熱沖壓成形技術與數值模擬研究

引言

隨著全球汽車向輕量化方向發(fā)展,汽車行業(yè)在注重自身經濟效益的同時需要研發(fā)更為先進的板材加工工藝,為整個汽車鋼材的生產節(jié)約能源生產成本以及生產時間。在生產汽車過程中使用輕合金技術是最好的,但是由于輕合金價格昂貴,在實際生產中主要使用的生產工藝材料是高強度的鋼板。因此,高強度的鋼板生產工藝流程是現代汽車行業(yè)研究的重中之重。

1熱沖壓成形技術概述

高強度的熱沖壓成形技術在塑性加工時需要面臨很多的問題,比如在常溫下鋼板的形成很困難,其形成的溫度較高,一般的生產工藝很難達到加工工藝需求。如果在生產過程中采用冷沖壓技術對鋼板進行加工,則生產出的鋼板具有回彈嚴重的問題,同時在冷沖壓技術過程中很難對加工零件的尺度進行把握。所以熱沖壓技術應運而生,熱沖壓技術能夠與鋼材生產過程的各個工序相互協(xié)調,比如可以使不同部位的零件在不同部位得到不同的微觀組織,淬火馬氏體組織可以滿足各個復雜零件的生產加工工藝流程。

2熱沖壓成形技術工藝原理

熱沖壓成形技術的工藝原理是通過加熱低碳硼合金的高強度鋼板并使其保溫一定時間,在這個過程中使加熱鋼材均勻奧氏體化,然后利用工廠中自動機械手將板料運輸到工廠的冷卻系統(tǒng)中進行沖壓模板的沖壓成形,同時系統(tǒng)中的淬火對鋼材進行保壓,使板料能夠獲得均勻的馬氏體相變從而形成剛度均勻的鋼材。熱沖壓成形技術工藝流程如圖1所示。

3熱沖壓成形主摘影響因素

3.1材料

熱沖壓成形技術中采用的是一種具有很強剛度的硼合金材料,與傳統(tǒng)的相變誘導鋼以及馬氏體鋼具有很大的差別,傳統(tǒng)的鋼材在常溫下其強度就很高,一般采用的是冷沖壓生產技術得到,鋼材在形成零件前后其微觀組織沒有發(fā)生改變,強度指標等基本不會發(fā)生變化。而在熱沖壓成形技術過程中使用的鋼材是硼合金鋼板,該材料是一種低碳微合金鋼,材料里面添加了一定的微量元素,提高了整個鋼材的淬火性能。該材料在鋼材成形后會發(fā)生大的相變,同時鋼材的強度指標大大提升,此外在該材料中還添加了Ti、Ni等微量元素,提高了整個鋼材的整體屈服性能以及其他力學性能。

圖1熱沖壓成形工藝流程圖

典型的熱沖壓成形鋼板在常溫下其強度不高,但是通過熱成形技術加熱成形以后,該材料的微觀組織產生了馬氏體,材料的強度以及剛度得到了大大的提升,其屈服強度可以提升到1000MPa以上,但是一個明顯的缺點就是該成形零件的塑性明顯降低,比如在進行熱沖壓之前該合金材料的伸長率可以達到24%左右,但是在進行熱沖壓成形之后其伸長率就只有8%左右。

3.2工藝參數

熱沖壓成形技術的工藝流程與傳統(tǒng)的生產技術流程完全不同。在熱沖壓成形過程中其工藝參數很多,工藝復雜,在生產工藝過程中主要包含了加熱、成形以及冷卻的加工過程,為了使鋼材向馬氏體轉變,確保加工的零件具有足夠的強度和剛度,需要對不同的加工工藝流程參數進行合理設計。

加熱階段主要是對鋼材加熱溫度以及加熱時間進行把控,對鋼材進行加溫時需要確保其加熱的溫度控制帶在再結晶的溫度以上,這樣能夠確保材料奧氏體化,但是也需要特別注意加熱的溫度不能夠設置太高,否則會造成板料的燒毀和晶粒變大,這樣影響整個板料奧體化的均勻性,同時影響材料成形后的零件質量以及性能,在對板料加熱到一定溫度以后需要對板料進行保溫,在對材料進行奧體化的保溫進程中其保溫時間不宜太長,不然會造成晶粒變大,會增加整個零件的生產周期以及降低零件的生產效率。

在成形階段需要對零件模具的表面冷卻淬火,產生相變,在這個過程中需要使奧氏體變成馬氏體,實現鋼材強度的增加,只有在鋼材冷卻到一定的溫度后才能使奧氏體變成馬氏體,否則在成形過程中會形成其他的一些組織,影響整個成形零件的強度。結合相關經驗發(fā)現,一般在熱沖壓工程中將奧氏體轉換成馬氏體的最佳溫度是28℃/s,因此在鋼材的成形過程中需要使模具成形的溫度大于這個值,以此提高整個冷卻介質的循環(huán)壓力,使冷卻零件的各個部位受力均勻,同時注意冷卻的速度,并不是冷卻速度越快越好,因為當冷卻速度增加以后,零件將會開裂。

3.3熱沖壓模具

冷沖壓模具只能應用于實際零件的形成,而熱沖壓模具不但可以將材料應用于模具的成形,還能將零件進行冷卻淬火,因此在模具的選擇上更加復雜,同時也需要注意模具材料的選擇以及模具設計等方面的要求。在進行模具材料方面的選擇上,對熱沖壓模具需要確定好傳熱系數,在生產工藝過程中需要確保鋼板與模具之間能夠迅速傳熱,以致形成的鋼板具有很好的冷卻功能,模具材料需要確定其具有很好的熱強度以及高耐磨性能,以保證在零件的成形過程中具有足夠的精度。模具表面需要具有足夠的光滑性,同時其表面需要具有足夠的強度,這樣可以確保在劇烈的冷熱交換過程中保證零件具有足夠的壽命,此外模具的表面需要具有足夠的耐銹蝕性,保證模具內部管道不被冷卻介質銹蝕而發(fā)生堵塞現象。

4熱成形試驗仿真與結果

以某車型的防撞梁為研究對象,其材料為22MnB5的特定硼鋼板,利用熱成形模擬軟件Pam-stamp2G建立防撞梁仿真模型,如圖2所示。為了確定成形溫度和沖壓速度,對其模型進行了不同成形溫度條件和不同沖壓速度條件下的仿真研究。

4. 1    不同成形溫度對防撞梁性能的影響

在沖壓速度一 定的情況下 ,成形溫度的變化對構件的金 相組織和硬度影響不大:但是對構件的厚度影響較大 , 即厚 度隨著成形溫度的增大而增大 ,在700~900 ℃時 , 厚度達最 大 ,最佳成形溫度在800 ℃ 。  因此 ,將該溫度作為實驗的初始 成形溫度 。

4.2不同沖壓速度對防撞梁性能的影響

在成形溫度為800C的情況下,研究不同沖壓速度對構件金相組織、硬度和厚度的影響可知,沖壓速度對金相組織的影響較小。當沖壓速度小于50mm/s時,構件硬度大幅降低,厚度快速增大。但是當沖壓速度大于50mm/s時,厚度有所減小,硬度基本不變。為了獲得較厚的構件,在本文中選擇最佳的沖壓速度為℃00mm/s。

4.3防撞梁試驗

由上述可知,最佳的初始成形溫度和沖壓速度分別是8001和℃00mm/s。利用上述結果對其進行沖壓試驗,將試驗件進行力學性能和金相組織鑒定測試。由力學性能試驗測得該構件抗拉強度為℃500MPa,硬度為℃H50℃,金相組織為馬氏體,構件的組織和性能滿足使用要求。

5結語

高強度的鋼板加熱沖壓成形技術備受世界關注,本文主要介紹了熱沖壓成形過程中成形零件的加工工藝,對提升整車汽車零件的強度以及剛度具有十分重要的意義。本文針對某一汽車零件采用熱沖壓成形技術進行試驗模擬仿真,證明了該技術對于提高整個汽車零部件的剛度以及強度具有很強的作用,是符合實際需求的,為未來汽車零部件的加工指明了方向。