熱沖壓成形技術(shù)與數(shù)值模擬研究

摘

要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)鋼材的熱沖壓性能要求越來(lái)越高。現(xiàn)代沖壓技術(shù)是將一種先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫后進(jìn)行鋼板快速?zèng)_壓，然后對(duì)鋼板進(jìn)行快速冷卻得到超高強(qiáng)度的新型零件。首先對(duì)熱沖壓成形技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，然后對(duì)熱沖壓成形技術(shù)的工藝原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，其次簡(jiǎn)要敘述了影響熱沖壓成形的主要因素，最后針對(duì)某一成型零件進(jìn)行了試驗(yàn)仿真并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，為實(shí)際的熱沖壓成形技術(shù)應(yīng)用提供了參考。關(guān)鍵詞：熱沖壓；成形技術(shù)；工藝原理；影響因素；仿真

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引言隨著全球汽車(chē)向輕量化方向發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)在注重自身經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)需要研發(fā)更為先進(jìn)的板材加工工藝，為整個(gè)汽車(chē)鋼材的生產(chǎn)節(jié)約能源生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)時(shí)間。在生產(chǎn)汽車(chē)過(guò)程中使用輕合金技術(shù)是最好的，但是由于輕合金價(jià)格昂貴，在實(shí)際生產(chǎn)中主要使用的生產(chǎn)工藝材料是高強(qiáng)度的鋼板。因此，高強(qiáng)度的鋼板生產(chǎn)工藝流程是現(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)研究的重中之重。1

熱沖壓成形技術(shù)概述高強(qiáng)度的熱沖壓成形技術(shù)在塑性加工時(shí)需要面臨很多的問(wèn)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(chǎn)工藝很難達(dá)到加工工藝需求。如果在生產(chǎn)過(guò)程中采用冷沖壓技術(shù)對(duì)鋼板進(jìn)行加工，則生產(chǎn)出的鋼板具有回彈嚴(yán)重的問(wèn)題，同時(shí)在冷沖壓技術(shù)過(guò)程中很難對(duì)加工零件的尺度進(jìn)行把握。所以熱沖壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，熱沖壓技術(shù)能夠與鋼材生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)工序相互協(xié)調(diào)，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(mǎn)足各個(gè)復(fù)雜零件的生產(chǎn)加工工藝流程。2

熱沖壓成形技術(shù)工藝原理熱沖壓成形技術(shù)的工藝原理是通過(guò)加熱低碳硼合金的高強(qiáng)度鋼板并使其保溫一定時(shí)間，在這個(gè)過(guò)程中使加熱鋼材均勻奧氏體化，然后利用工廠中自動(dòng)機(jī)械手將板料運(yùn)輸?shù)焦S的冷卻系統(tǒng)中進(jìn)行沖壓模板的沖壓成形，同時(shí)系統(tǒng)中的淬火對(duì)鋼材進(jìn)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(shù)工藝流程如圖1所示。

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熱沖壓成形主要影響因素3.1

材料熱沖壓成形技術(shù)中采用的是一種具有很強(qiáng)剛度的硼合金材料，與傳統(tǒng)的相變誘導(dǎo)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(qiáng)度就很高，一般采用的是冷沖壓生產(chǎn)技術(shù)得到，鋼材在形成零件前后其微觀組織沒(méi)有發(fā)生改變，強(qiáng)度指標(biāo)等基本不會(huì)發(fā)生變化。而在熱沖壓成形技術(shù)過(guò)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(gè)鋼材的淬火性能。該材料在鋼材成形后會(huì)發(fā)生大的相變，同時(shí)鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)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(gè)鋼材的整體屈服性能以及其他力學(xué)性能。典型的熱沖壓成形鋼板在常溫下其強(qiáng)度不高，但是通過(guò)熱成形技術(shù)加熱成形以后，該材料的微觀組織產(chǎn)生了馬氏體，材料的強(qiáng)度以及剛度得到了大大的提升，其屈服強(qiáng)度可以提升到100MPa以上，但是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是該成形零件的塑性明顯降低，比如在進(jìn)行熱沖壓之前該合金材料的伸長(zhǎng)率可以達(dá)到24%左右，但是在進(jìn)行熱沖壓成形之后其伸長(zhǎng)率就只有8%左右。3.2

工藝參數(shù)熱沖壓成形技術(shù)的工藝流程與傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)流程完全不同。在熱沖壓成形過(guò)程中其工藝參數(shù)很多，工藝復(fù)雜，在生產(chǎn)工藝過(guò)程中主要包含了加熱、成形以及冷卻的加工過(guò)程，為了使鋼材向馬氏體轉(zhuǎn)變，確保加工的零件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，需要對(duì)不同的加工工藝流程參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。加熱階段主要是對(duì)鋼材加熱溫度以及加熱時(shí)間進(jìn)行把控，對(duì)鋼材進(jìn)行加溫時(shí)需要確保其加熱的溫度控制帶在再結(jié)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(shè)置太高，否則會(huì)造成板料的燒毀和晶粒變大，這樣影響整個(gè)板料奧體化的均勻性，同時(shí)影響材料成形后的零件質(zhì)量以及性能，在對(duì)板料加熱到一定溫度以后需要對(duì)板料進(jìn)行保溫，在對(duì)材料進(jìn)行奧體化的保溫進(jìn)程中其保溫時(shí)間不宜太長(zhǎng)，不然會(huì)造成晶粒變大，會(huì)增加整個(gè)零件的生產(chǎn)周期以及降低零件的生產(chǎn)效率。在成形階段需要對(duì)零件模具的表面冷卻淬火，產(chǎn)生相變，在這個(gè)過(guò)程中需要使奧氏體變成馬氏體，實(shí)現(xiàn)鋼材強(qiáng)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，否則在形成過(guò)程中會(huì)形成其他的一些組織，影響整個(gè)成形零件的強(qiáng)度。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一般在熱沖壓工程中將奧氏體轉(zhuǎn)換成馬氏體的最佳溫度是28℃/s，因此在鋼材的成形過(guò)程中需要使模具成形的溫度大于這個(gè)值，以此提高整個(gè)冷卻介質(zhì)的循環(huán)壓力，使冷卻零件的各個(gè)部位受力均勻，同時(shí)注意冷卻的速度，并不是冷卻速度越快越好，因?yàn)楫?dāng)冷卻速度增加以后，零件將會(huì)開(kāi)裂。3.3

熱沖壓模具冷沖壓模具只能應(yīng)用于實(shí)際零件的形成，而熱沖壓模具不但可以將材料應(yīng)用于模具的成形，還能將零件進(jìn)行冷卻淬火，因此在模具的選擇上更加復(fù)雜，同時(shí)也需要注意模具材料的選擇以及模具設(shè)計(jì)等方面的要求。在進(jìn)行模具材料方面的選擇上，對(duì)熱沖壓模具需要確定好傳熱系數(shù)，在生產(chǎn)工藝過(guò)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(qiáng)度以及高耐磨性能，以保證在零件的成形過(guò)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(shí)其表面需要具有足夠的強(qiáng)度，這樣可以確保在劇烈的冷熱交換過(guò)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(nèi)部管道不被冷卻介質(zhì)銹蝕而發(fā)生堵塞現(xiàn)象。4

熱成形試驗(yàn)仿真與結(jié)果以某車(chē)型的防撞梁為研究對(duì)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(duì)其模型進(jìn)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(duì)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(duì)構(gòu)件的金相組織和硬度影響不大；但是對(duì)構(gòu)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(shí)，厚度達(dá)最大，最佳成形溫度在800℃。因此，將該溫度作為實(shí)驗(yàn)的初始成形溫度。4.2

不同沖壓速度對(duì)防撞梁性能的影響在成形溫度為800℃的情況下，研究不同沖壓速度對(duì)構(gòu)件金相組織、硬度和厚度的影響可知，沖壓速度對(duì)金相組織的影響較小。當(dāng)沖壓速度小于50mm/s時(shí)，構(gòu)件硬度大幅降低，厚度快速增大。但是當(dāng)沖壓速度大于50mm/s時(shí)，厚度有所減小，硬度基本不變。為了獲得較厚的構(gòu)件，在本文中選擇最佳的沖壓速度為100mm/s。4.3

防撞梁試驗(yàn)由上述可知，最佳的初始成形溫度和沖壓速度分別是800℃和100mm/s。利用上述結(jié)果對(duì)其進(jìn)行沖壓試驗(yàn)，將試驗(yàn)件進(jìn)行力學(xué)性能和金相組織鑒定測(cè)試。由力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)得該構(gòu)件抗拉強(qiáng)度為1500MPa，硬度為HV501，金相組織為馬氏體，構(gòu)件的組織和性能滿(mǎn)足使用要求。5

結(jié)語(yǔ)高強(qiáng)度的鋼板加熱沖壓成形技