22mnb5高強鋼板溝槽形件熱沖壓成形數(shù)值模擬

22mnb5高強鋼板溝槽形件熱沖壓成形數(shù)值模擬

提高汽車安全性能和減少汽車油耗一直是汽車制造部門追求的目標(biāo)。由于高鋼比超過800mp，用高鋼制造汽車零件不僅可以有效降低汽車質(zhì)量，減少汽車油耗，而且可以提高汽車安全性能。然而，高鋼比具有強度高、易冷形狀、低變形和低變形，這意味著板材的強度越高，形狀越大。為了提高高強度鋼板的形成性，減少回波量，延長模型的使用壽命，必須采用熱壓形成技術(shù)（也稱為模型強制冷卻法）形成強鋼，并在熱壓形成之前將板材加熱到高溫，使板材材料作為一個整體。研究了高鋼比妥的熱形成技術(shù)。例如，22nb5的r.neugebauf等人進(jìn)行了實驗，并研究了溫度和壓邊等工藝參數(shù)對熱形成的影響。m.merker等人試驗了抗熱劑的性能和力學(xué)，研究了材料流的阻力、溫度和變形速度對材料流動的影響，但未給出抗熱劑材料模型。對于壓裂后的回波，試驗表明當(dāng)形成溫度大于750時，回波量是小的。高強鋼板熱沖壓成形是非等溫成形技術(shù),熱成形中板料與模具的接觸使板料溫度迅速降低,溫度場的變化會進(jìn)一步改變金屬的塑性,使金屬的流動應(yīng)力發(fā)生變化,同時,塑性成形過程中一部分變形能及部分摩擦功傳遞給變形體,作為一種內(nèi)部熱源使變形體溫度升高,在熱效應(yīng)的作用下,變形體的溫度場發(fā)生顯著變化,稱這種熱和力的相互影響和相互作用為熱力耦合.高強鋼板熱沖壓成形過程極為復(fù)雜,僅通過試驗并不能從本質(zhì)上認(rèn)識熱沖壓成形.為此,本文采用ABAQUS軟件對溝槽形件熱沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬,給出熱成形中溫度分布和應(yīng)力分布,分析熱成形中出現(xiàn)回彈的原因,為優(yōu)化工藝參數(shù)奠定基礎(chǔ).1模型的構(gòu)建1.1材料模型的建立本文以汽車工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的22MnB5高強鋼板為研究對象,采用Gleeble熱模擬試驗機對其進(jìn)行拉伸試驗,確定板材熱變形時流動應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度的關(guān)系,建立板材熱變形的材料模型.應(yīng)變速率和溫度對流動應(yīng)力的影響分別見圖1和圖2.對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,采用Norton-Hoff公式描述材料模型,σ=14.71ε0.467ε˙0.1424exp(3411.4T).(1)σ=14.71ε0.467ε˙0.1424exp(3411.4Τ).(1)1.2元模型的構(gòu)建采用ABAQUS前處理模塊對溝槽形件熱沖壓成形模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其有限元模型見圖3,網(wǎng)格類型為CPE4RT(應(yīng)變熱力耦合網(wǎng)格).2在熱物理參數(shù)的確定和熱耦合效應(yīng)的有限分析中2.1熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱與溫度的關(guān)系材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱是影響熱成形的重要熱物性參數(shù),須確定不同溫度下的各參數(shù)值.為此,分別采用激光散射法和差式掃描量熱法測量材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱,得到熱傳導(dǎo)系數(shù)(λ)和比熱(cp)與溫度(θ)的關(guān)系見圖4和圖5.2.2機理分析步和模具參數(shù)熱沖壓成形數(shù)值模擬需對變形和熱傳導(dǎo)進(jìn)行交替分析,實現(xiàn)熱力耦合問題的數(shù)值分析.熱沖壓成形數(shù)值分析過程分4步:加載(0～0.0001s)、熱成形(0.0001～1.0s)、保壓(1.0～7.0s)和脫模(7.0～28.0s).各分析步均可看做是熱力耦合過程.由于脫模時會產(chǎn)生動態(tài)效應(yīng),采用動力顯式算法難以準(zhǔn)確預(yù)測回彈量,為避免脫模的動態(tài)效應(yīng)對回彈模擬精度的影響,采用極小的脫模速度消除動態(tài)效應(yīng)的產(chǎn)生,從而提高回彈的模擬精度.在上述4個分析步中,凸模位移與時間的關(guān)系曲線如圖6所示.工件上節(jié)點位移為uw,工件的溫度分布為Tw,模具的溫度分布為TD.假定在時刻ti,已獲得uwiiw,Twiiw和TDiiD的收斂解,可通過如圖7所示的步驟求得ti+1時刻的節(jié)點速度和溫度分布.3凹模圓角處的熱效應(yīng)工藝參數(shù):板材厚度為2.0mm,沖壓速度為2m/s,成形溫度900℃,摩擦系數(shù)0.19.壓邊力分別為1.5,2.0,2.5,3.0MPa和3.5MPa.模具間隙分別為2.05,2.1,2.3,2.5,2.8mm和3.0mm.凹模圓角半徑分別為5.0、6.0、8.0、10.0mm.對溝槽形件而言,成形后法蘭與直壁夾角的變化(回彈)是影響成形件精度的主要原因.模具間隙為2.3mm和凹模圓角半徑為6.0mm時,不同壓邊力下的回彈見圖8.從圖8可以看出,壓邊力越大越有助于板材與模具更好地貼模,使成形件在卸載后回彈減小;但壓邊力過大時,材料的抗拉強度低于板材與模具間的摩擦力,成形時板料易被拉斷,如圖8(c)所示.從圖8(a)可看出,熱成形后法蘭與直壁的夾角θ變小,回彈角的定義為Δθ=θ-90°.模具間隙為2.3時,模具溫度為30℃,不同凹模圓角半徑下壓邊力對回彈量的影響見圖9.從圖9可以看出,凹模圓角半徑一定時,隨壓邊力增大,回彈角減小.壓邊力一定時,隨凹模圓角半徑減小,回彈角也減小,但凹模圓角過小,坯料易在凹模圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中,使材料發(fā)生頸縮.圖10為凹模圓角處材料的溫度分布,可以看出,與凹模接觸的下表面溫度較低,上表面溫度較高.直壁的內(nèi)表面溫度較低,而外表面溫度較高.由于凹模圓角處坯料下表面與凹模接觸良好,冷卻速度比上表面材料冷卻速度快,下表面收縮速度更快,這是熱沖壓成形中產(chǎn)生回彈的主要原因,且回彈角Δθ<0.而冷成形中的回彈主要是由于成形后卸載過程中變形區(qū)的彈性變形完全消失而產(chǎn)生的.冷成形中凹模圓角處的彎曲變形區(qū)在加載過程中其內(nèi)外層的應(yīng)力與應(yīng)變的性質(zhì)相反,卸載時這兩部分彈性變形的方向相反,從而產(chǎn)生回彈,且使得回彈角Δθ>0.冷成形中凹模圓角處材料加載與卸載過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖11所示.圖中折線OAB表示加載過程,線段BC表示卸載過程.εep為卸載前的總應(yīng)變值,εp為卸載后的殘余應(yīng)變值,εe為卸載過中消失的彈性應(yīng)變值,正是εe的消失造成了冷成中的回彈.由于在凹模圓角處材料上下表面的冷卻速度不均造成了上表面受到σ11>0,下表受到σ11<0,見圖12(a).同理,由于模具間隙的存在,溝槽形件直壁內(nèi)表面與模具接觸良好,冷卻速度比外表面快,使直壁內(nèi)表面受到σ22<0,外表面受到σ22>0,見圖12(b).因此,在凹模圓角處,材料受到σ12>0,如圖12(c)所示.由于板坯受到上述內(nèi)應(yīng)力作用而產(chǎn)生彈性應(yīng)變,脫模后釋放了部分彈性應(yīng)變,從而產(chǎn)生回彈.因此,熱效應(yīng)是引起回彈的主要原因.模具溫度對凹模圓角處材料的冷卻速度有很大影響,因此,模具溫度與回彈量存在一定的關(guān)系.壓邊力為2.5MPa,凹模圓角半徑為8.0mm,通過模擬獲得不同模具溫度下的回彈量,如圖13所示.從圖13可知,模具溫度對回彈有重要影響,模具溫度越高,回彈量越小,但當(dāng)模具溫度超過某值時,模具溫度對回彈的影響不大.在溝槽形件熱成形時,由于存在模具間隙,使溝槽形件直壁冷卻速度不高,馬氏體組織轉(zhuǎn)變不充分,直壁的抗拉強度受到影響.圖14為不同模具間隙下溝槽形件直壁溫度隨成形時間的變化.不同模具間隙下直壁冷卻速度見表1.從表1可知,隨模具間隙的增加,直壁的冷卻速度減小.但間隙越小,模具越容易被劃傷.為此,在保證足夠高的冷卻速度條件下,為延長模具使用壽命,盡量使間隙值稍大些,合理的間隙值選為2.3mm.為驗證所建立的有限元模型和材料模型的正確性,壓邊力設(shè)定為3.5MPa,模具間隙設(shè)定為2.3mm,凹模圓角為5mm,其他參數(shù)如上所述,進(jìn)行溝槽形件熱沖壓成形,成形件的回彈角為-0.1°,如圖15(a)所示,圖15(b)為模擬結(jié)果,回彈角為-0.03°.綜上可知,壓邊力、模具溫度和凹模圓角半徑是影響回彈的主要因素.壓邊力越大,溝槽形件法蘭處所受到的摩擦力越大,使凹模圓角處材料變形區(qū)中受壓應(yīng)力的區(qū)域變小,而受拉應(yīng)力的區(qū)域變大,即變形區(qū)的應(yīng)變趨于一致,從而減小了回彈量.而模具溫度越低,凹模圓角處材料上下表面的冷卻速度差越大,下表面的收縮量比上表面的收縮量大,使得回彈量增加.凹模圓角半徑越大,相對彎曲半徑越大,使得彈性變形所占總應(yīng)變的比例增加,因此,回彈隨凹模圓角半徑增大而增大.4壓邊力和凹模圓角半徑對熱成形的影響1)試驗結(jié)果驗證了所建立的有限元模型和材料模型的準(zhǔn)確性,說明所建立的熱力耦合數(shù)值模型是可靠的.2)熱效應(yīng)是熱成形中產(chǎn)生回彈的主要原