1、可淬火硼钢的热冲压数值模拟摘要：可淬火硼钢是一种应用于汽车零部件的新型超高强度钢，它既可以减少汽车的重量又能保持安全要求。根据力学和热物理性能的实验数据，可淬火钢在热冲压条件下的材料模型是成立的，热成型的整个热冲压工艺过程、弯曲件的淬火和回火都是通过BAQUS软件来完成的。结果表明，当压边力（力）减少时，热冲压件的回弹性增加；当冲头和模具之间的间隙增加或模具的半径增加时回弹性也增加。仿真结果和实验结果基本是一致的。关键词：可淬火硼钢；热-机械耦合；热冲压成形；数值模拟1 简介 随着汽车工业的发展，越来越多先进的高强度和超高强度钢用于生产汽车零件。这些钢或许可以减少汽车的重量，或提高汽车碰撞安全
2、性和降低气体排放。然而，在高强度和超高强度钢板的成形过程中经常会出现有这样的问题:冲压力太大、容易出现裂纹和复杂的零件难成型等。今天，一种新技术，使用可淬火钢板进行热冲压被视为克服上述困难 1 , 2的一个解决办法。这种技术已被世界上许多的汽车制造商所研究。在冲压前，这种刚的拉伸强度的钢片约600 MPa，组织为铁素体和珠光体。将钢板在加热炉中加热，温度保持在得到充分奥氏体的温度，然后在模具中热冲压成型。模具中配备冷却系统以确保钢板成型后通过淬火得到马氏体钢板。热冲压后的钢板拉伸强度可提高到250%的初始值，即超过1500 MPa。在可淬硬钢的热冲压工艺过程中会出现塑性变形、强降温和相变，即它
3、是一个完整的热力耦合过程。数值模拟是分析热力耦合过程的功能强大的工具。根据获取的力学和热物理性能试验数据，可淬火钢在热冲压条件下的材料模型是成立的。热成型的整个热冲压工艺过程、弯曲件的淬火和回火都是通过BAQUS软件来完成的。2 有限元模拟2.1材料模型 为了获得可淬火钢板在奥氏体相下成型并快速冷却条件的马氏体，应主要考虑温度对应力和应变之间关系的影响，诺顿霍夫定律被采用为本构方程 3 , 4。 其中，K是材料的坚实度，n是应变硬化，m是应变率，温度参数。这些参数将通过在Glee ble3800机械系统上进行热拉伸试验来确定。因为温度在650350之间时易出现贝氏体相变，因此，在热拉伸试验过程
4、中必须进行鼓风以抑制贝氏体转变。热冲压过程中温度的变化和相变，将导致材料的热容量，热传导系数和热膨胀系数发生变化。目前，可以测量热容量、传热系数和热膨胀系数的仪器的冷却速度达不到抑制发生相变的要求，除马氏体相变。因此采用以下方法进行这3个系数的确定，即任意温度的材料参数是此温度范围内所有相量和参数的线性组合。例如，材料在任何温度下的传热系数，可以用奥氏体和马氏体传热系数和它们在该温度下各自的体积来表示。它可以显示为如下方程：(T)= VAA(T)+VMM(T) (2)其中，马氏体体积VM可以用科斯丁-马伯格公式表达出来，奥氏体体积VA可以用方程（4）来计算。公式为：VM =1-exp(k(M
5、s -T) （3）VA1- VM （4）通过在测试仪中加热来获得奥氏体试样，而马氏体测试样通过淬火获得。分别测试马氏体和奥氏体样品在不同温度的传热系数，然后带入方程（2）得到材料在任何温度下的传热系数。热容量C、热膨胀系数可以用相同的方式确定。计算公式为方程（5）和（6）。C(T)= VACA(T)+VMCM(T) （5）(T)= VAA(T)+VMM(T) （6）2.2有限元模型图 1显示的是用来仿真的有限元模型。其中，试件的宽度为300mm；它的长度为410mm；材料的厚度为2.1mm；冲床深度90mm；法兰长度是80mm；模具半径分别采用10mm、8mm、5mm、6mm4个不同的值；凸、
6、凹模间隙（t）分别采用2.15mm、2.35mm、2.5、2.75mm 4个不同的值；板材的最初加热温度为900；冲压时间是1秒；淬火冷却时间10秒；因为温度自由度应用于模具的每个部件，整体元件pe4rt的四结点平面应力降低了。图2显示的是热冲压件。回弹角1和2通过方程（7）和（8）定义。3 试验和仿真结果3.1 热冲压结果将可淬火钢在加热炉中加热到奥氏体相，然后在配有水冷系统的冲压模具中冲压成型，再通过淬火得到马氏体。热冲压后材料的抗拉强度比冲压前提高了2.5倍，达到约1500 MPa；回弹角大大降低，从8下降到小于2。图3和图4显示的是高强度钢板在室温和高温下的冲压件图。3.2热冲压过程模
7、拟对热成型、淬火和回弹过程进行模拟，其中单位压边力3MPa，冲头半径为5mm；模具半径为10mm；凸、凹模间隙是2.35mm。仿真结果为如图5-7。从图5、6、7可以看出，热成型结束时只有部分侧壁温度达到淬火条件，其他部分温度都在马氏体温度以上，即没有发生淬火。经过10秒钟的保压淬火处理后，所有部分温度都保持在约200，即淬火完成。在回弹阶段，由于短时间，元件的温度变化不大。通过力学性能测试和金相分析，马氏体相变产生于每一个弯曲的部分。这表明，这种材料和有限元模型可以反映整个热冲压工艺过程的温度和组织变化。3.3有限元仿真结果 分别对冲压半径（反相）为5毫米，模半径为10毫米，凸、凹模间隙（t
8、）为2.35mm，单位压边力为1、1.5、2、2.5、3MPa的热冲压工艺过程进行仿真模拟。图8显示的是仿真和试验的回弹结果。可以看出，在变化的压边力的影响下，模拟结果与试验结果的变化趋势是完全相同的。仿真和实验过程中的回弹角1和2，只有很小的差别。因此，这种材料模型和有限元模型是成立的，它完全能够准确地描述整个热冲压过程。而且还可以发现回弹角1和2随着压边力的增加而减小。当单位单边压力达到3.5MPa时，每个回弹角都降到最小值。但是，不断增加压边力可能造成材料发生太大的塑性变形，导致在冲头半径处发生断裂，所以压边力也不能太大。 分别对于凸、凹模间隙（吨）为2.15、2.35、2.5、2.75
9、mm；冲压半径（反相）5mm；模具半径为10mm；单位压边力为3MPa的热冲压过程进行模拟。仿真结果如图9所示。从图中可以看出，回弹角随增加冲床和模具之间间隙的增加而增加；间隙越小，热冲压成形过程中法兰和直壁件产生的塑性应变越大。这种塑性应变能够有效地较少弹性应变的影响，因此，卸载后的回弹值降低；此外，温度下降越快，各部分的温差就越小，在凸、凹模间隙较小和金属板料与模具之间的距离越近的情况下，回弹性也越小。 分别对模具半径选为5 、6 、 8和10mm；凸、凹模间隙（t）为2.35mm；冲床半径为5mm和单位压边力3MPa的热冲压过程进行模拟。仿真结果如图10所示。从图中可以看出，回弹角随着模
10、具半径的增加而增加。在弯角固定的情况下，模具半径越小，在模具半径处产生的塑性变形越小，回弹角也越小。 4 总结 为分析可淬火硼钢热冲压工艺参数的影响，发明了一个新的实验装置，它实现对整个热冲压过程的分析，包括弯曲，淬火和回弹。 根据实验数据，可淬火钢的材料模型在热冲压过程是成立的。对弯曲部分的热成型、淬火和回弹的数值模拟应用ABA QUS软件来完成。从选用不同压边力的仿真结果和试验结果可以看出，材料模型和有限元模型是可靠的。 研究热冲压工艺参数对热冲压件回弹性的结果显示：热冲压件的回弹性随着压边力的减少而增大。当冲床和模具之间的空隙增大，或当模具的半径增加时冲压件的回弹性也增大。仿真结果和实验结果基本上一致的。
