高強鋼板熱力耦合沖壓成形數值模擬*

付澤民 熊偉杰 張鎖懷 趙志繁 張 詳

(上海應用技術大學機械工程學院，上海 201418)

熱沖壓成形技術是一種專門應用于高強度鋼板的沖壓成形技術,其將板料的成形與淬火同時進行。熱沖壓成形技術沖壓得到的零件強度高，被廣泛應用在汽車車身和其他汽車零配件上[1]。根據所需成形件的精度要求，可以將成形工藝分為兩類：(1)成形精度要求低成形難度低的工件可以采用直接成形法；(2)成形精度要求高直接成形難度高，很難直接成形的工件，所以采用間接成形法[2-3]。

通過研究熱力耦合對材料成形性能的影響，探討在沖壓成形過程中，如何協調控制模具中板料的初始成形溫度、成形速度和保壓時間等關鍵工藝參數的變化，確定優化方案，實現沖壓過程的精確控制，從而研究高強度鋼板熱沖壓成形工件的力學性能[4-5]；建立高強度鋼材料模型和熱成形全過程的熱力耦合模型；實現目標工件力學性能與安全性需求相匹配。

1 高強度板材熱沖壓成形模型建立

本文選取典型的U型工件作為研究對象，三維模型如圖1所示，從上到下依次為凸模、板料、凹模。

板料為BR1500HS高強鋼板。在熱沖壓成形中，板料的彈性模量和泊松比會隨著溫度的變化而變化。板料的溫度升高，彈性模量減小，泊松比增大，如圖2所示。材料在不同溫度下對應的應力應變曲線如圖3所示。工件為主要研究對象，凹模和凸模定義為剛體。導入圖4成形極限曲線作為判斷板料拉伸破裂標準。

2 高強度板材熱沖壓成形模擬結果分析

2.1 熱沖壓成形中不同成形溫度下的組織演變

設置不同的板料初始成形溫度750 ℃、770 ℃、800 ℃、850 ℃，模具溫度為20 ℃，保壓淬火時間15 s，對板料的熱沖壓成形進行仿真模擬，得到如圖5所示的工件不同初始成形溫度下的溫度場，如圖6所示的馬氏體組織分布。圖7為不同初始成形溫度下仿真結果圖上同一位置的馬氏體含量分布。

在熱沖壓成形中，板料的初始成形溫度會對成形后試樣中的馬氏體含量產生影響，如圖7所示。當初始成形溫度低于750 ℃時，工件中的馬氏體含量為72.5%。當初始成形溫度為770 ℃時，工件中馬氏體的含量大于98.3%。當初始成形溫度溫度為800 ℃時，工件中馬氏體的含量大于98.4%。當初始成形溫度為850 ℃時，工件中馬氏體含量大于98.4%，相較于800 ℃時變化不大，基本持平。

2.2 熱沖壓成形中不同成形速度下的組織演變

設置不同的板料沖壓成形速度，150 mm/s、75 mm/s、50 mm/s對板料的熱沖壓成形進行模擬。工件的溫度場如圖8所示，馬氏體的組織分布如圖9所示。

如圖9和圖10所示，沖壓速度由50 mm/s增加到75 mm/s時，馬氏體含量略微增加，增加速率比之后要高，沖壓速度75 mm/s之后，馬氏體含量基本保持不變，表明成形速度對工件的馬氏體含量影響較小。在成形過程中，成形速度越快，法蘭處與空氣進行熱傳遞的時間越短，在壓合后迅速與凸凹模緊密接觸，通過接觸傳熱，淬火速率較快，生成的馬氏體含量較高。

2.3 熱沖壓成形中不同保壓時間下的組織演變

設置不同的保壓時間6 s、10 s、12 s、14 s，分別對板料的熱沖壓成形進行模擬。工件的溫度場如圖11所示，工件中馬氏體組織的含量分布如圖12所示。

如圖13所示，隨著保壓時間的增加，工件中的馬氏體含量增多，保壓時間從6 s增加到10 s時，馬氏體含量的增加速率比之后要高，保壓時間10 s之后，馬氏體含量基本保持不變。如圖12所示，成形后工件法蘭處馬氏體含量最高，底部馬氏體含量最低。在成形過程中，法蘭處在壓合后與凸凹模緊密接觸，通過接觸傳熱，淬火速率較快，馬氏體含量較高。底部與空氣接觸，通過輻射散熱，淬火速度慢，馬氏體含量較少。側壁與空氣和模具分別進行熱傳遞，比底部傳遞快，法蘭處傳遞慢，馬氏體含量居中。

3 結語

本文以高強度板料BR1500HS為研究對象，利用有限元分析軟件對U型件熱沖壓成形進行有限元模擬，主要結論歸納如下：

(1)初始成形溫度高于770 ℃時，成形得到組織多為板條狀馬氏體，試樣的強度得到了極大的提高。成形溫度高于800 ℃時，工件馬氏體含量基本保持不變。

(2)當成形速度快時，因為合模時間短，試樣進行保壓淬火時的溫度較高，然后進行快速冷卻淬火，更容易得到馬氏體組織，對提升工件的強度有很大的作用。當成形速度高于75 mm/s后，工件中的馬氏體含量增加不明顯。

(3)當保壓時間延長時，試樣在模具中的淬火時間長，淬火更充分，更便于得到強度很高的馬氏體組織，在高強鋼板BR1500HS的熱沖壓成形中，保壓時間應保持10 s以上。