高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形數(shù)值模擬研究

【摘 要】為了研究高強(qiáng)鋼板的熱沖壓成形性能，本文利用高溫下熱拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，采用ANSYS/LS-DYNA與dynaform有限元軟件對(duì)高強(qiáng)鋼板Usibor1500P進(jìn)行了熱沖壓數(shù)值模擬研究，著重分析了沖壓速度和模具初始溫度對(duì)沖壓件的影響。模擬結(jié)果表明：沖壓速度越快，板料的溫度差值呈下降趨勢(shì)；板料的溫度隨著模具初始溫度的升高而增加；沖壓速度越快，所需的應(yīng)力越小；沖壓速度相同時(shí)，板料上的應(yīng)力值隨著模具初始溫度的增大而降低。

【關(guān)鍵字】數(shù)值模擬；熱沖壓成形；沖壓速度；模具初始溫度；

引言

現(xiàn)今，為了提高汽車的安全性能以及滿足輕量化等需求，高強(qiáng)度鋼板的使用在汽車行業(yè)中越來(lái)越廣泛，其對(duì)優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵作用。該鋼板在室溫條件下的成形能力較差，易發(fā)生回彈和開(kāi)裂等現(xiàn)象，對(duì)成形件的形狀精度難以控制[1]，而且在實(shí)際操作中對(duì)模具的磨損較為嚴(yán)重，降低了模具的使用年限。高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形技術(shù)的運(yùn)用是解決這一問(wèn)題的有效措施之一。熱沖壓成形技術(shù)是將板料加熱到950℃左右，保溫一段時(shí)間，使板料內(nèi)部組織完全奧氏體化后，通過(guò)機(jī)械手快速轉(zhuǎn)移到模具上進(jìn)行沖壓成形，保壓淬火后，獲得最終組織為均勻的板條狀馬氏體，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500的零部件[2-4]。

文獻(xiàn)[5]通過(guò)建立B柱的熱沖壓模型，獲得了熱沖壓過(guò)程中B柱的溫度和厚度分布；在一定范圍內(nèi)初始成形溫度越高，最終獲得的沖壓件的力學(xué)性能增大[6]。文獻(xiàn)[7]分析了成形速度與保壓時(shí)間對(duì)冷卻效果的影響，即應(yīng)力值隨著保壓時(shí)間的增加而增加；溫度差值隨著成形速度的增大而減小。文獻(xiàn)[8-10]對(duì)加熱溫度，保溫時(shí)間水流速度等工藝參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。本文采用ANSYS/LS-DYNA與dynaform有限元軟件對(duì)熱沖壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，重點(diǎn)分析了沖壓速度和模具初始溫度對(duì)最終組織的影響規(guī)律。

1 有限元模擬

1.1有限元模型的建立

目前，USIBOR1500P鋼板已成為汽車行業(yè)常用的熱沖壓成形鋼。在熱沖壓成形過(guò)程中，板料在高溫下的流變應(yīng)力與溫度之間的聯(lián)系十分密切，因此，在建立模型時(shí)，需要考慮溫度對(duì)材料模型的影響。圖1為USIBOR1500P鋼板在不同成形溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由下圖可得：在一定的應(yīng)變速率下，成形溫度越高，應(yīng)力值越小；成形溫度越低，應(yīng)力值越大；即變形抗力隨著成形溫度的升高而降低。

本文以U形件為例，對(duì)高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究。模型如圖2所示。板料尺寸為，凹凸模圓角半徑為，板料厚度為。板料的加熱溫度為，凸模行程為，凹凸模間隙為。

1.2 網(wǎng)格的劃分

在劃分網(wǎng)格時(shí)，原則上網(wǎng)格越小，分析就越精確，但同時(shí)分析計(jì)算的時(shí)間也相應(yīng)增加，對(duì)硬件的要求也要提高；如果網(wǎng)格過(guò)大，將會(huì)大大降低分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程不收斂。為了降低計(jì)算時(shí)間，模具和板料都采用殼單元，應(yīng)用智能網(wǎng)格劃分，如圖3所示，在凸、凹模圓角處的網(wǎng)格劃分的較密集，其他部位劃分的稀疏一些，這樣就滿足了上述所說(shuō)的要求。檢查網(wǎng)格后，確認(rèn)無(wú)網(wǎng)格缺陷。

1.3加載并求解

熱沖壓成形過(guò)程分為2個(gè)階段，分別為沖壓成形階段和保壓淬火階段，仿真時(shí)保壓時(shí)間為10s，表1所示為模擬過(guò)程中不同的模具初始溫度和沖壓速度。

2模擬結(jié)果分析

2.1溫度場(chǎng)的分布情況

如圖5所示，模具初始溫度為一定值時(shí)，板料的溫度差隨著沖壓速度的增加而減少；圖4所得為保壓淬火后，沖壓速度越快，U形件越易成形，溫度場(chǎng)分布均勻，溫度的最大值出現(xiàn)在凹凸模圓角處，側(cè)壁其次，板料法蘭區(qū)的溫度最小，這是因?yàn)榘辶显跊_壓成形過(guò)程中，壓邊圈是最先與板料接觸的，該區(qū)域部分的熱量?jī)?yōu)先被傳遞出去，所以該區(qū)域溫度最低，凸模是最后與板料接觸的，板料底部區(qū)域的熱量散失的較慢；圖6是當(dāng)沖壓速度為時(shí)，不同模具溫度對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)關(guān)系示意圖，U形件上最高溫度隨著模具溫度的升高而增加，最低溫度也是呈上升趨勢(shì)的，這是由于在沖壓過(guò)程中，板料與模具接觸，板料的溫度隨著模具溫度的升高而增加。

2.2應(yīng)力場(chǎng)的分布情況

結(jié)合圖 7、圖8得出：模具初始溫度固定時(shí)，U形件上應(yīng)力最小值在法蘭區(qū)域，最大值出現(xiàn)在凹凸模圓角區(qū)域，板料的最大應(yīng)力隨著沖壓速度的增加而減少，即沖壓速度越快，所需的應(yīng)力越小，有利于板料成形；從圖9反映出，沖壓速度相同時(shí)，U形件的最小應(yīng)力隨著模具溫度的增加而減小，最大應(yīng)力亦隨著模具溫度的增大而降低，即應(yīng)力差也是呈下降趨勢(shì)的。

3結(jié)論

本文通過(guò)dynaform和ansys/ls-dyna軟件相互結(jié)合，對(duì)熱沖壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)U形件最終組織和維氏硬度有了進(jìn)一步的了解。

在熱沖壓成形數(shù)值模擬過(guò)程中，當(dāng)模具初始溫度一定時(shí)，沖壓速度越快，U形件的最高溫度與最低溫度的差值越小，這是由于板料與模具的接觸過(guò)程中，造成了熱量的流失；當(dāng)沖壓速度固定時(shí)，U形件的溫度差值隨著模具初始溫度的升高而降低，這就延長(zhǎng)了保壓淬火的時(shí)間，從而大大地降低了實(shí)際的生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本。

當(dāng)沖壓速度為一固定值時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)隨著模具初始溫度的增大而減小；而當(dāng)模具初始溫度固定時(shí)，應(yīng)力值隨著沖壓速度的增加而減少，即沖壓速度越快，應(yīng)力越小，使材料獲得了良好的塑形，同時(shí)冷卻時(shí)間較短，對(duì)沖壓件的成形十分有利。

參考文獻(xiàn)：

[1] Peng C， Muammer K. Simulation of springback variation in forming of advanced high strength steels[J]. Journal of Materials Processing Technology，2007，190（1-3）：189-198.

[2] 高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)及數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2010，39（11）：103-105.

[3] 林建平，王立影，田浩彬等. 超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形研究與進(jìn)展[J].熱加工工藝，2008，37（21）：140-146.

[4] 劉紅生，包軍，邢忠文等.高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形熱力耦合數(shù)值模擬[J].材料科學(xué)與工藝，2010，18（4）：459-463.

[5] 張志強(qiáng).B柱熱沖壓數(shù)值分析研究[J].鍛壓技術(shù)，2010，35（4）：57-60.

[6] 姜超，單忠德，莊百亮，戎文娟，劉萌.初始成形溫度對(duì)超高強(qiáng)鋼熱沖壓件力學(xué)性能的影響[J].金屬熱處理，2011，36（12）：66-69.

[7] 劉文，王夢(mèng)寒，冉云蘭.超高強(qiáng)度鋼熱成形冷卻過(guò)程數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2012，41（3）：78-80.

[8] 馬寧，胡平，閆康康等.高強(qiáng)度硼鋼熱成形技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（14）：68-72.

[9] Shan Zhong-de，Zhang Mi-lan，Jiang Chao etal.Basic study on die cooling system of hot stamping process[C]// Proceedings of the international conference on advanced technology of design and manufacture. Beijing：IET PRESS，2010：23-25.

[10] 江海濤，唐荻，米振莉等.工藝參數(shù)對(duì)熱沖壓成型鋼組織性能及硼偏聚的影響[J].材料工程，2010（2）：69-73.