逐漸被解決，但是由于熱沖壓過程非常復(fù)雜，影響材料成形性能的因素非常多，所以研究熱沖壓成形過程非常重要。近年來許多研究人員針對(duì)高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)進(jìn)行了研究，劉紅生等人通過對(duì)不同溫度的凹槽板進(jìn)行了雙軸拉伸試驗(yàn)，提出了與溫度、相變、應(yīng)力、應(yīng)變相關(guān)的高強(qiáng)鋼成形極限曲面(FLS)，用來預(yù)判熱成形仿真結(jié)果[2]。本文研究1.5 mm厚度的USIBOR1500高強(qiáng)鋼板作為汽車防撞梁熱沖壓板料，使用DYNAFORM軟件建立汽車防撞梁熱沖壓成形的有限元模型，對(duì)沖壓速度和壓邊力對(duì)成形性能的影響進(jìn)行分析。

1 熱沖壓成形有限元模型的建立

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及工藝

實(shí)驗(yàn)所用材料為USIBOR1500高強(qiáng)鋼，表1為USIBOR1500高強(qiáng)鋼材料成分[3]。

表1 USIBOR1500高強(qiáng)鋼材料成分 %

使用國(guó)外進(jìn)口的Inspekt 100 kN電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)來研究USIBOR1500高強(qiáng)鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線，實(shí)驗(yàn)溫度為500～800 ℃，應(yīng)變速率分別為0.1、0.01 s-1。圖1為USIBOR1500高強(qiáng)鋼在500～800 ℃下拉伸真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

將圖1中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸線性擬合，結(jié)合origin 9.0軟件得出lnk=2.61、n=0.203、m=0.09、β=2 160，最終得出USIBOR1500高強(qiáng)鋼500～800 ℃適用的本構(gòu)方程為：

(1)

式中：σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；m為應(yīng)變速率敏感系數(shù)；k為與應(yīng)力有關(guān)的系數(shù)；β為與溫度有關(guān)的系數(shù)。

圖2為熱沖壓成形工藝流程圖，通過先將高強(qiáng)鋼板料加熱到完全奧氏體狀態(tài)，然后將奧氏體化的高強(qiáng)鋼板料快速移動(dòng)至壓力機(jī)中快速?zèng)_壓，最終板料的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 500 MPa。

1.2 USIBOR1500高強(qiáng)鋼熱沖壓幾何模型

使用DYNAFORM 有限元軟件對(duì)USIBOR1500高強(qiáng)鋼熱沖壓成形過程進(jìn)行仿真，通過建立某車型有限元仿真模型如圖3所示。所用板料為USIBOR1500高強(qiáng)鋼，厚度為1.5 mm。通過DYNAFORM有限元軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，凹模4 183個(gè)網(wǎng)格，凸模3 842個(gè)網(wǎng)格，壓邊圈341個(gè)網(wǎng)格，板料502個(gè)網(wǎng)格，其中劃分的網(wǎng)格主要為四邊形網(wǎng)格，占總比例70%，三角形網(wǎng)格占30%。

1.3 參數(shù)設(shè)置

1.3.1 板料參數(shù)設(shè)置

熱沖壓過程USIBOR1500高強(qiáng)鋼板料的成形性能都是隨著溫度變化而變化，所以必須在準(zhǔn)確的參數(shù)下進(jìn)行仿真模擬才能確保仿真結(jié)果正確，表2為USIBOR1500高強(qiáng)鋼在20～900 ℃下材料的熱參數(shù)[4]。

表2 USIBOR1500高強(qiáng)鋼在20～900 ℃下材料熱參數(shù)

1.3.2 模具參數(shù)設(shè)置

根據(jù)熱沖壓的工況條件，必須選用耐高溫抗氧化的材料，這里選用 2G55CrMnMo鋼作為模具材料。表3為該模具材料在20～900 ℃的比熱容及熱導(dǎo)率[5]。

表3 模具材料在20～900 ℃下的比熱容及熱導(dǎo)率

1.3.3 邊界條件設(shè)置

高強(qiáng)鋼熱沖壓仿真參數(shù)設(shè)置中，熱分析邊界條件參數(shù)定義時(shí)需設(shè)置板料的初始加熱溫度、模具預(yù)熱溫度、熱輻射系數(shù)等。本文熱沖壓仿真中設(shè)定模具預(yù)熱溫度分別為 100 ℃、板料800 ℃。800 ℃時(shí)板料的熱輻射系數(shù)0.08，熱傳導(dǎo)系數(shù)為68 m2·K[6]。

2 不同影響因素下的汽車防撞梁熱沖壓結(jié)果分析

2.1 沖壓速度對(duì)板料溫度的影響

汽車防撞梁的熱沖壓成形過程中，板料的成形必須在奧氏體溫度內(nèi)結(jié)束，由USIBOR1500高強(qiáng)鋼的本構(gòu)方程可知，板料在成形過程中應(yīng)力同時(shí)受應(yīng)變速率和溫度的影響。為了研究USIBOR1500高強(qiáng)鋼在不同沖壓速度對(duì)成形結(jié)果的影響，通過DYNAFORM軟件分別對(duì)沖壓速度分別為30、50、70、90、110 mm/s 成形過程進(jìn)行模擬。得到不同沖壓速度下成形結(jié)束時(shí)的零件最低溫度如圖4所示。

從圖4中可以看出，USIBOR1500高強(qiáng)鋼熱沖壓成形結(jié)束時(shí)，隨著沖壓速度的升高，板料的最低溫度也在升高。當(dāng)沖壓速度低于45 mm/s時(shí)，沖壓成形后零件的最低溫度將低于412 ℃，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，不利于零件的成形質(zhì)量，所以沖壓速度不能低于45 mm/s。

2.2 沖壓速度對(duì)板料應(yīng)力的影響

圖5表示USIBOR1500高強(qiáng)鋼熱沖壓成形結(jié)束時(shí)成形零件應(yīng)力變化曲線，沖壓速度分別為50 mm/s、70 mm/s、90 mm/s、110 mm/s。

由圖5可知，隨著沖壓速度由50 mm/s增加到110 mm/s的過程中，板料所受的最大應(yīng)力出現(xiàn)了先減小后增大的現(xiàn)象，由USIBOR1500高強(qiáng)鋼材料的本構(gòu)方程可知，板料成形過程中溫度和應(yīng)變速率同時(shí)影響著板料的應(yīng)力。沖壓速度在50～70 mm/s時(shí)，隨著沖壓速度增加最大應(yīng)力減小，是因?yàn)榘辶辖禍貢r(shí)間越少，成形溫度越高，溫度對(duì)應(yīng)力的影響比應(yīng)變速率大。當(dāng)沖壓速度由70 mm/s增加至110 mm/s過程中應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力的影響較大，所以最大應(yīng)力隨著沖壓速度的增加而增大，此時(shí)較大的應(yīng)力不利于板料成形。

2.3 沖壓速度對(duì)板料厚度的影響

圖6為不同沖壓速度下USIBOR1500高強(qiáng)鋼成形結(jié)束時(shí)板料厚度分布云圖。

由圖6可知，成形制品最薄位置位于端部?jī)蓚?cè)紅色區(qū)域，而其余部分厚度分布較均勻。當(dāng)沖壓速度較高時(shí)，USIBOR1500鋼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)重影響成形件的質(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，基于以上的綜合考慮，模具的沖壓速度宜選擇在50～70 mm/s。

2.4 壓邊力對(duì)成形的影響

在熱沖壓成形過程中，壓邊力的大小對(duì)于成形結(jié)果的影響非常重要，壓邊力過小會(huì)導(dǎo)致成形不充分、起皺等問題，壓邊力過大會(huì)導(dǎo)致板料破裂。圖7為不同壓邊力下USIBOR1500高強(qiáng)鋼成形結(jié)束時(shí)板料最小厚度曲線圖。

如圖7所示，壓邊力為50 kN時(shí)板料最小厚度為1.28 mm，壓邊力為100 kN時(shí)板料最小厚度為1.20 mm，壓邊力為150 kN時(shí)板料最小厚度為1.04 mm。隨著壓邊力增大，板料流動(dòng)性降低，減薄量越大。

圖8為不同壓邊力下USIBOR1500高強(qiáng)鋼成形結(jié)束時(shí)零件FLD圖。

由圖7和圖8可知，壓邊力50 kN時(shí)板料成形性能較好，壓邊力為100 kN時(shí)板料局部區(qū)域減薄較大，但未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，如圖8紅色區(qū)域所示當(dāng)壓邊力為150 kN時(shí)板料紅色區(qū)域出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。這說明壓邊力的控制不能超過150 kN，壓邊力的控制應(yīng)在50～100 kN范圍內(nèi)，板料即不容易出現(xiàn)起皺也不容易出現(xiàn)破裂，成形性能較好。

3 結(jié)論

1)成形制品最薄位置位于端部?jī)蓚?cè)區(qū)域，而其余部分厚度分布較均勻。沖壓速度太小，成形結(jié)束時(shí)零件溫度過低，不利于組織向馬氏體轉(zhuǎn)變，影響最終材料性能；沖壓速度太大，極易造成沖壓件減薄現(xiàn)象。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50～70 mm/s。

2)壓邊力影響著板料成形結(jié)果，過小的壓邊力導(dǎo)致板料起皺，成形不充分，過大的壓邊力會(huì)導(dǎo)致成形時(shí)板料容易破裂，當(dāng)汽車防撞梁熱沖壓的壓邊力控制在50～100 kN范圍內(nèi)時(shí)，板料即不容易出現(xiàn)起皺也不容易出現(xiàn)破裂，成形性能較好。