工藝參數(shù)對硼鋼熱沖壓成形質(zhì)量影響研究

高波

摘 要：文章以某一M型截面為研究對象，采用有限元模擬的方法研究沖壓速度、壓邊力和摩擦系數(shù)對該零件沖壓成形質(zhì)量的影響規(guī)律。研究表明：熱沖壓過程中，高速沖壓可以減小板料破裂的可能性，當(dāng)沖壓速度達(dá)到一定數(shù)值時，沖壓速度對減薄影響不明顯；當(dāng)增大壓邊力時，會使零件在側(cè)壁處減薄嚴(yán)重，壓邊力過大時，零件會發(fā)生破裂；研究的M形件的內(nèi)側(cè)壁的厚度受摩擦系數(shù)影響很大，在熱沖壓過程中，需要重視板料的潤滑狀態(tài)，盡量減少摩擦系數(shù)。

關(guān)鍵詞：工藝參數(shù)；硼鋼熱沖壓成形質(zhì)量；影響

1 概述

超高強(qiáng)度鋼在汽車上的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了車身輕量化，減少了燃油的排放，同時其超高的強(qiáng)度也提高了車身的碰撞性能，保證了整車的安全性，因此超高強(qiáng)度鋼在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。近年來，熱沖壓技術(shù)得到了廣泛的研究。高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)是將硼鋼板加熱至900-950℃保溫4-5min使其充分奧氏體化，然后迅速轉(zhuǎn)移到冷模具上進(jìn)行沖壓，同時冷模具對硼鋼進(jìn)行保壓淬火，獲得抗拉強(qiáng)度為1500MPa級的高強(qiáng)鋼熱沖壓零件[5-7]。由于在高溫下成形，板料流動性能好，可一次成形形狀復(fù)雜的零件。并且零件的回彈量小，零件的精度高[8-10]。

然而，在熱沖壓成形零件質(zhì)量受很多因素的影響。由于硼鋼在高溫下成形，板料的流動行為受應(yīng)變速率的影響，因此沖壓速度對零件的成形性能有一定的影響。同時，成形過程中，壓邊力的大小和板料與模具之間的摩擦力的大小也會對零件的成形性能產(chǎn)生較大的影響。因此，本文基于有限元仿真，以某汽車車門防撞梁上的某一個M型的截面拉伸后的零件為研究對象，研究沖壓速度，壓邊力和摩擦系數(shù)對其成形性能的影響規(guī)律。

2 M形件熱沖壓有限元模擬

M形件熱沖壓的幾何模型如圖1所示。模型由四部分組成：板料為可變形體，上下模及壓力板為剛體，他們之間的接觸形式為通用接觸。上下模面的間隙為1.21mm，板料尺寸為250×210×1.1mm。

高強(qiáng)鋼熱沖壓有限元仿真是一個熱力耦合的問題，因此為了更加準(zhǔn)確的獲得其擬合的結(jié)果，需要較多的板料材料屬性。材料的各個物理屬性參數(shù)見表1。

沖壓行程為42mm。板料與模具之間發(fā)生熱傳導(dǎo)，由于熱傳導(dǎo)系數(shù)與接觸壓力和模具間隙有關(guān)，根據(jù)已有文獻(xiàn)，確定熱傳導(dǎo)系數(shù)如表2所示。隨著間隙的減小，界面換熱系數(shù)增大，隨著接觸壓力的增大，界面換熱系數(shù)增大。

硼鋼在高溫下的流變行為如圖2所示，采用的是四個溫度（600，700，800，900℃）和四個應(yīng)變速率下（0.01，0.1，1.0，10.0/s）的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變速率的提高，硼鋼在高溫下的強(qiáng)度越高。

3 工藝參數(shù)對硼鋼熱沖壓成形的影響

3.1 沖壓速度對減薄的影響

為了研究沖壓速度對于硼鋼熱沖壓成形的影響，分別進(jìn)行了50，100，150，200mm/s沖壓速度條件下的有限元仿真，這些仿真都是在摩擦系數(shù)0.3，模具溫度為80℃，壓邊力10KN，成形溫度800℃下進(jìn)行的。

圖3（a-d）為沖壓速度分別為50mm/s，100mm/s，150mm/s和200mm/s條件下的厚度分布云圖。當(dāng)沖壓速度為50mm/s時，M形件在沖程為40mm處內(nèi)側(cè)壁發(fā)生破裂；當(dāng)沖壓速度為100mm/s，150mm/s及200mm/s時，最后厚度約為1.0mm，無明顯差異。比較得知：熱沖壓過程中，需采用高速沖壓，這樣可以減小板料破裂的可能性。但當(dāng)沖壓速度達(dá)到一定數(shù)值時，沖壓速度對減薄影響不明顯。

3.2 壓邊力對減薄的影響

為了研究壓邊力對于22MnB5熱沖壓成形的影響，進(jìn)行了不同壓邊力條件下的有限元仿真，這些仿真都是在摩擦系數(shù)0.3，模具溫度為80℃，沖壓速度100mm/s，成形初始溫度800℃下進(jìn)行的。

圖4為壓邊力分別為5KN，10KN和50KN條件下成形后的厚度分布云圖。當(dāng)壓邊力為5KN時，M形件最小厚度為1.01mm；當(dāng)壓邊力為10KN時，M形件最小厚度為1.00mm；當(dāng)壓邊力為50KN時，M形件在沖程為21mm處內(nèi)側(cè)壁發(fā)生破裂。比較得知：對于此M形件的成形，增大壓邊力，會使零件在側(cè)壁處減薄嚴(yán)重，壓邊力過大時，破裂的可能性較大。

3.3 摩擦系數(shù)對減薄的影響

為了研究摩擦系數(shù)對于22MnB5熱沖壓成形的影響，進(jìn)行了不同摩擦系數(shù)條件下的有限元仿真，這些仿真都是在壓邊力為10KN，模具溫度為80℃，沖壓速度100mm/s，成形初始溫度800℃下進(jìn)行的。

圖5為摩擦系數(shù)分別為0.2，0.3和0.35條件下成形后的厚度分布云圖。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2時，M形件最小厚度為1.03mm；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時，M形件最小厚度為1.00mm；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.35，沖程達(dá)到34mm時M形件發(fā)生破裂。比較得知：此M形件的兩個內(nèi)側(cè)壁的成形受摩擦系數(shù)影響很大，在實(shí)際沖壓中，我們采用石墨潤滑，同時，要均勻涂抹潤滑油。

4 結(jié)束語

本文采用有限元模擬的方法研究了工藝參數(shù)對硼鋼熱沖壓成形性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）熱沖壓過程中，高速沖壓可以減小板料破裂的可能性。當(dāng)沖壓速度達(dá)到一定數(shù)值時，沖壓速度對減薄影響不明顯；

（2）當(dāng)增大壓邊力時，會使零件在側(cè)壁處減薄嚴(yán)重，壓邊力過大時，零件會發(fā)生破裂；

（3）研究的M形件的內(nèi)側(cè)壁的厚度受摩擦系數(shù)影響很大，在熱沖壓過程中，需要重視板料的潤滑狀態(tài)，盡量減少摩擦系數(shù)。

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