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可淬火硼鋼的熱沖壓數(shù)值模擬
摘要：可淬火硼鋼是一種應(yīng)用于汽車零部件的新型超高強(qiáng)度鋼，它既可以減少汽車的重量又能保持安全要求。根據(jù)力學(xué)和熱物理性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可淬火鋼在熱沖壓條件下的材料模型是成立的，熱成型的整個(gè)熱沖壓工藝過(guò)程、彎曲件的淬火和回火都是通過(guò)BAQUS軟件來(lái)完成的。結(jié)果表明，當(dāng)壓邊力（力）減少時(shí)，熱沖壓件的回彈性增加；當(dāng)沖頭和模具之間的間隙增加或模具的半徑增加時(shí)回彈性也增加。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本是一致的。
關(guān)鍵詞：可淬火硼鋼；熱-機(jī)械耦合；熱沖壓成形；數(shù)值模擬
1 簡(jiǎn)介
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多先進(jìn)的高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼用于生產(chǎn)汽車零件。這些鋼或許可以減少汽車的重量，或提高汽車碰撞安全性和降低氣體排放。然而，在高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板的成形過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)有這樣的問(wèn)題:沖壓力太大、容易出現(xiàn)裂紋和復(fù)雜的零件難成型等。今天，一種新技術(shù)，使用可淬火鋼板進(jìn)行熱沖壓被視為克服上述困難[ 1 , 2]的一個(gè)解決辦法。這種技術(shù)已被世界上許多的汽車制造商所研究。在沖壓前，這種剛的拉伸強(qiáng)度的鋼片約600 MPa，組織為鐵素體和珠光體。將鋼板在加熱爐中加熱，溫度保持在得到充分奧氏體的溫度，然后在模具中熱沖壓成型。模具中配備冷卻系統(tǒng)以確保鋼板成型后通過(guò)淬火得到馬氏體鋼板。熱沖壓后的鋼板拉伸強(qiáng)度可提高到250%的初始值，即超過(guò)1500 MPa。在可淬硬鋼的熱沖壓工藝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)塑性變形、強(qiáng)降溫和相變，即它是一個(gè)完整的熱力耦合過(guò)程。數(shù)值模擬是分析熱力耦合過(guò)程的功能強(qiáng)大的工具。根據(jù)獲取的力學(xué)和熱物理性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可淬火鋼在熱沖壓條件下的材料模型是成立的。熱成型的整個(gè)熱沖壓工藝過(guò)程、彎曲件的淬火和回火都是通過(guò)BAQUS軟件來(lái)完成的。
2 有限元模擬
2.1材料模型
為了獲得可淬火鋼板在奧氏體相下成型并快速冷卻條件的馬氏體，應(yīng)主要考慮溫度對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系的影響，諾頓－霍夫定律被采用為本構(gòu)方程[ 3 , 4]。
其中，K是材料的堅(jiān)實(shí)度，n是應(yīng)變硬化，m是應(yīng)變率，β溫度參數(shù)。這些參數(shù)將通過(guò)在Glee ble3800機(jī)械系統(tǒng)上進(jìn)行熱拉伸試驗(yàn)來(lái)確定。因?yàn)闇囟仍?50℃～350℃之間時(shí)易出現(xiàn)貝氏體相變，因此，在熱拉伸試驗(yàn)過(guò)程中必須進(jìn)行鼓風(fēng)以抑制貝氏體轉(zhuǎn)變。
熱沖壓過(guò)程中溫度的變化和相變，將導(dǎo)致材料的熱容量，熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化。目前，可以測(cè)量熱容量、傳熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的儀器的冷卻速度達(dá)不到抑制發(fā)生相變的要求，除馬氏體相變。因此采用以下方法進(jìn)行這3個(gè)系數(shù)的確定，即任意溫度的材料參數(shù)是此溫度范圍內(nèi)所有相量和參數(shù)的線性組合。例如，材料在任何溫度下的傳熱系數(shù)λ，可以用奧氏體和馬氏體傳熱系數(shù)和它們?cè)谠摐囟认赂髯缘捏w積來(lái)表示。它可以顯示為如下方程：
λ(T)= VAλA(T)+VMλM(T) (2)
其中，馬氏體體積VM可以用科斯丁-馬伯格公式表達(dá)出來(lái)，奧氏體體積VA可以用方程（4）來(lái)計(jì)算。公式為：
VM =1-exp(k(M s -T)) （3）
VA＝1- VM （4）
通過(guò)在測(cè)試儀中加熱來(lái)獲得奧氏體試樣，而馬氏體測(cè)試樣通過(guò)淬火獲得。分別測(cè)試馬氏體和奧氏體樣品在不同溫度的傳熱系數(shù)，然后帶入方程（2）得到材料在任何溫度下的傳熱系數(shù)。熱容量C、熱膨脹系數(shù)α可以用相同的方式確定。計(jì)算公式為方程（5）和（6）。
C(T)= VACA(T)+VMCM(T) （5）
α(T)= VAαA(T)+VMαM(T) （6）
2.2有限元模型
圖 1顯示的是用來(lái)仿真的有限元模型。其中，試件的寬度為300mm；它的長(zhǎng)度為410mm；材料的厚度為2.1mm；沖床深度90mm；法蘭長(zhǎng)度是80mm；模具半徑分別采用10mm、8mm、5mm、6mm4個(gè)不同的值；凸、凹模間隙（△t）分別采用2.15mm、2.35mm、2.5、2.75mm 4個(gè)不同的值；板材的最初加熱溫度為900℃；沖壓時(shí)間是1秒；淬火冷卻時(shí)間10秒；因?yàn)闇囟茸杂啥葢?yīng)用于模具的每個(gè)部件，整體元件pe4rt的四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)力降低了。圖2顯示的是熱沖壓件?；貜椊恰鳓?和△θ2通過(guò)方程（7）和（8）定義。
3 試驗(yàn)和仿真結(jié)果
3.1 熱沖壓結(jié)果
將可淬火鋼在加熱爐中加熱到奧氏體相，然后在配有水冷系統(tǒng)的沖壓模具中沖壓成型，再通過(guò)淬火得到馬氏體。熱沖壓后材料的抗拉強(qiáng)度比沖壓前提高了2.5倍，達(dá)到約1500 MPa；回彈角大大降低，從8°下降到小于2°。圖3和圖4顯示的是高強(qiáng)度鋼板在室溫和高溫下的沖壓件圖。
3.2熱沖壓過(guò)程模擬
對(duì)熱成型、淬火和回彈過(guò)程進(jìn)行模擬，其中單位壓邊力3MPa，沖頭半徑為5mm；模具半徑為10mm；凸、凹模間隙是2.35mm。仿真結(jié)果為如圖5-7。
從圖5、6、7可以看出，熱成型結(jié)束時(shí)只有部分側(cè)壁溫度達(dá)到淬火條件，其他部分溫度都在馬氏體溫度以上，即沒(méi)有發(fā)生淬火。經(jīng)過(guò)10秒鐘的保壓淬火處理后，所有部分溫度都保持在約200℃，即淬火完成。在回彈階段，由于短時(shí)間，元件的溫度變化不大。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試和金相分析，馬氏體相變產(chǎn)生于每一個(gè)彎曲的部分。這表明，這種材料和有限元模型可以反映整個(gè)熱沖壓工藝過(guò)程的溫度和組織變化。
3.3有限元仿真結(jié)果
分別對(duì)沖壓半徑（反相）為5毫米，模半徑為10毫米，凸、凹模間隙（△t）為2.35mm，單位壓邊力為1、1.5、2、2.5、3MPa的熱沖壓工藝過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。圖8顯示的是仿真和試驗(yàn)的回彈結(jié)果?？梢钥闯?，在變化的壓邊力的影響下，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)是完全相同的。仿真和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的回彈角△θ1和△θ2，只有很小的差別。因此，這種材料模型和有限元模型是成立的，它完全能夠準(zhǔn)確地描述整個(gè)熱沖壓過(guò)程。而且還可以發(fā)現(xiàn)回彈角△θ1和△θ2隨著壓邊力的增加而減小。當(dāng)單位單邊壓力達(dá)到3.5MPa時(shí)，每個(gè)回彈角都降到最小值。但是，不斷增加壓邊力可能造成材料發(fā)生太大的塑性變形，導(dǎo)致在沖頭半徑處發(fā)生斷裂，所以壓邊力也不能太大。
分別對(duì)于凸、凹模間隙（△噸）為2.15、2.35、2.5、2.75mm；沖壓半徑（反相）5mm；模具半徑為10mm；單位壓邊力為3MPa的熱沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬。仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，回彈角隨增加沖床和模具之間間隙的增加而增加；間隙越小，熱沖壓成形過(guò)程中法蘭和直壁件產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?cè)酱蟆＿@種塑性應(yīng)變能夠有效地較少?gòu)椥詰?yīng)變的影響，因此，卸載后的回彈值降低；此外，溫度下降越快，各部分的溫差就越小，在凸、凹模間隙較小和金屬板料與模具之間的距離越近的情況下，回彈性也越小。
分別對(duì)模具半徑選為5 、6 、 8和10mm；凸、凹模間隙（△t）為2.35mm；沖床半徑為5mm和單位壓邊力3MPa的熱沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬。仿真結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，回彈角隨著模具半徑的增加而增加。在彎角固定的情況下，模具半徑越小，在模具半徑處產(chǎn)生的塑性變形越小，回彈角也越小。
4 總結(jié)
為分析可淬火硼鋼熱沖壓工藝參數(shù)的影響，發(fā)明了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)裝置，它實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)熱沖壓過(guò)程的分析，包括彎曲，淬火和回彈。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可淬火鋼的材料模型在熱沖壓過(guò)程是成立的。對(duì)彎曲部分的熱成型、淬火和回彈的數(shù)值模擬應(yīng)用ABA QUS軟件來(lái)完成。從選用不同壓邊力的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，材料模型和有限元模型是可靠的。
研究熱沖壓工藝參數(shù)對(duì)熱沖壓件回彈性的結(jié)果顯示：熱沖壓件的回彈性隨著壓邊力的減少而增大。當(dāng)沖床和模具之間的空隙增大，或當(dāng)模具的半徑增加時(shí)沖壓件的回彈性也增大。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上一致的。