韋旺華

【摘 要】A柱加強(qiáng)板作為汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，熱成形鋼應(yīng)用較為廣泛。熱成形應(yīng)用于汽車工業(yè)能夠較好地解決超高強(qiáng)鋼的破裂、起皺、回彈等問題，但是具體零件在實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)較難確定，所以對零件工藝方法的制定和工藝參數(shù)的設(shè)置顯得極其重要。文章選取某一車型的A柱內(nèi)加強(qiáng)板，以最大減薄率和最大回彈量作為研究目標(biāo)，通過改變板料初始溫度、模具溫度和沖壓速度3個(gè)關(guān)鍵變量，確定最佳的成形工藝參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)：在800～1 000 ℃范圍內(nèi)，隨著板料初始溫度的升高，零件最大減薄率先減小后增大，零件的回彈呈現(xiàn)較為直接的下降趨勢；模具溫度在室溫～100 ℃范圍內(nèi)，板料的最大減薄率和回彈的變化量較小；隨著沖壓速度的增加，最大減薄率先急劇增大后趨于平緩，回彈變化相似，最終確定最佳的工藝參數(shù)，為實(shí)際工裝開發(fā)和工藝參數(shù)設(shè)定提供指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】熱成形；A柱內(nèi)加強(qiáng)板；減薄率；回彈

【中圖分類號】U466 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0058-05

0 前言

面對汽車輕量化和被動(dòng)安全的需求，超高強(qiáng)鋼在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日趨廣泛[1]，特別針對于A柱、B柱、C柱、門檻梁、中通道加強(qiáng)板等有著廣泛的應(yīng)用。超高強(qiáng)鋼在熱成形之后抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 500 MPa，在不增加重量的前提下能夠充分滿足安全性問題，或在保證強(qiáng)度不變的情況下實(shí)現(xiàn)零件減薄、車身減重的目的。

但是超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用仍然存在較多問題。由于常溫下較高的硬化指數(shù)和較低的厚向異性指數(shù)，采用傳統(tǒng)方法加工時(shí)，極其容易出現(xiàn)破裂、起皺和回彈，同時(shí)需要較大的成形力[2]。

針對這種情況，熱成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。熱成形技術(shù)是指將板料加熱至奧氏體溫度以上進(jìn)行加工成形，高溫下的超高強(qiáng)鋼塑形增強(qiáng)，成形充分。成形之后的鋼板零件成形精度高，質(zhì)量好，基本沒有回彈[3]。

熱成形過程是一個(gè)涉及金相學(xué)、物理學(xué)和傳熱學(xué)的多學(xué)科熱力耦合過程，內(nèi)部機(jī)理較復(fù)雜，目前有大量的學(xué)者從理論和工藝的角度分別進(jìn)行研究。例如：M. Naderi等 [1]基于真應(yīng)力-應(yīng)變曲線修正了超高強(qiáng)鋼M-R本構(gòu)模型和V-K模型，并研究了模型的準(zhǔn)確性；Karbasian H等[3]總結(jié)了熱成形的溫變塑形本構(gòu)模型，包括現(xiàn)象學(xué)模型、物理學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ANN）等；胡平[4]通過有限元方法研究了界面換熱系數(shù)的反算方法，為熱成形工藝參數(shù)提供依據(jù)；劉丹[5]研究高強(qiáng)鋼熱沖壓的回彈機(jī)理，從應(yīng)力場、溫度場的影響總結(jié)出回彈的規(guī)律，具有指導(dǎo)意義。

工藝參數(shù)對熱成形結(jié)果的影響較為明顯。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過有限元分析計(jì)算出成形結(jié)果，并加以參數(shù)優(yōu)化，能夠極大地縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本。本文通過Autoform R7建立了某一車型的A柱加強(qiáng)板有限元模型，改變不同的工藝參數(shù)，研究不同條件下的工藝結(jié)果，為生實(shí)際生產(chǎn)提供充分的指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 傳熱學(xué)

熱塑性成形過程中，板料的熱量交換方式包括模具與板料接觸通過熱傳導(dǎo)熱量交換，以及板料自由表面通過熱對流和熱輻射方式向周圍環(huán)境散熱[6]。由能量守恒定律和傅里葉定律，熱成形過程的溫度變化瞬態(tài)方程表達(dá)式如下：

ρc■=k■+■+■+■（1）

公式（1）中：k是材料的熱交換系數(shù)，左邊相為內(nèi)能率，c，ρ為材料的比熱容和密度，■為單位體積變形能產(chǎn)生的內(nèi)熱源率，計(jì)算公式如下：

■=ησ ■（2）

其中：σ為等效應(yīng)力；■為等效應(yīng)變速率；η為應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為熱能的系數(shù)，通常取0.9～0.95。

1.2 流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線

流變應(yīng)力不僅取決于合金成分和金相組織，而且取決于發(fā)生的應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度[7]。另外，相同型號的材料的組織狀態(tài)、均勻性和各向異性也會有差別。

根據(jù)觀察的在通常熱塑性成形溫度范圍內(nèi)溫度對流變應(yīng)力的影響，加上變形量和變形速率的影響，可將流變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表示為指數(shù)函數(shù)。

σ=KAεεnexp（-mεε）■■■ATexp（-mTT）（3）

可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，能夠確定公式（3）中各個(gè)待定系數(shù)（K、Aε、n、mε、■、■、AT、mT）。這樣做能夠得到可靠結(jié)果的前提是需要大量的實(shí)驗(yàn)和采集足夠多的數(shù)據(jù)。

1.3 塑形屈服準(zhǔn)則

屈服準(zhǔn)則是用來描述塑形屈服發(fā)生時(shí)應(yīng)力分離分量之間的關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，將發(fā)生從彈性到塑形的轉(zhuǎn)變。對于多軸應(yīng)力狀態(tài)，很難定義一個(gè)描述從彈性狀態(tài)向塑形狀態(tài)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)則，為此常用一個(gè)隱函數(shù)的方式來定義該準(zhǔn)則：

F（σ1，σ2，σ3，Y）=0（4）

公式（4）中：σ1，σ2，σ3表示3個(gè)主應(yīng)力，Y表示屈服應(yīng)力。

對于各項(xiàng)異性板材，通常Autoform中采用Hill屈服準(zhǔn)則進(jìn)行定義屈服面，當(dāng)σ3=0時(shí)，屈服函數(shù)如下[7]：

■-■σ1σ2+■=■（5）

2 數(shù)值模擬計(jì)算

A柱區(qū)域結(jié)構(gòu)在汽車安全中具有重要意義，在汽車正碰過程中，A柱區(qū)域結(jié)構(gòu)需要足夠的剛度、強(qiáng)度，以保證乘坐人的安全，因此超高強(qiáng)鋼應(yīng)用廣泛。

2.1 模型建立

選取的零件模型如圖1所示，該A柱加強(qiáng)板較長，左端較寬，中部和右端為“U”形梁結(jié)構(gòu)。將零件導(dǎo)入Autoform R7中，選取下表面作為基準(zhǔn)面進(jìn)行面的抽取，以中部上平面為水平作為主要標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置沖壓方向如圖2所示。

2.2 材料設(shè)置

2.2.1 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

利用Autoform R7定義的材料庫中的22MnB5高錳鋼作為零件材料，材料成分見表1。軟件中定義材料的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與傳統(tǒng)定義方法不同，該軟件首先定義不同溫度下鐵素體、珠光體和奧氏體的溫變應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算過程中，模擬計(jì)算金相組織的變化，利用不同溫度下的金相變化綜合計(jì)算出某一點(diǎn)的動(dòng)態(tài)熱屬性，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖3和圖4分別為奧氏體和鐵素體的溫變應(yīng)力-應(yīng)變曲線，另外還有貝氏體和馬氏體兩種金相組織的溫變應(yīng)力-應(yīng)變曲線及速度相關(guān)系數(shù)，這里不再列出。

2.2.2 材料屈服面

根據(jù)已定義的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以據(jù)此定義22MnB5超高強(qiáng)鋼的屈服準(zhǔn)則。按照Hill屈服準(zhǔn)則進(jìn)行定義：

r0=0.7 r45=0.9 r90=0.8

Hill屈服面定義如圖5所示。

2.2.3 材料成形極限圖

從理論上來說，材料成形極限圖隨著溫度的變化而變化，但本文按照回彈量和最大減薄率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，所以成形極限圖對結(jié)果并沒有影響，采用默認(rèn)成形極限圖作為參考（如圖6所示）。

2.3 工具設(shè)置

將零件模型導(dǎo)入Autoform R7后進(jìn)行壓料面設(shè)置和工藝補(bǔ)充，得到A柱加強(qiáng)板熱成形過程的模具型面圖（如圖7所示）。

2.4 初步模擬計(jì)算結(jié)果

設(shè)置工藝參數(shù)：模具初始溫度為25 ℃，板料初始加熱溫度為950 ℃，沖壓速度變化區(qū)間為250～1 000 mm/s。

零件成形過程中，最關(guān)鍵的兩個(gè)衡量成形性的標(biāo)準(zhǔn)是零件減薄率和回彈。零件的減薄率過大，板料發(fā)生破裂，導(dǎo)致零件報(bào)廢；零件的回彈量過大，精度過低，裝配困難，且容易導(dǎo)致整車性能出現(xiàn)問題。

2.4.1 最大減薄率分布

A柱加強(qiáng)板熱成形之后零件減薄率如圖8所示。圖中負(fù)值表示減薄，正值表示增厚，課件在左端下方的尖端圓角處的減薄率最大，值為0.298。另外，左端側(cè)壁處的減薄率較大，最大可達(dá)0.257，存在破裂風(fēng)險(xiǎn)，其余位置為“U”形梁結(jié)構(gòu)，減薄率可接受，適度的變形有利于增加板材的剛度和強(qiáng)度。

2.4.2 回彈量分布

零件的法向回彈量分布如圖9所示。由圖9中可以看出，最大回彈量分布于最左端上表面處（應(yīng)按照絕對值大小衡量），最大值為2.666 mm，對應(yīng)附近區(qū)域的回彈較大，左端頭右側(cè)的回彈量在1～2 mm之間，右端“U”形梁結(jié)構(gòu)最右側(cè)回彈量較大。最大達(dá)到1.958 mm，其余位置回彈量在0.2～ 1.1 mm之間。

3 工藝參數(shù)對成形性能的影響

熱成形過程的最關(guān)鍵的變量是板料初始加熱溫度，這也是熱成形區(qū)別于傳統(tǒng)冷加工的關(guān)鍵，此外模具初始溫度、沖壓速度等因素也會對成形結(jié)果造成影響。以下分別選取不同的變量進(jìn)行定量分析，以最大減薄率和回彈量作為研究目標(biāo)，研究成形結(jié)果隨工藝參數(shù)變化的趨勢。

3.1 板料初始溫度

圖10和圖11分別為零件最大減薄率和最大回彈量隨板料初始溫度的變化趨勢。隨著板料初始溫度的升高，零件最大減薄率先急劇減小，之后減小趨勢變緩，最終出現(xiàn)上升趨勢。這是由于在800～850 ℃范圍內(nèi)，隨著板料初始溫度的增大，板料金相組織逐漸完全轉(zhuǎn)化為奧氏體，塑形極大地增強(qiáng)，有利于加工成形，零件局部的尖角區(qū)域所受周圍的板料的撕扯力相對變小，零件的最大減薄率減?。辉?50～920 ℃范圍內(nèi)，板料已經(jīng)充分奧氏體化，溫度的增加造成的影響變低；920 ℃以后，由于塑性過大，較小的壓型力就會導(dǎo)致尖角位置的板料發(fā)生變形，最終導(dǎo)致減薄率過大，造成局部破裂。

零件的最大回彈變化量較小。在800～950 ℃范圍內(nèi)，最大回彈量逐漸減小。在950～1 000 ℃范圍內(nèi)，最大回彈量有輕微的增大趨勢。在800～1 000 ℃范圍內(nèi)，零件的最大回彈量變化很小，但相對于傳統(tǒng)冷加工，回彈量減小量非常明顯。

3.2 模具初始溫度

圖12和圖13分別為零件最大減薄率和最大回彈量隨模具溫度的變化趨勢。隨著模具溫度的升高，最大減薄率呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于模具溫度升高，減小板料與模具的傳熱，保證了板料的溫度和塑形，但變化量極小，在25～100 ℃范圍內(nèi)，最大減薄率變化值為0.021，幾乎可以忽略不計(jì)；最大回彈量隨著模具溫度的升高，先增大后減小，可見調(diào)整模具溫度至更高的溫度才能對最大減薄率和回彈量造成較大的影響，實(shí)際生產(chǎn)中，加熱模具較難實(shí)現(xiàn)，所以不建議通過加熱模具改善成形性能。

3.3 沖壓速度

圖14和圖15分別為零件最大減薄率和最大回彈量隨沖壓速度的變化趨勢。隨著沖壓速度的升高，零件的最大減薄率先急劇增大，到500 mm/s時(shí)，最大減薄率變化趨于平緩。這是由于板料初始溫度在920 ℃左右時(shí)，本身塑形較好，隨著沖壓速度的增大，模具的成形力也隨之增大，對板材造成較大的沖擊，導(dǎo)致減薄率增大直至破裂。隨著沖壓速度增大到750 mm/s，由于沖壓速度的增加，板料與工具的接觸時(shí)間變短，熱量散失少，塑形降低速度慢，所以減薄率有少量的降低，但隨著速度繼續(xù)增大，最大減薄率由于較大的成型力繼續(xù)增大。

另外，隨著沖壓速度的增加，最大回彈量先增大后減小，這和最大減薄率的變化相似，500 mm/s時(shí)板料的成型力較大，板料成形沖擊力較大，導(dǎo)致回彈量變大，隨著沖壓速度繼續(xù)增加，板料的能耗散失少，塑形好，回彈量降低。

4 結(jié)語

（1）該A柱加強(qiáng)板的最大減薄率分布在左端頭尖角處，對應(yīng)側(cè)壁處的減薄率也較大，最大回彈量主要分布于左端端頭或者右端端頭，設(shè)計(jì)制造工藝流程時(shí)應(yīng)著重考慮這兩處。

（2）隨著板料初始溫度的增大，零件的減薄率先減小后增大，最大回彈量則一直有減小的趨勢最終趨于平緩，減小量較小。

（3）模具溫度的增大對最大減薄率和回彈量造成的影響較小，且在實(shí)際生產(chǎn)中較難實(shí)現(xiàn)，故不建議改變模具溫度以改善成形結(jié)果。

（4）沖壓速度的增大，最大減薄率先增大后趨于平緩，最大回彈量先增大后減小，設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置沖壓速度在250 mm/s左右為宜。

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]