岑升波

摘要：采用ABAQUS軟件對汽車前防撞梁的熱沖壓成形工藝進(jìn)行了熱力耦合數(shù)值模擬分析，建立了22MnB5高強鋼的熱彈塑性有限元模型，計算了不同模具溫度下防撞梁的溫度場。結(jié)果表明，防撞梁在淬火過程中，其溫度呈快速降低趨勢，淬火結(jié)束時防撞梁的溫度為42.6℃～243℃，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉(zhuǎn)變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體。模具的溫度對防撞梁熱成形后的溫度場分布有較大的影響，模具溫度為25℃～60℃時可滿足企業(yè)高效率生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：ABAQUS;前防撞梁;熱沖壓成形;溫度場

0? 引言

汽車防撞梁是車輛受到碰撞時吸收碰撞能量的一種裝置，能夠減少駕乘人員受到的沖擊，是構(gòu)成汽車安全可靠性的重要部件。在實際生產(chǎn)中為了實現(xiàn)車輛的輕量化且安全性能不降低，防撞梁一般都使用高強鋼22MnB5，但是高強鋼在常溫下塑性變形能力較差，沖壓成形時容易回彈開裂，而熱沖壓成形工藝可以有效的解決這些問題[1][2]。在對熱成形工藝的研究中，采用數(shù)值模擬的方法可以快速確定成形工藝參數(shù)，預(yù)測形時可能出現(xiàn)的缺陷，還可以有效的預(yù)測和分析熱沖壓成形過程中工件的溫度場和應(yīng)力場分布，優(yōu)化熱成形工藝參數(shù)以及生產(chǎn)節(jié)拍，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量[3-5]。

本文采用ABAQUS軟件建立了熱彈塑性有限元模型，對雙U型汽車前防撞梁熱沖壓成形的過程進(jìn)行了熱力耦合數(shù)值模擬，計算并分析了防撞梁熱成形過程和淬火過程中溫度場的變化規(guī)律，討論了模具溫度對防撞梁溫度場的影響。

1? 汽車前防撞梁有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

某車型的前防撞梁如圖1所示，防撞梁結(jié)構(gòu)呈雙U型，長度方向的尺寸為1068.5mm，寬度方向的尺寸為135mm，弧度為22°，板厚為1mm，材料為高強鋼22MnB5。

1.2 材料屬性的定義

22MnB5鋼的密度為7850kgm-3，線膨脹系數(shù)為1.3×10-5。由于防撞梁的熱沖壓過程是熱力耦合分析，溫度對材料的流動應(yīng)力及其變形抗力影響很大，根據(jù)查詢文獻(xiàn)資料[6]，22MnB5鋼在不同溫度下的真實塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

熱沖壓過程中，材料的溫度從常溫加熱到奧氏體化溫度，材料組織隨著溫度的變化而變化，將會造成材料的彈性模量和泊松比發(fā)生變化。同時，板料溫度場變化時，材料的熱學(xué)性能也會隨著發(fā)生改變，進(jìn)而影響著成形過程的組織轉(zhuǎn)變、變形程度以及機械性能等。根據(jù)文獻(xiàn)資料[7-8]，22MnB5鋼的楊氏模量、泊松比以及熱傳導(dǎo)率、熱熔隨溫度的變化曲線如圖4所示。

1.3 參數(shù)設(shè)置

在模擬中，防撞梁在熱沖壓時的壓邊力為15kN，時間步長0.5s，沖壓速度為40mm/s，時間步長1.75s，在淬火階段，保壓、冷卻時間為10s。毛坯的預(yù)熱溫度為850℃，模具的初始溫度為25℃，板料與模具之間的摩擦系數(shù)為0.1。毛坯與空氣之間的自然對流系數(shù)為29W/m2/K，毛坯和模具之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為750W/m2/K，模具與冷卻水的換熱系數(shù)為1200W/m2/K?？紤]到模具溫度對防撞梁淬火后溫度場分布的影響，計算了在淬火過程中模具的初始溫度為25℃、40℃、60℃、80℃、100℃時防撞梁的溫度場變化。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的單元類型為溫度位移耦合，毛坯的網(wǎng)格的種子尺寸為2.5，網(wǎng)格數(shù)量為59631。模具的種子尺寸統(tǒng)一為5，凸模的網(wǎng)格數(shù)量為23296，凹模的網(wǎng)格數(shù)量為30015，壓邊圈的網(wǎng)格數(shù)量為9072。防撞梁熱沖壓模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2? 結(jié)果分析

2.1 防撞梁熱沖壓成形的溫度場分布規(guī)律

防撞梁在不同時刻下的溫度場分布如圖5所示。在熱沖壓過程中，可以分為兩個階段，第一個階段時間為2.25s，為沖壓成形階段;第二個階段時間為10s，為防撞梁淬火階段。圖5（a）為壓邊圈壓住毛坯時的溫度場，從圖中可以看出工件上溫度較低的區(qū)域出現(xiàn)在防撞梁的法蘭上且法蘭兩端溫度最低，這是因為凹模呈兩頭高中間凹的形狀，高溫的毛坯放在凹模上時，毛坯的兩端首先接觸凹模，巨大的溫差使得毛坯與凹模之間發(fā)生強烈的熱傳遞作用，這時毛坯其他地方發(fā)生的是散熱較慢的自然對流。隨著壓邊圈的作用，毛坯發(fā)生形變與凹模貼合，由于防撞梁為雙U型，毛坯有三塊區(qū)域處在壓邊圈和凹模中間發(fā)生雙面熱傳遞，而此時凹槽區(qū)域的毛坯仍然是自然對流散熱，熱量散失得比較少，所以凹槽處的溫度是最高的。圖5（b）為沖壓結(jié)束時刻的溫度場，防撞梁上凹槽處中心處溫度最高為729.8℃，而法蘭兩端邊緣處的溫度最低為621.3℃。圖5（c）為淬火結(jié)束時刻的溫度場，防撞梁溫度最高處仍然是凹槽中心為243℃，溫度最低處也是法蘭兩端邊緣處為42.6℃。從整體來看，防撞梁的溫度場的分布規(guī)律為從凹槽區(qū)域逐漸向法蘭區(qū)域降低，溫度梯度連續(xù)。這是因為在沖壓的過程中，毛坯各區(qū)域由于模具的作用而散熱量不同，造成了防撞梁上存在了溫度差，而高溫區(qū)域的熱量會自發(fā)的往低溫區(qū)域傳遞，使得整個溫度場變化具有連續(xù)性。另外，沖壓過程中毛坯的塑性變形能、毛坯與模具之間的摩擦熱也會使防撞梁的溫度場得到新的平衡。

圖6為防撞梁淬火后溫度最高點和最低點的冷卻曲線，溫度最高點位于防撞梁凹槽中心處，溫度最低點位于法蘭端處。在沖壓剛開始階段凹槽處沒有接觸到模具，該區(qū)域的散熱為自然對流散熱，溫度下降較為緩慢;沖壓1.3s后模具作用到凹槽區(qū)域后，在凹槽與模具的巨大溫度差下產(chǎn)生劇烈的熱傳遞作用，溫度迅速的下降。而法蘭兩端處從沖壓開始到結(jié)束都與模具接觸，該區(qū)域一直保持較快的速度下降。到了淬火階段中，模具內(nèi)部通入冷水而保持在較低的溫度，使得模具和工件的溫度差一直存在，工件的溫度均保持迅速下降的趨勢，但是法蘭端處的溫度要比凹槽處溫度下降得更快。發(fā)生形變的硼鋼馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms為400℃左右，馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf為250℃，馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度為30℃/s[9]。從圖中可以看出，在淬火過程中，凹槽處溫度從729.8℃急劇下降到243℃，平均冷卻速度為48.7℃/s，大于馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷卻速度，可以產(chǎn)生馬氏體相變。另外，沖壓結(jié)束后，防撞梁最低溫度為621.3℃，大于馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，這避免了沖壓成形過程中發(fā)生馬氏體相變阻礙坯料的進(jìn)一步成形;同時在淬火階段，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉(zhuǎn)變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體，力學(xué)性能得到提高。

2.2 模具溫度對淬火過程防撞梁溫度場的影響

模具溫度的不同防撞梁熱成形后的溫度場分布也會有差異，對防撞梁的應(yīng)力場分布也會有影響，進(jìn)而影響制件的質(zhì)量;另外模具的溫度越低，在生產(chǎn)實際中對模具的冷卻系統(tǒng)要求就越嚴(yán)格。圖7為不同模具溫度時防撞梁上最大溫度節(jié)點的冷卻曲線，從圖中可以看出，淬火到第10s的時候，模具溫度為25℃～60℃的防撞梁上最高溫度節(jié)點已經(jīng)冷卻到了馬氏體終了溫度250℃以下，而模具溫度為80℃～100℃的防撞梁最高溫度節(jié)點的冷卻溫度大于265℃，馬氏體轉(zhuǎn)變還沒有結(jié)束，需要更長的淬火時間。但是模具的溫度越低，成形的防撞梁的溫度場分布越不均勻，溫度梯度越大，造成的熱應(yīng)力就越大，容易在直壁和凹槽處出現(xiàn)變形和開裂。所以，在實際生產(chǎn)中對制件的精度及品質(zhì)要求不高，只是為了追求高效益，就可以選擇較低的模具溫度。如果對制件的精度要求較高或是特殊材料的成形可以選擇較高模具溫度。

3? 結(jié)論

①在本文設(shè)定的計算條件下，模具為25℃時，淬火結(jié)束后防撞梁的溫度為42.6℃～243℃，防撞梁的溫度分布不均勻，存在一定的溫度梯度。防撞梁在熱成形模具冷卻條件下，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉(zhuǎn)變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體，力學(xué)性能得到提高。

②模具的溫度對防撞梁熱成形后的溫度場分布有較大的影響，模具溫度為25℃～60℃時可滿足企業(yè)高效率生產(chǎn)的要求。

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