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(shì)（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(shí)的逐漸加強(qiáng)和對(duì)汽車安全性能要求的日益提高,世界各國(guó)對(duì)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(dòng)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(shí),把工作重點(diǎn)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(yùn)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?zèng)_壓成形,在保壓階段通過模具實(shí)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(duì)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(shí)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)零件的熱沖壓可制造性)、保壓淬火過程分析(預(yù)測(cè)零件的組織和力學(xué)性能)和回彈分析(預(yù)測(cè)零件的成形精度)3個(gè)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(shí)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(guó)外,意大利Padova大學(xué)以Nakazima試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行了相位轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)與高溫成形試驗(yàn),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(guó)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(shí)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(yàn),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(duì)其進(jìn)行了高溫力學(xué)性能試驗(yàn)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(cè)熱沖壓的可制造性。

在國(guó)外,瑞典律勒歐理工大學(xué)在2002年就用Gleeble 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了對(duì)熱沖壓鋼板22MnB5的高溫壓縮試驗(yàn)和熱膨脹的測(cè)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(duì)不同溫度下的流動(dòng)應(yīng)力影響不同。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)通過有限元模擬并試驗(yàn)驗(yàn)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(guó)研究基金(DFG)項(xiàng)目的支持下對(duì)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(guó)內(nèi),近些年來上海寶鋼集團(tuán)通過大量試驗(yàn),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(guó)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(duì)比?？梢哉f寶鋼的熱沖壓可制造性分析能較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)零件的熱沖壓成形缺陷,這對(duì)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(guó)工程物理研究院計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(yàn)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(cè)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(cè)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(shí)對(duì)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(duì)整個(gè)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(cè)零件的組織和力學(xué)性能。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)通過有限元模擬并試驗(yàn)驗(yàn)證了22MnB5鋼熱沖壓保壓淬火過程的溫度與沖壓力變化。德國(guó)戴姆勒-克萊斯勒公司對(duì)熱沖壓淬火過程模擬中可能出現(xiàn)的難點(diǎn)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(jì)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(yàn)機(jī)對(duì)22MnB5材料進(jìn)行了連續(xù)冷卻單向拉伸試驗(yàn),分析了不同初始溫度和不同應(yīng)變速率條件下的流動(dòng)應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)溫度是影響流動(dòng)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(yàn)裝置開發(fā)了一種新型的高溫成形性能試驗(yàn)裝置。伊朗Arak大學(xué)研究了熱變形條件對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響。通過熱膨脹試驗(yàn)和熱單向壓縮試驗(yàn),分析了變形初溫、應(yīng)變量和應(yīng)變速率對(duì)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(yùn)用傳熱學(xué)基本理論對(duì)熱沖壓淬火過程中傳熱進(jìn)行分析,根據(jù)其傳熱特點(diǎn)建立解析模型并通過試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)間、冷卻臨界速度(淬火速度)、沖壓模具溫度變化等對(duì)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(huì)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(huì)使板料產(chǎn)生局部流動(dòng),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(jì)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來預(yù)測(cè)零件的成形精度。但到目前為止,回彈分析還是整個(gè)沖壓界都沒有妥善解決的世界性難題。每屆的國(guó)際NUMISHEET會(huì)議(板料沖壓仿真會(huì)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(yàn)零件的力學(xué)性能和尺寸精度,但延長(zhǎng)了模具設(shè)計(jì)周期,增加了鋼板熱沖壓零件的制造成本。

國(guó)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(duì)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(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了在塑形變形區(qū)或彎曲變形區(qū)溫度高于750K時(shí),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(duì)DP600和TRIP800兩種材料的沖壓回彈進(jìn)行了模擬。

國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)熱成形時(shí)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(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果的可靠性,圖3為模擬得到的壓邊力對(duì)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(yàn)考察了變形溫度、熱成形終了溫度和壓邊力對(duì)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以回彈角作為回彈值,基于ISO2CD24213/2006方法,運(yùn)用Dynaform對(duì)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(duì)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(shì)。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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