蘇茶旺

（閩南理工學院，泉州 362700）

汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代汽車的重要發(fā)展方向是節(jié)能、舒適、降低排放和提高安全性[1]。為了實現(xiàn)節(jié)能、降低排放，需保證汽車車身輕量化且保持較高的強度，而實現(xiàn)輕量化同時又不損失結構強度目標的主要方式是盡量使用高強度鋼板降低汽車的重量。

高強度鋼板在常溫下不僅難以加工，而且容易開裂、回彈，因而需采用熱沖壓成形方法加工。熱沖壓原理是將高強度鋼板置于帶有保護性氣體（如氮氣）的加熱爐中加熱至奧氏體化，放入具有冷卻水道的熱沖壓模具中進行沖壓成形，最終由鐵素體和珠光體轉變成板條狀的馬氏體[2]。本文采用UG軟件對汽車B柱進行三維建模，再利用有限元軟件Abaqus對熱沖壓成形過程進行數(shù)值模擬，研究B柱不同位置的溫度場、減薄率以及成形極限圖（Forming Limit Diagrams，F(xiàn)LD），優(yōu)化工藝與模具設計避免出現(xiàn)成形缺陷，為探索大型尺寸復雜硼鋼板提供參考。

1 有限元模型

1.1 零件三維模型

汽車B柱是主駕駛側窗玻璃和后側窗玻璃之間的支柱，主要作用是承受側面撞擊。足夠強度和剛度的B柱是保證車輛側面碰撞時駕駛員安全的重要因素[3]。利用三維建模軟件UG建立B柱模型，B柱加強板外形尺寸為600 mm×335 mm×80 mm，厚度為1.8 mm，材料為22MnB5鋼。為研究方便，只選取B柱第3部分進行研究，三維造型如圖1所示。

1.2 流變行為分析

22MnB5高溫流變行為十分復雜。研究它的測試方法可以通過物理模擬技術，采用Gleeble 3800熱模擬試驗機（如圖2所示），對硼鋼板進行等溫單向拉伸試驗，對各參數(shù)進行精確控制，獲得變形溫度、變形速率、冷卻速度等參數(shù)對熱變形過程中流變應力的影響[4]。

圖2 Gleeble 3800熱模擬機

1.3 材料的本構方程

材料的成形過程是一個較復雜的過程，溫度和應變對于零件的最終成形性能影響巨大。采用雙曲正弦形式的Arrhenius本構模型描述22MnB5高強鋼的熱變形行為，有

式中：ε˙為應變速率，s-1；σ為流變應力，MPa；R為氣體常數(shù)；T為變形溫度，℃；A、α、n、Q均為與應變量有關的材料常數(shù)。

1.4 有限元幾何模型的建立

汽車B柱是熱沖壓的一個典型零件，選用高淬透、高淬硬性的22MnB5硼鋼板作為原料。它主要由C、Mn、Si、Al、B、Ti等元素組成，且其質(zhì)量百分比分別為0.22%、1.25%、0.25%、0.03%、0.03%、0.35%。

熱沖壓中板料遵循高溫下的流動應力應變和傳熱規(guī)律，因此與變形相關的參數(shù)如彈性模量、泊松比、應力應變以及與傳熱相關的參數(shù)如熱導率、比熱，都應該設置為與溫度相關的非線性參數(shù)，具體見表1和表2[5]。

表1 不同溫度下的熱傳導與熱膨脹系數(shù)

表2 不同溫度下的楊氏模量與泊松比

分別劃分blank板料、binder壓邊圈、die下模和punch上模網(wǎng)格，設置上下模冷卻水道，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，修正網(wǎng)格模型，并將網(wǎng)格分配到對應模具。設定熱力耦合參數(shù)，在熱沖壓過程中，壓邊前板料初始溫度為900 ℃，模具溫度為80 ℃，成形速度為100 mm·s-1，沖壓成形過程中板料與模具的摩擦系數(shù)為0.4。設定板料與模具的接觸關系及熱邊界條件，執(zhí)行模具網(wǎng)格組裝，三維有限元模型如圖3所示。

圖3 熱沖壓有限元模型

2 模擬結果分析

2.1 溫度場分析

板材加熱到930 ℃轉變?yōu)閵W氏體化出爐后，通過機械手將物料轉移到模具?？紤]實際物料轉移的工況和板材溫差梯度控制，需要將傳送時間控制在合理范圍內(nèi)。將物料轉移時間設定為5.5 s，以保證較小的降溫幅度，以免影響板材在成形過程中的最佳溫度。成形時，上模下壓還需要約1.5 s。板材中性層設為NT12，板材的初始沖壓溫度如圖4所示。

圖4 板材成形前溫度場（單位：℃）

熱沖壓成形過程中，板材與壓邊圈、凸凹模先后接觸，產(chǎn)生熱量的傳遞。此時，與壓邊圈先接觸的板材邊緣溫度急劇下降，而中間未與壓邊圈接觸的板材熱量傳遞只能通過與空氣接觸進行熱輻射降溫。熱輻射效率遠低于熱傳導，因此板材中間溫度遠高于邊緣溫度。成形過程中板材與凸凹模接觸，整體溫度會進一步下降。成形后，板材邊緣溫度降到550 ℃左右，但邊緣未壓邊部分溫度仍然高達700 ℃左右，如圖5所示。

圖5 板材成形后溫度場（單位：℃）

2.2 板材成形工藝優(yōu)化

選擇sth查看板料的厚度。工程中通常認為板料減薄超過30%即認為發(fā)生破裂[6]。由于壓邊力的作用，在深度方向發(fā)生了顯著的拉延現(xiàn)象，黑色區(qū)域減薄超過30%，可以近似認為破裂，而在灰色區(qū)域發(fā)生了增厚即起皺現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前的厚度場（單位：mm）

造成板料破裂的原因在于此區(qū)域附近壓邊力較大而此處圓角凹模圓角半徑較小，導致直邊側壁部分的板料流入困難引起破裂。造成起皺的原因是板料兩側的壓邊力過大導致材料易流向無壓邊區(qū)域引起起皺。通過優(yōu)化模具結構，減小成形時的壓邊力，從而消除起皺破裂，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的厚度場（單位：mm）

實驗室搭建了B柱試成形工作平臺，按照優(yōu)化后的模具結構裝配真實的模具，成形速度為100 mm·s-1。 成形速度快，會導致馬氏體組織纖維方向不整齊；成形速度慢，則會導致殘余應力較高。配置直徑為 8 mm，管道內(nèi)的平均水流速度約為2 m·s-1的冷卻水管20根。上模安裝9根，下模安裝11根，水管走向和型面保持一致，確保各部位散熱均勻。板料初始溫度控制在900 ℃左右，溫度過低不能實現(xiàn)完全奧氏體化，過高則晶粒粗大。利用保壓時間9 s的工藝參數(shù)進行成形，確保轉變成馬氏體組織前進入保壓定形，以獲得均勻的金相組織。通過實驗得到了熱成形的B柱成形沖壓件，如圖8所示。成形沖壓件并未出現(xiàn)明顯的破裂和起皺現(xiàn)象，證明了有限元模擬的準確性。

圖8 成形沖壓件

3 結語

首先，基于Abaqus軟件對B柱凸模上段建立熱力耦合模型，通過有限元模擬分析板料成形前后板料各部分溫度差異的原因。其次，分析板料厚度場變化，優(yōu)化模具結構及成形工藝，消除熱沖壓成形過程中產(chǎn)品破裂和起皺的現(xiàn)象。最后，優(yōu)化凹模圓角半徑及側壁結構，選擇合適的壓邊力，以提高工件精度和減少模具磨損。