超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形CAE技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（上）

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著人們環(huán)保意識的逐漸加強(qiáng)和對汽車安全性能要求的日益提高,世界各國對汽車安全和環(huán)保法規(guī)的控制越來越嚴(yán)格。各大汽車公司紛紛通過汽車輕量化來減少燃油消耗、降低發(fā)動機(jī)的廢氣排放(在降低油耗、減少排放的諸多措施中,減輕車重的效果最為明顯,車重減輕10%,可節(jié)省燃油3%~8%)。為保證輕量化后仍能滿足碰撞安全要求,各大汽車公司在優(yōu)化汽車框架和結(jié)構(gòu)的同時,把工作重點轉(zhuǎn)向了新材料、新工藝的應(yīng)用。在這種背景下,超高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)應(yīng)運而生。超強(qiáng)度鋼板熱沖壓是一種將先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫度后快速沖壓成形,在保壓階段通過模具實現(xiàn)淬火并達(dá)到所需的冷卻速度,從而得到組織為均勻馬氏體,強(qiáng)度在1500MPa左右的超高強(qiáng)度零件的新型成形技術(shù)。通過對先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用,提高了汽車的碰撞性能,實現(xiàn)了汽車輕量化。

超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓作為一種新興的技術(shù),該領(lǐng)域公開發(fā)表的成果較少,存在技術(shù)封鎖和壟斷。國內(nèi)外對超高強(qiáng)度板料熱沖壓核心技術(shù)的研究大都還處在探索與嘗試階段,尤其是CAE分析部分。本文綜述了超高強(qiáng)度鋼板料熱沖壓CAE分析技術(shù)的研究現(xiàn)狀,指出了存在的問題和發(fā)展方向。

1 熱沖壓成形CAE分析的研究現(xiàn)狀

CAE分析作為超高強(qiáng)鋼板熱沖壓領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),可以分為成形過程分析(預(yù)測零件的熱沖壓可制造性)、保壓淬火過程分析(預(yù)測零件的組織和力學(xué)性能)和回彈分析(預(yù)測零件的成形精度)3個方面,下面分別加以論述。

1.1 成形過程的CAE分析

熱沖壓成形過程是指高溫奧氏體狀態(tài)下的板料在熱沖壓模具內(nèi)所進(jìn)行的短時間內(nèi)快速成形的過程。由于板料在高溫奧氏體狀態(tài)下,因此,進(jìn)行高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程的CAE分析,首先要獲得高強(qiáng)鋼板在高溫下的力學(xué)性能。

在國外,意大利Padova大學(xué)以Nakazima試驗為基礎(chǔ)進(jìn)行了相位轉(zhuǎn)變試驗與高溫成形試驗,獲得了高強(qiáng)鋼板的熱成形下的成形極限圖(Forming Limit Diagram,FLD),為熱沖壓的有限元仿真提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

在國內(nèi),哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)科將坯料加熱到950℃左右使其奧氏體化,并保溫一段時間使奧氏體均勻化,從加熱爐中取出坯料,在等溫和非等溫成形條件下進(jìn)行V形彎曲和槽形件成形試驗,從而獲得22MnB5的高溫力學(xué)性能。同濟(jì)大學(xué)選用安賽樂生產(chǎn)的USIBOR1500高強(qiáng)度鋼板,對其進(jìn)行了高溫力學(xué)性能試驗的相關(guān)研究。

其次,熱沖壓成形階段CAE分析還需要根據(jù)材料的彈性模量、泊松比、高溫狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼板摩擦特性等來分析預(yù)測熱沖壓的可制造性。

在國外,瑞典律勒歐理工大學(xué)在2002年就用Gleeble 1500熱模擬試驗機(jī)進(jìn)行了對熱沖壓鋼板22MnB5的高溫壓縮試驗和熱膨脹的測量,獲得了材料的力學(xué)性能和熱性能數(shù)據(jù),建立材料模型模擬分析了熱沖壓過程中的成形力、板料厚度分布和硬度分布等。結(jié)果表明:在成形淬火過程中,板料因其內(nèi)部組織的不同,力學(xué)性能變化很大;應(yīng)變速率對不同溫度下的流動應(yīng)力影響不同。德國亞琛工業(yè)大學(xué)通過有限元模擬并試驗驗證了22MnB5鋼熱沖壓成形過程的參數(shù)變化。紐倫堡大學(xué)在德國研究基金(DFG)項目的支持下對淬火鋼板的熱沖壓成形過程進(jìn)行了相關(guān)研究,并在2005年進(jìn)行了熱沖壓成形的基礎(chǔ)研究。

在國內(nèi),近些年來上海寶鋼集團(tuán)通過大量試驗,在鋼板熱沖壓零件可制造性方面取得了一系列的突破,并能滿足部分工業(yè)要求。比如國內(nèi)某些車型的B柱加強(qiáng)板的熱沖壓可制造性分析(圖1),并做了零件試沖和結(jié)果對比。可以說寶鋼的熱沖壓可制造性分析能較準(zhǔn)確的預(yù)測零件的熱沖壓成形缺陷,這對優(yōu)化、改進(jìn)零件性質(zhì)及熱沖壓模具都有重要作用。中國工程物理研究院計算機(jī)應(yīng)用研究所與重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院利用SuperForm軟件,對帶直邊大型厚壁半球形封頭的熱沖壓成形過程進(jìn)行了有限元模擬,得到了部分熱沖壓變形中坯料與模具摩擦等因素對成形影響的資料數(shù)據(jù),給板料熱沖壓技術(shù)的發(fā)展提供了參考數(shù)據(jù)。吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用三維彈塑性有限元模型和MSC.Marc軟件對橋殼的熱沖壓成形過程進(jìn)行了模擬分析,通過在不同的溫度、沖壓速度、摩擦條件下的成形過程分析,發(fā)現(xiàn)在橋殼熱沖壓成形過程中,應(yīng)力和溫度值雖然會隨沖壓溫度等工藝參數(shù)的變化而變化,但它們的分布規(guī)律不變。在此基礎(chǔ)上確定了最佳的熱沖壓工藝參數(shù),其中沖壓成形溫度應(yīng)高于700℃,沖壓速度應(yīng)小于20mm/s。同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院以安賽樂生產(chǎn)的USIBOR1500高強(qiáng)度鋼板為材料,采用熱模擬機(jī)和專門模具,主要研究了熱沖壓成形過程中板料加熱溫度、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)模式和沖壓速度等對沖壓成形的影響。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院以會議Numisheet 2008提供的B柱熱沖壓考題為基礎(chǔ),建立了B柱熱沖壓模型,耦合數(shù)值分析得到了成形過程中的厚度分布。結(jié)果表明;截面厚度分布基本在試驗結(jié)果的±5%范圍內(nèi),在尾部圓角處厚度減薄量較大;熱沖壓的力能參數(shù)約為冷沖壓的十分之一左右。

圖1 B柱高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形的仿真分析

1.2 淬火過程的CAE分析

超高強(qiáng)鋼板熱沖壓保壓淬火過程是指板料在快速成形后,在模具內(nèi)保持壓力的狀態(tài)下從奧氏體狀態(tài)以一定的冷卻速度進(jìn)行淬火并得到均勻馬氏體組織零件的過程。該過程CAE分析主要是根據(jù)模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的熱力耦合分析來進(jìn)行預(yù)測成形零件的組織和力學(xué)性能,圖2為模擬得到的成形表面的硬度分布。該技術(shù)是目前全球范圍內(nèi)亟待攻克的技術(shù)難題,至今沒有很好的解決方案。保壓淬火涉及零件內(nèi)部組織從奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,以及由此帶來的零件力學(xué)性能變化。要提高保壓淬火的CAE分析精度,首先要準(zhǔn)確預(yù)測在設(shè)定的生產(chǎn)節(jié)拍下,冷卻水以設(shè)定溫度、壓強(qiáng)和流量流入模具冷卻回路時對高溫鋼板能夠產(chǎn)生的冷卻速度,并考慮模具冷卻系統(tǒng)分布方式和尺寸等對整個零件淬火過程的影響,然后才是復(fù)雜的熱力耦合分析,進(jìn)而預(yù)測零件的組織和力學(xué)性能。

德國亞琛工業(yè)大學(xué)通過有限元模擬并試驗驗證了22MnB5鋼熱沖壓保壓淬火過程的溫度與沖壓力變化。德國戴姆勒-克萊斯勒公司對熱沖壓淬火過程模擬中可能出現(xiàn)的難點進(jìn)行了分析,特別闡述了熱沖壓模擬中的接觸傳熱和板料溫度分布的不均勻性。意大利帕多瓦大學(xué)在2006年用熱膨脹計獲得了22MnB5的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變特征參數(shù),得到馬氏體相變的初始溫度為382℃,并采用Gleeble 3800熱模擬試驗機(jī)對22MnB5材料進(jìn)行了連續(xù)冷卻單向拉伸試驗,分析了不同初始溫度和不同應(yīng)變速率條件下的流動應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)溫度是影響流動應(yīng)力的主要因素,應(yīng)變速率的影響較小。并且參照Nakazima試驗裝置開發(fā)了一種新型的高溫成形性能試驗裝置。伊朗Arak大學(xué)研究了熱變形條件對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響。通過熱膨脹試驗和熱單向壓縮試驗,分析了變形初溫、應(yīng)變量和應(yīng)變速率對馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度及馬氏體含量的影響。

圖2 模擬得到的成形后零件表面的硬度分布

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院與上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,運用傳熱學(xué)基本理論對熱沖壓淬火過程中傳熱進(jìn)行分析,根據(jù)其傳熱特點建立解析模型并通過試驗驗證得出結(jié)論,熱沖壓過程中鋼板溫度呈指數(shù)變化。同濟(jì)大學(xué)機(jī)械材料學(xué)院以安賽樂生產(chǎn)的USIBOR1500高強(qiáng)度鋼板為材料,采用熱模擬機(jī)和專門模具,研究了保壓淬火過程中板料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化、保壓時間、冷卻臨界速度(淬火速度)、沖壓模具溫度變化等對淬火效果的影響。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院以Numisheet 2008提供的B柱熱沖壓考題為基礎(chǔ),建立B柱熱沖壓模型,通過熱力耦合數(shù)值模擬分析了保壓淬火過程,得到了熱沖壓過程中板料的溫度及厚度分布規(guī)律。結(jié)果表明:板料壓邊區(qū)域溫度下降較快,但直到成形結(jié)束其溫度高于600℃,不會導(dǎo)致該處材料成形困難;零件尾部圓角處溫度過高,局部溫度過高會使板料產(chǎn)生局部流動,導(dǎo)致減薄過大;成形結(jié)束后,板料壓邊區(qū)域溫度較低,而尾部圓角及梁表面溫度較高,板料整體溫差在400℃左右。因此,使板料在保壓淬火過程中溫度的均勻變化是模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

1.3 回彈過程的CAE分析

板料熱沖壓回彈發(fā)生在保壓淬火完成并撤去壓力之后,彈性變形回復(fù)從而導(dǎo)致零件的形狀和尺寸發(fā)生變化而與模具不一致,這種現(xiàn)象叫做回彈。由于是在高溫淬火條件下成形,所以與冷沖壓回彈相比要小得多。此過程CAE分析的目的是利用計算機(jī)仿真技術(shù)來預(yù)測零件的成形精度。但到目前為止,回彈分析還是整個沖壓界都沒有妥善解決的世界性難題。每屆的國際NUMISHEET會議(板料沖壓仿真會議),都有關(guān)于回彈的標(biāo)準(zhǔn)考題和回彈CAE分析的階段性、局部性研究成果發(fā)布。由于之前的熱沖壓成形過程分析和保壓淬火過程分析的復(fù)雜性,導(dǎo)致最后階段精確的回彈分析變得非常困難。目前,業(yè)內(nèi)基本上是通過制作樣模進(jìn)行試沖,來檢驗零件的力學(xué)性能和尺寸精度,但延長了模具設(shè)計周期,增加了鋼板熱沖壓零件的制造成本。

國外在高強(qiáng)鋼板熱沖壓回彈方面研究較多的是日本東京大學(xué)的學(xué)者們,他們對高強(qiáng)鋼板的熱沖壓回彈和成形溫度進(jìn)行了理論研究,并通過試驗對比驗證了在塑形變形區(qū)或彎曲變形區(qū)溫度高于750K時,成形零件的回彈有明顯的減少。意大利那不勒斯東方大學(xué)采用AutoForm軟件對DP600和TRIP800兩種材料的沖壓回彈進(jìn)行了模擬。

國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院與材料科學(xué)與工程學(xué)院采用ABAQUS軟件對高溫下22MnB5高強(qiáng)鋼板溝槽形件沖壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。建立了基于熱力耦合彈塑性有限元模型和熱成形下的材料模型,通過對溝槽形件熱成形的數(shù)值模擬,考察了壓邊力、模具間隙和凹模圓角半徑等工藝參數(shù)對熱成形時溫度分布和回彈的影響,分析熱成形中回彈的產(chǎn)生機(jī)理,確定了合適的工藝參數(shù),通過熱成形試驗驗證了數(shù)值結(jié)果的可靠性,圖3為模擬得到的壓邊力對回彈的影響。并研究了影響22MnB5超高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形中回彈的因素。通過等溫度和非等溫試驗考察了變形溫度、熱成形終了溫度和壓邊力對熱成形后回彈的影響。得出結(jié)論:熱效應(yīng)是引起回彈的主要因素,蠕變應(yīng)變減少了熱成形后的回彈量,蠕變應(yīng)變和熱效應(yīng)是影響熱成形中回彈的主要因素。另外,華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室以回彈角作為回彈值,基于ISO2CD24213/2006方法,運用Dynaform對高強(qiáng)鋼板的沖壓成形及回彈進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了板料厚度、板料寬度、壓邊力、拉延筋及材料性能等因素對回彈值的影響。研究發(fā)現(xiàn):在一定范圍內(nèi)隨著壓邊力的增大回彈值呈減小趨勢。此研究為超高強(qiáng)度板料熱沖壓回彈的研究提供了參考。

End

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