热冲压成形技术与数值模拟研究

引言

随着全球汽车向轻量化方向发展,汽车行业在注重自身经济效益的同时需要研发更为先进的板材加工工艺,为整个汽车钢材的生产节约能源生产成本以及生产时间。在生产汽车过程中使用轻合金技术是最好的,但是由于轻合金价格昂贵,在实际生产中主要使用的生产工艺材料是高强度的钢板。因此,高强度的钢板生产工艺流程是现代汽车行业研究的重中之重。

1热冲压成形技术概述

高强度的热冲压成形技术在塑性加工时需要面临很多的问题,比如在常温下钢板的形成很困难,其形成的温度较高,一般的生产工艺很难达到加工工艺需求。如果在生产过程中采用冷冲压技术对钢板进行加工,则生产出的钢板具有回弹严重的问题,同时在冷冲压技术过程中很难对加工零件的尺度进行把握。所以热冲压技术应运而生,热冲压技术能够与钢材生产过程的各个工序相互协调,比如可以使不同部位的零件在不同部位得到不同的微观组织,淬火马氏体组织可以满足各个复杂零件的生产加工工艺流程。

2热冲压成形技术工艺原理

热冲压成形技术的工艺原理是通过加热低碳硼合金的高强度钢板并使其保温一定时间,在这个过程中使加热钢材均匀奥氏体化,然后利用工厂中自动机械手将板料运输到工厂的冷却系统中进行冲压模板的冲压成形,同时系统中的淬火对钢材进行保压,使板料能够获得均匀的马氏体相变从而形成刚度均匀的钢材。热冲压成形技术工艺流程如图1所示。

3热冲压成形主摘影响因素

3.1材料

热冲压成形技术中采用的是一种具有很强刚度的硼合金材料,与传统的相变诱导钢以及马氏体钢具有很大的差别,传统的钢材在常温下其强度就很高,一般采用的是冷冲压生产技术得到,钢材在形成零件前后其微观组织没有发生改变,强度指标等基本不会发生变化。而在热冲压成形技术过程中使用的钢材是硼合金钢板,该材料是一种低碳微合金钢,材料里面添加了一定的微量元素,提高了整个钢材的淬火性能。该材料在钢材成形后会发生大的相变,同时钢材的强度指标大大提升,此外在该材料中还添加了Ti、Ni等微量元素,提高了整个钢材的整体屈服性能以及其他力学性能。

图1热冲压成形工艺流程图

典型的热冲压成形钢板在常温下其强度不高,但是通过热成形技术加热成形以后,该材料的微观组织产生了马氏体,材料的强度以及刚度得到了大大的提升,其屈服强度可以提升到1000MPa以上,但是一个明显的缺点就是该成形零件的塑性明显降低,比如在进行热冲压之前该合金材料的伸长率可以达到24%左右,但是在进行热冲压成形之后其伸长率就只有8%左右。

3.2工艺参数

热冲压成形技术的工艺流程与传统的生产技术流程完全不同。在热冲压成形过程中其工艺参数很多,工艺复杂,在生产工艺过程中主要包含了加热、成形以及冷却的加工过程,为了使钢材向马氏体转变,确保加工的零件具有足够的强度和刚度,需要对不同的加工工艺流程参数进行合理设计。

加热阶段主要是对钢材加热温度以及加热时间进行把控,对钢材进行加温时需要确保其加热的温度控制带在再结晶的温度以上,这样能够确保材料奥氏体化,但是也需要特别注意加热的温度不能够设置太高,否则会造成板料的烧毁和晶粒变大,这样影响整个板料奥体化的均匀性,同时影响材料成形后的零件质量以及性能,在对板料加热到一定温度以后需要对板料进行保温,在对材料进行奥体化的保温进程中其保温时间不宜太长,不然会造成晶粒变大,会增加整个零件的生产周期以及降低零件的生产效率。

在成形阶段需要对零件模具的表面冷却淬火,产生相变,在这个过程中需要使奥氏体变成马氏体,实现钢材强度的增加,只有在钢材冷却到一定的温度后才能使奥氏体变成马氏体,否则在成形过程中会形成其他的一些组织,影响整个成形零件的强度。结合相关经验发现,一般在热冲压工程中将奥氏体转换成马氏体的最佳温度是28℃/s,因此在钢材的成形过程中需要使模具成形的温度大于这个值,以此提高整个冷却介质的循环压力,使冷却零件的各个部位受力均匀,同时注意冷却的速度,并不是冷却速度越快越好,因为当冷却速度增加以后,零件将会开裂。

3.3热冲压模具

冷冲压模具只能应用于实际零件的形成,而热冲压模具不但可以将材料应用于模具的成形,还能将零件进行冷却淬火,因此在模具的选择上更加复杂,同时也需要注意模具材料的选择以及模具设计等方面的要求。在进行模具材料方面的选择上,对热冲压模具需要确定好传热系数,在生产工艺过程中需要确保钢板与模具之间能够迅速传热,以致形成的钢板具有很好的冷却功能,模具材料需要确定其具有很好的热强度以及高耐磨性能,以保证在零件的成形过程中具有足够的精度。模具表面需要具有足够的光滑性,同时其表面需要具有足够的强度,这样可以确保在剧烈的冷热交换过程中保证零件具有足够的寿命,此外模具的表面需要具有足够的耐锈蚀性,保证模具内部管道不被冷却介质锈蚀而发生堵塞现象。

4热成形试验仿真与结果

以某车型的防撞梁为研究对象,其材料为22MnB5的特定硼钢板,利用热成形模拟软件Pam-stamp2G建立防撞梁仿真模型,如图2所示。为了确定成形温度和冲压速度,对其模型进行了不同成形温度条件和不同冲压速度条件下的仿真研究。

4. 1    不同成形温度对防撞梁性能的影响

在冲压速度一 定的情况下 ,成形温度的变化对构件的金 相组织和硬度影响不大:但是对构件的厚度影响较大 , 即厚 度随着成形温度的增大而增大 ,在700~900 ℃时 , 厚度达最 大 ,最佳成形温度在800 ℃ 。  因此 ,将该温度作为实验的初始 成形温度 。

4.2不同冲压速度对防撞梁性能的影响

在成形温度为800C的情况下,研究不同冲压速度对构件金相组织、硬度和厚度的影响可知,冲压速度对金相组织的影响较小。当冲压速度小于50mm/s时,构件硬度大幅降低,厚度快速增大。但是当冲压速度大于50mm/s时,厚度有所减小,硬度基本不变。为了获得较厚的构件,在本文中选择最佳的冲压速度为℃00mm/s。

4.3防撞梁试验

由上述可知,最佳的初始成形温度和冲压速度分别是8001和℃00mm/s。利用上述结果对其进行冲压试验,将试验件进行力学性能和金相组织鉴定测试。由力学性能试验测得该构件抗拉强度为℃500MPa,硬度为℃H50℃,金相组织为马氏体,构件的组织和性能满足使用要求。

5结语

高强度的钢板加热冲压成形技术备受世界关注,本文主要介绍了热冲压成形过程中成形零件的加工工艺,对提升整车汽车零件的强度以及刚度具有十分重要的意义。本文针对某一汽车零件采用热冲压成形技术进行试验模拟仿真,证明了该技术对于提高整个汽车零部件的刚度以及强度具有很强的作用,是符合实际需求的,为未来汽车零部件的加工指明了方向。