基于AUTOFORM模擬的頂蓋前邊梁加強板熱沖壓工藝

朱帥，孫福臻，張泉達，賈瑞鵬

（先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京 100044）

當今汽車輕量化依然是眾多車企共同追求的目標，在保證汽車安全性的前提下，研究超高強度鋼板熱成形技術以降低車重是目前解決輕量化的有效方法之一[1]。目前國內熱成形技術也成為車企關注的重要方向，高強鋼熱成形零件已成為汽車競爭的重要手段，穩定高效的熱成形工藝技術成為生產線建設的重中之重。頂蓋前邊梁加強板作為重要的承力件，傳統冷沖壓工藝生產的零件強度較差，在車輛發生翻滾時，不能對人員進行有效保護，所以文中對頂蓋前邊梁加強板進行熱成形工藝研究，有效提高零件的強度，為該零件生產工藝提供理論基礎[2]。

1 熱成形工藝

超高強度鋼板熱沖壓工藝是將超高強度鋼板加熱到奧氏體化溫度以上，適當保溫后，快速移動到模具上并快速沖壓，成形的同時進行淬火冷卻，最后獲得超高強度熱沖壓件的一種成形工藝[3]。

圖1 熱沖壓生產工藝路線及量產線Fig.1 Hot stamping production process route and mass production line

2 有限元分析

2.1 模型搭建

圖2是某汽車頂蓋前邊梁加強板，零件整體尺寸為1781 mm×575 mm×275 mm，零件整體結構細長，并且兩端不規則，局部拔模角度較小。該零件厚度為1.2 mm，材質選用HS1300T/950Y進行沖壓數值模擬，HS1300T/950Y高強板的密度為7370 kg/m3，膨脹系數為 1.3×10?5K?1，彈性模量為 105 GPa，泊松比為0.3，體積熱容為 4.37 mJ/(mm3·K)，20 ℃下的熱傳導系數為 20 W/(m2·K)，950 ℃下的熱傳導系數為75 W/(m2·K)，庫倫摩擦因數為 0.35，抗拉強度為666 MPa，伸長率為19%。

圖2 頂蓋前邊梁加強板Fig.2 Top cover front side beam strengthening plate

在UG中對該零件進行工藝模面補充，通過IGS格式導入軟件，并應用軟件默認尺寸精度對產品和工藝模面進行自適應網格劃分[4]，如圖3所示。

2.2 有限元模擬實施路線

圖3 零件工藝補充和有限元網格劃分Fig.3 Part process supplementation and finite element meshing

通過分析，該零件成形所需工藝路線為：板料加熱（加熱溫度超過亞共析鋼奧氏體化臨界溫度以上，使其充分奧氏體化[5]）、零件成形（定義模具工具體及其運動方式）、淬火（均勻快速冷卻使奧氏體轉變為均勻板條狀馬氏體）、激光切割落料（由于淬火后零件硬度較高只能通過激光切割實現產品最終結構）。圖4為工藝模擬實施路線。

該零件模擬分析中對沖壓速度分別設置為 50，100，150，200，250 mm/s，研究沖壓速度對成形的影響，根據初始成形溫度對熱沖壓件力學性能的研究表明，板料初始成形溫度為750～850 ℃時，鋼板的抗拉強度和硬度會明顯提高[6]，所以設置鋼板加熱溫度為900～930 ℃，板料轉移時間設置為3 s[7]；分別設置保壓力為 500，800，1000，1500 kN，研究壓力對冷卻速率的影響，由于冷卻時需要保證馬氏體轉變初始溫度（大約200 ℃），所以設置板料最終溫度為85 ℃。

2.3 有限元模擬過程和成形結果分析

模型采用單動模具拉延類型，沖壓過程中凸模、凹模設置為剛體，板料為三維可變形實體[8]，通過反算功能計算零件展開初始板料尺寸，并將單邊擴大5 mm作為料片尺寸。圖5所示為沖壓開始階段各個工具體的位置狀態，由于加熱后板料較軟，凸模的最高點與最低點落差較大，所以板料轉移至凸模時會產生位置偏移和傾斜，需要在凸模的4個方向增加板料定位約束，如圖5所示。

圖4 有限元模擬工藝路線Fig.4 Process route of finite element simulation

圖5 沖壓初始階段Fig.5 Initial stage of stamping

頂蓋前邊梁加強板較窄側位于零件最低點，并且存在輕微轉角，所以零件在到底前10 mm時出現劇烈褶皺，如圖6所示；并在到底前3 mm出現疊料，如圖7所示。該結果是因為最低點翻折成形時與旁邊臺階出現疊料，所以需要對此處模面優化的同時增加壓邊圈，用來拖料，控制材料的流動[9]。

圖6 到底前10 mm板料褶皺Fig.6 The last 10 mm sheet folds

圖7 到底前3 mm疊料Fig.7 The last 3 mm stack

因為板料尺寸較小，增加壓邊圈后起不到拖料的作用，所以需要相應的增大板料尺寸，如圖8所示，壓邊圈通過間隙調節，設置壓邊圈與凹模的間隙為1.0～1.1倍料厚[10]，取值 1.26 mm，控制較窄處板料流動，使板料均勻流出，從而解決疊料問題。

圖8 板料線前后對比Fig.8 Sheet line comparison

增加壓邊圈后疊料起皺問題得以解決，零件成形過程如圖9所示，分別為板料重力狀態（便于板料定位設計）、凸模接觸板料、到底前30 mm狀態、到底前10 mm狀態、到底前3 mm狀態（無明顯起皺[11]）、到底狀態（無開裂現象）。

優化數值模擬結果顯示，頂蓋前邊梁加強板成形性良好，其厚度和減薄分布如圖10—11所示，厚度分布集中在1.18～1.21 mm附近，減薄最大不超過5%，厚度整體分布均勻[12]。

由于增加了壓邊圈拖料，所以加熱后的板料轉移到壓邊圈上時，與壓邊圈接觸的板料最先進行熱傳導，當壓機速度為200 mm/s時，凹模下降到與壓邊圈接觸需要1.6 s左右，接觸壓邊圈的板料溫度冷卻較早，比未接觸壓邊圈的板料溫度低100 ℃左右，如圖12所示；隨著凹凸模閉合，零件整體冷卻速率基本一致，當零件成形保壓淬火階段結束時，零件溫度基本降到260 ℃左右，與壓邊圈接觸的位置板料溫度在140 ℃左右，如圖13所示。

零件的不均勻冷卻會導致馬氏體轉變不均勻，從而導致零件部分區域強度較低[13]，所以根據板料溫度變化規律，應當適當提高壓機快降速度，保證凹模與壓邊圈快速閉合，同時當板料放置在壓邊圈時可以降低壓邊圈上冷卻水流速，當成形淬火階段再提高冷卻水流速[14]，這樣就能保證零件整體冷卻的均勻性。

圖9 板料各個階段成形過程Fig.9 Forming diagram of each stage of sheet metal

圖10 厚度分布云圖(mm)Fig.10 Cloud map of thickness

圖11 減薄率分布云圖Fig.11 Cloud map of thinning rate

圖12 凹模與壓邊圈閉合時板料溫度分布(℃)Fig.12 Sheet temperature distribution when the die and blank holder are closed

圖13 成形淬火結束時板料溫度分布(℃)Fig.13 Sheet temperature distribution at the end of forming and quenching

成形仿真結果如圖14—16，成形后零件馬氏體轉變率平均達到 98%以上，抗拉強度平均不低于1400 MPa，維氏硬度平均不低于 HV475，模擬結果均滿足超高強鋼熱沖壓工藝的國家標準要求[15]。

圖14 成形后馬氏體分布(%)Fig.14 Martensite distribution after forming

圖15 成形后抗拉強度分布(MPa)Fig.15 Tensile strength distribution after forming

圖16 成形后維氏硬度分布(HV)Fig.16 Vickers hardness distribution after forming

結合仿真模擬工藝進行零件試制，模擬分析的目的是為了生產加工應用，通過模擬分析選擇最優生產工藝，才能為現場生產提供有力依據，零件最終試制結果如圖17所示。

圖17 頂蓋前邊梁加強板實物Fig.17 Physical drawing of top cover front side beam strengthening plate

3 結論

試驗表明，頂蓋前邊梁加強板熱成形工藝需要增加拖料體，以控制材料流動，并且需要對冷卻水流速度進行智能調節，才能保證冷卻的均勻性，提高零件的整體性能，分析表明經過該熱成形分析方法，可達到性能要求，并滿足批量化生產，為同類型零件熱成形分析提供了技術指導。