摘要：
目的：研究熱成形過程中沖壓件溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，探究主要工藝參數(shù)對(duì)沖壓件成形的影響規(guī)律。
方法： 利用Abaqus軟件建立熱力耦合模型，對(duì)汽車B柱的熱沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析板料及模具的溫度和應(yīng)力變化，確定主要工藝參數(shù)對(duì)沖壓件的影響規(guī)律，利用得到的規(guī)律指導(dǎo)B柱模具的設(shè)計(jì)與制造，最后對(duì)B柱進(jìn)行沖壓試驗(yàn)。結(jié)果 在熱成形前的物料轉(zhuǎn)移階段，板材厚度差的存在使過渡區(qū)產(chǎn)生了溫度梯度和內(nèi)應(yīng)力的變化；在熱成形階段，以減薄率為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定了摩擦因數(shù)為0.35、沖壓速度為100 mm/s時(shí)B柱的成形效果最好；對(duì)B柱的成形結(jié)果進(jìn)行了分析，由局部減薄率的變化得到了模具缺陷的位置，由過渡區(qū)的偏移量得到了模具等厚區(qū)的長(zhǎng)度，由板材溫度變化確定了最佳保壓時(shí)間為8 s。
結(jié)論： 基于Abaqus軟件，構(gòu)建了B柱的熱沖壓有限元模型，對(duì)板材出爐至成形結(jié)束階段進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)B柱制件進(jìn)行了沖壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)制件的質(zhì)量缺陷明顯減少，對(duì)制件的指定點(diǎn)進(jìn)行了面檢測(cè)，合格率達(dá)到了95.83%，表明了分析結(jié)果的可靠性，同時(shí)也驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼；變厚板；熱沖壓；22MnB5；數(shù)值模擬
隨著世界范圍內(nèi)的能源消耗和各種環(huán)境問題的出現(xiàn)，節(jié)能減排已成為當(dāng)前全球關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]。對(duì)于汽車行業(yè)，節(jié)能環(huán)保已成為該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，在汽車結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)過程中，鋼板的選擇也越來越多樣化[3-5]，與普通鋼板相比，變厚度的高強(qiáng)鋼板有更大的屈服強(qiáng)度、更高的抗拉強(qiáng)度、更合理的板料厚度，在滿足汽車安全的同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)汽車輕量化[6]，因此，其在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。
隨著高強(qiáng)鋼變厚板的普及，采用傳統(tǒng)的冷沖壓技術(shù)成形高強(qiáng)鋼變厚板時(shí)，回彈[7-8]等成形缺陷比較嚴(yán)重，而采用熱沖壓技術(shù)[9-10]可以大大減小板材的回彈效應(yīng)，對(duì)于回彈大的高強(qiáng)鋼變厚板來說是一種理想的成形方式。然而，高強(qiáng)鋼變厚板的熱成形技術(shù)還存在許多亟待解決的難題，近年來許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。Onur等[11]對(duì)22MnB5等厚板進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，分析了不同熱處理?xiàng)l件下22MnB5的組織特征和力學(xué)性能；Barcellona等[12]對(duì)發(fā)生熱變形的22MnB5鋼板進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)冷卻速率和熱處理溫度是影響熱變形的主要參數(shù)。王敏等[13]以變厚度的U形梁為研究對(duì)象，研究了淬火時(shí)間對(duì)熱沖壓的影響，結(jié)果表明，淬火時(shí)間越長(zhǎng)，馬氏體分布越均勻。雖然上述報(bào)道對(duì)于高強(qiáng)鋼變厚板的熱變形研究取得了可觀的成果，但由于熱變形的過程非常復(fù)雜，涉及到應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)−溫度場(chǎng)−相變的多場(chǎng)耦合關(guān)系，以上研究在此方面還未達(dá)到預(yù)期的效果?；谏鲜鲅芯勘尘?，文中以某汽車B柱為研究對(duì)象，利用Abaqus軟件對(duì)B柱的熱成形過程進(jìn)行模擬，對(duì)熱成形前的物料轉(zhuǎn)移階段進(jìn)行模擬與分析，探究主要工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響，由沖壓過程中得到的應(yīng)力場(chǎng)−溫度場(chǎng)−相變的多場(chǎng)耦合關(guān)系指導(dǎo)B柱模具的設(shè)計(jì)與制造，通過試驗(yàn)驗(yàn)證工藝參數(shù)與模具設(shè)計(jì)的可靠性。
1、 有限元模型的建立
1.1 工藝分析
B柱加強(qiáng)板是乘用車車身的重要支撐和安全構(gòu)件，需要足夠的強(qiáng)度和良好的抗碰撞性能[14]。圖1為某款汽車B柱的幾何模型圖，其整體呈T字外形，兩端為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，端面有凸起和凹槽，曲面形狀較復(fù)雜，截面厚度不均勻，為減少成形缺陷，使用熱沖壓工藝完成制件的成形過程。通過AUTOFORM的展料功能得到板料的大致輪廓，如圖2所示，板材的等厚區(qū)厚度從大端至小端分別為1.4、1.8、2.2、1.8、1.4 mm，過渡區(qū)料厚為均勻過渡，過渡區(qū)寬度均為42.9 mm。
圖1 某汽車B柱幾何模型
Fig.1 Geometric model for B-pillar of an automobile
圖2 某汽車B柱的展料圖
Fig.2 Illustration of B-pillar of an automobile
1.2 沖壓模具的設(shè)計(jì)
在成形過程中，板料移動(dòng)距離較大，需要在板料中部和下部設(shè)置2個(gè)定位孔（圖2），為保證足夠的壓邊力，在凹模設(shè)置壓邊塊，在凸模增加前壓芯和后壓芯，在凸模中間設(shè)置中壓芯，壓芯部分如圖3所示。熱沖壓過程中需要設(shè)置冷卻水道，將水道中心與模具表面的距離設(shè)置為14 mm，水道直徑設(shè)置為8 mm，水道間距設(shè)置為10 mm，完整的模具模型如圖4所示。
圖3 模塊分割示意圖
Fig.3 Schematic diagram of module segmentation
圖4 模具模型
Fig.4 Die model
1.3 沖壓模型的建立
1.3.1 材料模型
B柱所選用的材料是變厚度的22MnB5鋁硅鍍層高強(qiáng)鋼板，板料模型選用Arrhenius本構(gòu)模型，見式（1）[15]，板材的彈性參數(shù)如表1所示，板材的熱物性參數(shù)如表2所示。模具的彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為0.275，密度設(shè)置為7.9×109 g/cm3，比熱[16]設(shè)置為4.5×102 J/(kg·K)。流變應(yīng)力的計(jì)算見式（1）。
(1)
式中：σ為流變應(yīng)力，MPa；h為截距；t為變形溫度，℃；
為應(yīng)變速率，s?1。
1.3.2 網(wǎng)格劃分
板材網(wǎng)格選擇四結(jié)點(diǎn)熱力耦合曲面的殼單元，在模擬中將模具設(shè)定為剛體，模具網(wǎng)格選擇C3D4T網(wǎng)格，板材選擇S4RT網(wǎng)格，劃分好的網(wǎng)格數(shù)量分別為：板材網(wǎng)格21 797個(gè)，凸模網(wǎng)格2 252 277個(gè)，凹模網(wǎng)格844 292個(gè)，前壓芯網(wǎng)格157 684個(gè)，中壓芯網(wǎng)格1 415個(gè)，后壓芯網(wǎng)格148 902個(gè)，壓邊塊網(wǎng)格86 031個(gè)。
1.3.3 接觸傳熱和摩擦
熱成形的摩擦因數(shù)一般在0.25～0.5之間，在熱成形過程中，空氣的對(duì)流換熱系數(shù)取0.024 mW/(mm2·℃)[17]，接觸換熱系數(shù)[18]可以通過數(shù)值積分算出，模具與冷卻水表面的傳熱系數(shù)hCHTC根據(jù)Sleicher等[19]提出的流體傳熱模型計(jì)算，見式（2）。其中，指數(shù)a、b的值分別由式（3）、式（4）計(jì)算得到。
表1 板材的彈性參數(shù)
Tab.1 Elastic parameters of the plate
表2 板材的熱物性參數(shù)
Tab.2 Thermophysical parameters of the plate
(2)
(3)
(4)
式中：D為水道直徑；λ為冷卻水的熱導(dǎo)率，20 ℃時(shí)取0.599 mW/(mm·℃)；Pr為普朗特?cái)?shù)，20 ℃時(shí)取7.02；Re為雷諾數(shù)[20]，由式（5）計(jì)算得到。
(5)
式中：ρ為水的密度；v為水道內(nèi)的平均流速，取3 m/s；μ為水的動(dòng)力黏性系數(shù)，20 ℃時(shí)取1.004 mPa·s。
通過上述計(jì)算公式解得模具與冷卻水表面的傳熱系數(shù)為12.835 mW/(mm2·℃)。
1.3.4 邊界條件
B柱的熱成形工藝流程一般分為出爐轉(zhuǎn)移、成形、保壓淬火、激光修邊、脫模5個(gè)階段，本文主要對(duì)物料轉(zhuǎn)移、成形和保壓階段進(jìn)行分析。物料轉(zhuǎn)移階段，板材初始溫度設(shè)為930 ℃，轉(zhuǎn)移過程中只有板材的熱輻射和空氣的熱對(duì)流散熱；成形階段，上模行程為240 mm，上壓芯下移215 mm，下壓芯下移170 mm，板料始終受到定位孔的約束，各個(gè)壓芯移動(dòng)到相對(duì)位置后保持靜止。根據(jù)模具的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，模擬中對(duì)各個(gè)模塊施加位移和自由度的約束，模具設(shè)為剛體，初始溫度為20 ℃。
2、模擬結(jié)果分析
2.1 板材物料轉(zhuǎn)移結(jié)果分析
本文選用的板材為高強(qiáng)鋼變厚板，在熱成形過程中，因?yàn)榘辶虾穸炔煌?，散熱不均勻，?huì)產(chǎn)生非均勻的溫度場(chǎng)，因此，有必要對(duì)物料轉(zhuǎn)移階段進(jìn)行模擬分析，為之后的成形階段做準(zhǔn)備工作。設(shè)定熱沖壓過程中板料加熱溫度為930 ℃，模具初始溫度為20 ℃，沖壓速度為100 mm/s，將物料轉(zhuǎn)移時(shí)間設(shè)置為5.5 s。
圖5 板材轉(zhuǎn)移后的溫度
Fig.5 Temperature after plate transfer
圖6 溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力
Fig.6 Internal stress caused by temperature change
在溫度場(chǎng)中，中性層溫度與板料兩側(cè)的溫度幾乎相同，取更具代表性的中性層NT12進(jìn)行分析，得到的板材轉(zhuǎn)移后的溫度云圖如圖5所示。由圖5可以看出，板材厚度不同時(shí)，在同等散熱條件下，較薄的區(qū)域溫度下降快，較厚的區(qū)域溫度下降慢，等厚區(qū)溫度幾乎相同，過渡區(qū)產(chǎn)生了溫度梯度，溫度的變化造成了內(nèi)應(yīng)力的變化，如圖6所示。在熱變形過程中，應(yīng)力對(duì)溫度的變化比較敏感，所以溫差較大的過渡區(qū)產(chǎn)生了比較明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力最大處為13.379 MPa，此處為定位約束的位置，對(duì)后續(xù)的成形結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生太大影響。
2.2 工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響分析
2.2.1 摩擦因數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響
在板材沖壓成形過程中，摩擦力作為一種阻力，會(huì)影響材料流動(dòng)[21]，為研究摩擦因數(shù)對(duì)成形的影響規(guī)律，利用單因素法，在成形速度為100 mm/s時(shí)，取6組不同的摩擦因數(shù)μ（0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.475）進(jìn)行模擬。通常認(rèn)為，變薄率小于25%時(shí)制件不會(huì)出現(xiàn)破裂和起皺的缺陷，即厚度在1.05～ 2.75 mm之間是合格的。圖7為不同摩擦因數(shù)下模擬結(jié)果的最值與判定標(biāo)準(zhǔn)的比較圖，由圖7可以看出，增厚均未超過起皺上限，但減薄比破裂的下限值略低。對(duì)不同摩擦因數(shù)下破裂部分的面積進(jìn)行分析，如圖8所示，當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.35時(shí)，破裂區(qū)的面積大幅增加；當(dāng)摩擦因數(shù)小于0.35時(shí)，破裂區(qū)面積減小。綜合考慮面積和最小厚度2個(gè)因素，認(rèn)為熱成形中的摩擦因數(shù)不應(yīng)超過0.35。
圖7 不同摩擦因數(shù)下制件的厚度變化
Fig.7 Thickness change of parts under different friction coefficients
圖8 出現(xiàn)破裂缺陷的面積
Fig.8 Area where cracking defects occur
2.2.2 成形速度對(duì)成形結(jié)果的影響
在熱成形過程中，成形速度會(huì)影響材料的變形速率[22]，成形速度過快會(huì)導(dǎo)致材料流動(dòng)不充分，馬氏體纖維組織不齊，進(jìn)而導(dǎo)致成形質(zhì)量變差；成形速度過慢，冷卻速度變慢，馬氏體組織偏大，容易發(fā)生起皺現(xiàn)象，最終影響制件的成形質(zhì)量。為研究沖壓速度對(duì)沖壓成形過程的影響，在摩擦因數(shù)為0.35時(shí)，取6組成形速度（50、75、100、125、140、150 mm/s）對(duì)制件的成形過程進(jìn)行模擬。將模擬結(jié)果的厚度值與厚度標(biāo)準(zhǔn)值1.05～2.75 mm進(jìn)行比較，得到圖9所示結(jié)果。
圖9 不同成形速度模擬結(jié)果的厚度圖
Fig.9 Thickness diagram of simulation results with different forming velocity
由圖9可以看出，隨著成形速度的增大，成形速度小于140 mm/s時(shí)制件的最大厚度變化不大，成形速度大于140 mm/s時(shí)明顯增大。成形速度對(duì)熱成形結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響，如圖10所示。成形速度過小時(shí)，成形時(shí)間長(zhǎng)，材料流動(dòng)不充分，在局部縱深處減薄和破裂的風(fēng)險(xiǎn)增大；成形速度過大時(shí)，制件小端受到?jīng)_擊，與模具發(fā)生碰撞，導(dǎo)致起皺的風(fēng)險(xiǎn)增大；成形速度為100 mm/s時(shí)，板料的成形效果最好。
圖10 成形結(jié)果
Fig.10 Forming results
2.3 沖壓結(jié)果分析
2.3.1 減薄率分析
對(duì)板材成形來說，減薄量是衡量成形性能的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[23]，基于得到的工藝參數(shù)（摩擦因數(shù)0.35、成形速度100 mm/s）對(duì)B柱的成形階段進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果如圖11所示，分別以1.4、1.8、2.2 mm的破裂和起皺值為基準(zhǔn)設(shè)置云圖上下限。
由圖11可知，在1.4 mm等厚區(qū)，大部分區(qū)域?yàn)楹细駞^(qū)（方框處），厚度為1.225～1.517 mm；在1.8 mm等厚區(qū)，大部分區(qū)域厚度合格，在1.8 mm左右小范圍波動(dòng)；在2.2 mm等厚區(qū)，大部分區(qū)域?yàn)楹细駞^(qū)（方框處），厚度為1.925～2.92 mm。在此次模擬過程中，成形后只有1.4 mm等厚區(qū)有細(xì)小破裂缺陷，因?yàn)橹萍?cè)壁縱深大、面積大，導(dǎo)致側(cè)壁局部區(qū)域材料流動(dòng)少，致使減薄過大，出現(xiàn)破裂缺陷，通過模擬得到制件缺陷的位置對(duì)于后期修模具有重要的參考意義。
變厚板與普通等厚板不同，板材上除了等厚區(qū)外，還有厚度過渡的過渡區(qū)。研究過渡區(qū)位置的偏移變化對(duì)研究成形過程中材料的流動(dòng)具有重要意義。通過觀察4個(gè)過渡區(qū)沿x、y方向的位移來確定成形過程中材料運(yùn)動(dòng)的大致趨勢(shì)，由圖12可以看出，成形后厚度等值線發(fā)生了一些波動(dòng)，選取過渡區(qū)路徑上的等值線，得到的偏移量如圖13所示。由圖13可以看出，過渡區(qū)4整體向y方向移動(dòng)，過渡區(qū)1、2向x負(fù)向和y正向偏移，過渡區(qū)3向y向正向偏移。根據(jù)模擬結(jié)果，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)板材等厚區(qū)長(zhǎng)度，提高板材的成形質(zhì)量。
圖11 各厚度安全區(qū)域云圖
Fig.11 Pattern of each thickness safety zone
圖12 成形后厚度等值線圖和坐標(biāo)方向
Fig.12 Contour plot and coordinate direction of thickness after forming
圖13 各過渡區(qū)y向位移量
Fig.13 y displacement in each transition zone
2.3.3 板材組織變化分析
制件被快速轉(zhuǎn)移到模具上成形，經(jīng)過冷卻后的板料溫度決定最終的成形件是否為強(qiáng)度和硬度更高的馬氏體組織。馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度（Ms）為410 ℃[24]，圖14為制件成形過程中的溫度變化。
圖14 溫度變化對(duì)比
Fig.14 Comparison of temperature change: a) areas with temperatures less than 410 °C; b) temperature diagram of part of the plate at 1.712 5 s
在汽車B柱成形過程中，最終溫度小于410 ℃的區(qū)域面積主要集中在后壓芯對(duì)應(yīng)的位置，如圖14a所示；前壓芯對(duì)應(yīng)區(qū)域成形在1.7 s左右完成，在1.712 5 s時(shí)，板材溫度如圖14b所示，板材的最低溫度約為520 ℃，大于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，在后續(xù)變形過程中需進(jìn)行保壓降溫。
為使板材的奧氏體組織完成馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體完成溫度（Mf）為270 ℃[25]，暫定保壓時(shí)間為3.2 s，溫度云圖如圖15所示。
圖15 保壓時(shí)間為3.2 s時(shí)板材溫度云圖
Fig.15 Pattern of plate temperature when the pressure holding time is 3.2 s
圖16 保壓時(shí)間為7.2s時(shí)板材溫度云圖
Fig.16 Pattern of plate temperature when the pressure holding time is 7.2 s
當(dāng)保壓時(shí)間為3.2 s時(shí)，除個(gè)別點(diǎn)之外，整體溫度在Ms點(diǎn)以下，板材發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，延長(zhǎng)保壓時(shí)間到7.2 s，溫度云圖如圖16所示，整體板材溫度降到Mf以下，完成了馬氏體轉(zhuǎn)變，所以保壓時(shí)間大于7.2 s即保壓成功，為保證成形效率，選擇保壓時(shí)間為8 s。
2.3.4 板材應(yīng)力變化分析
如圖17所示，成形件端部的應(yīng)力值分布不均勻，兩側(cè)應(yīng)力值大，中間應(yīng)力值小。這主要是因?yàn)槎瞬康臏囟炔痪鶆蛟斐傻?，在成形件兩?cè)不僅通過模具換熱，還通過熱輻射向四周散熱，如圖18所示，端部?jī)蓚?cè)的溫度比中心位置低，由此可見，在熱成形中，板材溫度的變化對(duì)熱成形的應(yīng)力分布有較大影響。
3、 試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)以上模擬結(jié)果，采用最優(yōu)的工藝參數(shù)對(duì)汽車B柱進(jìn)行試制，最終得到的制件如圖19所示。對(duì)試驗(yàn)制件的指定點(diǎn)進(jìn)行面檢測(cè)，如圖20所示，檢測(cè)點(diǎn)與B柱面上的尺寸偏差結(jié)果如圖21所示，面檢測(cè)合格率（尺寸偏差在±0.5 mm以內(nèi)）達(dá)到了95.83 %，制件的成形區(qū)域基本無成形缺陷，滿足成形要求，與模擬結(jié)果一致。
圖17 板材成形后的應(yīng)力云圖
Fig.17 Stress pattern after plate forming
圖18 溫度變化云圖
Fig.18 Temperature change pattern
圖19 變厚板B柱產(chǎn)品圖
Fig.19 Product diagram of B-pillar of variable-thickness plate
圖20 檢測(cè)點(diǎn)位置
Fig.20 Position of detection points
圖21 面檢測(cè)點(diǎn)偏差圖
Fig.21 Diagram for deviation of surface detection points
4、 結(jié)論
1）基于Abaqus軟件，從工藝分析、邊界條件設(shè)置等方面構(gòu)建了高強(qiáng)鋼變厚板汽車B柱的熱沖壓有限元模型，對(duì)成形工藝流程的前兩個(gè)階段進(jìn)行分析，完成了沖壓模型的邊界條件設(shè)置。
2）對(duì)板材出爐后至成形階段開始前的物料轉(zhuǎn)移階段進(jìn)行了熱分析，得到了板材成形前的溫度和應(yīng)力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上利用單因素法研究了主要工藝參數(shù)（沖壓速度、摩擦力）對(duì)成形結(jié)果的影響，認(rèn)為摩擦因數(shù)為0.35、成形速度為100 mm/s時(shí)成形效果最好；對(duì)板材減薄率、過渡區(qū)、組織、應(yīng)力的變化進(jìn)行了分析，獲得了最優(yōu)保壓時(shí)間8 s，得到的結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。
3）在模擬分析的基礎(chǔ)上對(duì)制件進(jìn)行了試制，得到的沖壓件面檢測(cè)合格率達(dá)95.83%，驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。
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來源：作者：趙妍潔1，高穎1，高靜娜1，劉凱源1，張雙杰1,2，朱慶齊3
（1.河北科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院 b.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.河北省精密沖裁工藝與模具工程技術(shù)研究中心；3.保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司）；期刊-《 精密成形工程》
