22MnB5超高強度鋼防撞梁的冷沖壓成形數值模擬

李 琦，紀沙沙，王章忠，呂學鵬

（1.南京星喬威泰克汽車零部件有限公司，江蘇 南京 211100；

2.南京工程學院，材料工程學院，江蘇 南京 211167）

隨著能源與環境保護問題的日益突出，汽車行業對節能減排提出了更高的要求，汽車的輕量化已成為低碳時代汽車技術的發展趨勢。目前，汽車輕量化主要通過以下三種途徑［1-3］：1.汽車結構的輕量化優化設計，如結構拓撲優化和多目標協同優化設計等；2.采用超高強度鋼以及高強度復合材料等；3.采用先進的輕量化制造工藝技術，如超高強度鋼熱成形和內高壓成形等制造技術等。其中，采用高強度及超高強度鋼制造汽車零部件是實現汽車輕量化的重要研究內容。

與普通鋼板相比，高強度鋼板具有更高的屈服應力和抗拉強度，但硬化指數、厚向異性系數及延伸率均較低，成形性能差，且回彈量大難以控制，容易破裂。尤其是強度達到1500MPa時，目前的冷成形工藝幾乎無法完成高強鋼構件的成形制造。為解決高強鋼成形難的問題，熱成形高強鋼應運而生。高強度鋼板熱成形技術是把特殊的硼合金鋼加熱使之奧氏體化，隨后將紅熱的板料送入有冷卻系統的模具內沖壓成形，同時被具有快速均勻冷卻系統的模具冷卻淬火，鋼板組織由奧氏體轉變成馬氏體，從而得到超高強度的鋼板的過程。

目前，工業化常用的熱成形工藝分為直接熱成形和間接熱成形兩類。直接熱成形是奧氏體化和成形同時進行，適用于形狀簡單、深度較淺的零部件。相比于直接熱成形，間接熱成形是將板材先經過沖壓預成形后再進行熱沖壓淬火，可用于復雜形狀零件的制造。間接熱成形具有技術要求簡單，熱沖壓過程中溫度更均勻，數值模擬簡單等優點，其使用范圍越來越廣［4］。間接熱成形中冷沖壓的質量直接決定零件合格率，因此超高強度鋼的冷沖壓成形工藝研究具有重要的實用價值。

采用有限元數值模擬分析對超高強度鋼冷成形工藝參數進行優化分析，不僅減少試模次數，從而大大縮短零件的開發周期，降低開發成本。基于以上背景，文章將利用Dynaform軟件對22MnB5超高強度鋼防撞梁進行冷沖壓過程的模擬，得到最佳的摩擦系數和壓邊力等工藝參數。

1 試驗材料及有限元數值模擬流程

試驗材料為2MnB5超高強度鋼，該鋼為最常用的熱成形馬氏體鋼，其屈服強度為400MPa，抗拉強度為520MPa。汽車防撞橫梁為汽車典型的安全組件，其成形過程包括以下四個階段，如圖1所示。

圖1 防撞梁冷沖壓成形過程

本試驗以防撞梁為例快速設置的回彈分析流程為：建立模型、導入模型、前處理設置參數、Full Run Dynay隱式算法計算和后處理。在前處理設置參數中，先對導入模具劃分網格，設置單元格的大小；劃分完網格后定義沖頭和凹模工具，設置材料的厚度、摩擦系數以及壓邊力；設置完可以通過拉延界面的預覽來觀察模具的運動情況是否正確。在后處理界面可以直觀看到板料沖壓成型過程演示動畫，并且通過后處理來分析零件不同部位的回彈量。通過 Dynaform中的劃線功能，在板料回彈前后的位置上各定義出一條直線，并測量出這兩條直線的夾角即可得到板料的回彈角，這種方法不僅提高了測量精度，還提高了測量效率。本實驗中根據選取回彈難易的部位選取了三個典型回彈角θ1、θ2和θ3來分別計算回彈量 η1、η2和 η3，如圖 2 所示。其中，回彈量 η=（r′-r）/r′，r為回彈前的彎曲半徑，r′為回彈后的彎曲半徑。

圖2 典型回彈角 θ1、θ2和 θ3

2 超高強度鋼冷沖壓 成形工藝過程模擬

通常在板料的沖壓成形中，卸載后的回彈往往是由材料本身的屬性以及加載環境的參數來決定的，文章選擇摩擦系數和壓邊力這兩個主要影響因素來分析22MnB5防撞梁的回彈情況。在冷沖壓成形過程中，板料與模具表面會發生摩擦現象，對材料的應力狀態具有較大的影響，進而影響其成形性和回彈情況。

當壓邊力為250kN時，不同摩擦系數對22MnB5防撞梁回彈量的影響如圖3所示。隨著摩擦系數的增大，防撞梁的回彈量η1、η2和η3均逐漸降低，其中回彈量η1的降低幅度最大。隨著摩擦系數從0.08增大到0.15，回彈量 η1、η2和 η3分別從 0.422、0.352、0.542 降低至 0.181、0.184、0.372，其降幅分別為 55.45%、47.72%和31.37%。

圖3 不同摩擦系數下防撞梁的回彈量

此外，從圖3中可看出，防撞梁的回彈量和摩擦系數近似成二次函數的關系，這是由于摩擦系數使變形過程某些局部區域的拉應力增大了，這樣一來零件的變形增大也帶來發生塑性變形的區域增大。當摩擦系數大于0.125后，防撞梁的回彈量雖然仍在降低，但其降幅明顯減小，因此考慮到工程應用價值和預防起皺開裂等因素，最佳摩擦系數應選取0.125。

不同摩擦系數下防撞梁的最大減薄率見圖4。從圖中可以看出，防撞梁的最大減薄率隨著摩擦系數的增大而逐漸增大。這是由于當摩擦系數增大，回彈量會隨著減小，導致原本發生彈性變形的區域發生了塑性變形，因此板料的最大減薄率增大。

圖4 不同摩擦系數下防撞梁的回彈量

當摩擦系數為0.125時，不同壓邊力對22MnB5防撞梁回彈量的影響如圖5所示。隨著壓邊力的增大，防撞梁的回彈量逐漸η1、η2和η3均逐漸減小，其中回彈量η2的降低幅度最大。隨著壓邊力從150kN增大到300kN，回彈量 η1、η2和 η3分別從 0.544、0.682、0.702降低至 0.154、0.174、0.350，其降幅分別為 71.69%、74.49%和50.14%。對比摩擦系數對回彈量的影響，可發現壓邊力的大小對控制防撞梁的回彈具有重要作用。

圖5 不同壓邊力對22MnB5防撞梁回彈量的影響

此外，從圖5中可看出，防撞梁的回彈量和壓邊力近似成反比例函數的關系。當壓邊力較大時，加載過程沖頭就會緊緊壓住板料的邊緣，使零件在成型過程中產生大量塑性變形與拉應力，沖頭卸載后由于大部分區域都已經發生塑性變形，即使有回彈也由于受到拉應力的作用而降低，因此極大地提高了工件的尺寸精度。在工件成行過程中，壓邊力對回彈的影響至關重要。由于壓邊力過大易造成冷成形工件的破裂，因此選取合適的壓邊力為250kN。

當摩擦系數為0.125，壓邊力為250kN時，對防撞梁的沖壓成形過程進行了數值模擬分析。防撞梁的壁厚分布如圖6所示。沖壓后防撞梁的減薄分布如圖7所示。對比圖6和圖7可以看出，防撞梁中減薄率較高的區域（圖7中圓圈區域）與其壁厚較薄的區域相對應，而且在棱角部位的減薄率較高。沖壓后防撞梁的第一應力分布圖見圖8。對比圖6可以觀察到，應力分布較大的區域減薄率也較大，減薄率較小的區域的變形程度要更高，這就可以推斷出由于受力較大的區域與其它中心部位受力不同，在加載過程中該區域由于承受較大應力已經發生塑性變形，但是板料的中心區域仍處于彈性變形階段，此時卸載后板料中心部位就會產生回彈。

圖6 防撞梁的壁厚分布

圖7 沖壓后防撞梁的減薄分布

圖8 沖壓后防撞梁的第一應力分布圖

3 結語

（1）隨著摩擦系數的增大，防撞梁的回彈量逐漸降低，且防撞梁的回彈量和摩擦系數近似成二次函數的關系。

（2）隨著壓邊力的增加，回彈量逐漸降低，且防撞梁的回彈量和壓邊力近似成反比例函數的關系。

（3）對防撞梁的沖壓成形過程進行了數值模擬分析，得到較好的工藝參數：摩擦系數為0.125，壓邊力為250kN。