基于Dynaform的汽車內蓋板熱沖壓成形數值模擬

蘇 曦，陳澤中，茹林潺，魏雅新

（上海理工大學機械工程學院，上海200093）

0 引 言

熱沖壓成形技術作為一種制造高強度鋼復雜零件的新方法，已廣泛引起企業及科研機構的關注。熱沖壓是一種創新型的非等溫熱板金屬成形技術，即將奧氏體板料成形同淬火過程同時一步完成。汽車工業中常采用的金屬材料為厚度為0.8～2.5 mm的硼錳鋼。鋼板加熱到高于900℃的高溫，鋼板組織轉變為奧氏體組織。由于升溫時的流動應力減少造成板料的成形性能增強，可以實現高強度鋼板的良好成形［1］。經過淬火零件的實際強度可以高達1 500 Mpa，對于車身零件的強度提高起到了重要作用。

通過有限元手段對于熱沖壓成形過程的研究已經開始得到運用。如劉紅生、包軍利用有限元軟件對于高強鋼板溝槽形件沖壓成形進行數值模擬研究［2］。本文采用UG軟件對汽車內蓋板進行三維建模，再利用有限元軟件dynaform對熱沖壓成形進行數值模擬，對板料沖壓前后的溫度分布進行分析，并通過工藝的優化獲得合格產品。

1 有限元模型

1.1 三維模型

利用三維建模軟件UG建立起汽車內蓋板覆蓋件模型。內蓋板沖壓件模型如圖1所示。

圖1 汽車內蓋板覆蓋件模型

將模型導入dynaform軟件中，進行工藝補充，完成模具設置。Dynaform中的凸凹模及壓邊圈模型如圖2、圖3所示。

由于此零件是一個對稱件，為了節約時間，板料選擇一半面積即可完成分析，如圖4所示，灰色部分即為一半面積板料。

圖2 汽車內蓋板覆蓋件凹模模型

圖3 汽車內蓋板覆蓋件凸模及壓邊圈模型

圖4 汽車內蓋板覆蓋件板料模型

1.2 材料的本構方程

材料的成形過程是一個溫度不斷變化的過程。溫度和應變率對于最終零件的成形性能的影響很大。模擬的采用高強度鋼22MnB5材料力學本構方程如下［3］：

式中，σ為材料應力；K為常數；ε為材料應變；˙ε為材料應變率；T為材料溫度；m為溫度相關系數；n為材料應變硬化指數；β為溫度對材料性能的影響因子。

熱金屬板材成形屬于熱力學成形過程。在這種情況下，為了描述金屬板料塑性成形過程需要隨溫度變化而變化的材料流動應力應變曲線［4］。將材料的流動應力應變曲線輸入到有限元成形分析軟件dynaform中，再對內蓋板覆蓋件的成形過程進行參數設置。

1.3 材料參數

熱沖壓材料使用高淬透性、高淬后強度的硼錳鋼22MnB5，板厚為1 mm。其材料化學成分主要包括C、Mn、Si、Al、Ti、B 元素，質量分數分別為0.22%、1.25%、0.25%、0.03%、0.035%、0.03%。

在熱沖壓期間，板材保持與凸凹模、壓邊圈的接觸，熱量從板材傳遞到工具。熱傳導對沖壓件的冷卻效果有重要影響，材料的熱膨脹對成形件的精確度有影響。為了建立起熱沖壓過程的模擬模型，需要確定不同溫度下材料的熱導率和熱膨脹系數，以上所需數據分別列于表1、表2中。

表1 不同溫度下的熱傳導系數

表2 不同溫度下的熱膨脹系數

1.4 成形過程

零件的沖壓類型采用單動拉延類型［5］，凹模在上，凸模在下。凸凹模之間距離為450 mm，凹模與壓邊圈距離為300 mm。凹模下行先與壓邊圈接觸將板料固定在中間完成壓邊，壓邊圈受到一個向上的反作用力，即為壓邊力。此時，凹模與壓邊圈將板料固定一同下行，板料通過與凸模接觸完成拉延。板料成形過程如圖5所示，圖中①為凹模，②為板料，③為壓邊圈，④為凸模。

圖5 板料成形過程圖

2 模擬結果分析

2.1 板料成形溫度場分析

圖6為熱沖壓成形前后板料的溫度變化圖。板料通過加熱后的初始溫度約為1 000℃，在成形過程中板料與凸凹模、壓邊圈之間皆產生接觸，必然產生熱量的傳遞。由于成形工藝中，先進行壓邊，壓邊圈必然與板料先接觸，通過熱傳導手段將壓邊部分的板料熱量傳遞給壓邊圈。而此時，非壓邊圈部分沒有與任何實體相接觸，熱量傳遞手段只有通過與空氣接觸的熱輻射。熱輻射傳遞熱量速率必然小于熱傳導，所以在成形完成時，壓邊部分的溫度必然低于非壓邊區。成形后，板料壓邊部分溫度已經降到500℃左右，而未壓邊部分溫度在800℃左右，高溫處甚至仍接近900℃。

圖6 熱沖壓成形前后板料的溫度變化圖

2.2 板料成形工藝優化

工藝優化前的板料沖壓后的成形極限情況如圖7所示。板料中出現深黑色區域，即為破裂區域。造成破裂的一個原因是此區域壓邊力較大，板料流動時受到較大阻力，流入較為困難。另一方面就是，此處的凹模圓角半徑過小造成直邊側壁部分的板料流入困難，引起破裂。

圖7 優化前的板料成形極限情況

通過優化模具結構，增大破裂區域的圓角半徑，同時增大成形時的壓邊力，從而消除破裂。經過工藝優化后的板料成形極限情況如圖8所示。

圖8 優化后的板料成形極限情況

3 結束語

本文建立了熱沖壓汽車內蓋板的熱力耦合模型，通過有限元手段模擬了成形過程中板料的溫度分布情況，并分析了造成各部分溫度差異的原因。通過優化成形工藝的手段消除熱沖壓成形中出現的產品破裂缺陷，從而獲得合格的熱沖壓產品。

熱沖壓成形作為一項先進的制造工藝技術已經引起企業、科研機構的廣泛關注。車身輕量化、低碳環保的觀念已經深入人心，通過熱沖壓技術制造質量輕、強度高的汽車零部件是實現這一目標的極佳途徑。對熱沖壓技術的不斷探索也將持續下去。

［1］馬 寧，申國哲.高強度鋼板熱沖壓材料性能研究及在車身設計中的應用［J］.機械工程學報，2011，4（8）：60-65.

［2］劉紅生，包 軍.高強鋼板熱沖壓成形熱力耦合數值模擬［J］.材料科學與工藝，2010，（4）：459-463.

［3］李肖科，劉 芳，陳澤中，等.高強度硼鋼板22MnB5的熱變形方程及其模擬應用［J］.塑性工程學報，2011，（6）：53-57.

［4］馬 寧，胡 平.高強度鋼板熱成形本構理論與實驗分析［J］.力學學報，2011，（3）：348-354.

［5］王秀鳳.板料成形CAE技術及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.