22mnb5高强钢板沟槽形件热冲压成形数值模拟

22mnb5高强钢板沟槽形件热冲压成形数值模拟

提高汽车安全性能和减少汽车油耗一直是汽车制造部门追求的目标。由于高钢比超过800mp，用高钢制造汽车零件不仅可以有效降低汽车质量，减少汽车油耗，而且可以提高汽车安全性能。然而，高钢比具有强度高、易冷形状、低变形和低变形，这意味着板材的强度越高，形状越大。为了提高高强度钢板的形成性，减少回波量，延长模型的使用寿命，必须采用热压形成技术（也称为模型强制冷却法）形成强钢，并在热压形成之前将板材加热到高温，使板材材料作为一个整体。研究了高钢比妥的热形成技术。例如，22nb5的r.neugebauf等人进行了实验，并研究了温度和压边等工艺参数对热形成的影响。m.merker等人试验了抗热剂的性能和力学，研究了材料流的阻力、温度和变形速度对材料流动的影响，但未给出抗热剂材料模型。对于压裂后的回波，试验表明当形成温度大于750时，回波量是小的。高强钢板热冲压成形是非等温成形技术,热成形中板料与模具的接触使板料温度迅速降低,温度场的变化会进一步改变金属的塑性,使金属的流动应力发生变化,同时,塑性成形过程中一部分变形能及部分摩擦功传递给变形体,作为一种内部热源使变形体温度升高,在热效应的作用下,变形体的温度场发生显著变化,称这种热和力的相互影响和相互作用为热力耦合.高强钢板热冲压成形过程极为复杂,仅通过试验并不能从本质上认识热冲压成形.为此,本文采用ABAQUS软件对沟槽形件热冲压成形进行数值模拟,给出热成形中温度分布和应力分布,分析热成形中出现回弹的原因,为优化工艺参数奠定基础.1模型的构建1.1材料模型的建立本文以汽车工程领域应用最广泛的22MnB5高强钢板为研究对象,采用Gleeble热模拟试验机对其进行拉伸试验,确定板材热变形时流动应力与应变、应变速率和温度的关系,建立板材热变形的材料模型.应变速率和温度对流动应力的影响分别见图1和图2.对试验数据进行拟合,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元模型的构建采用ABAQUS前处理模块对沟槽形件热冲压成形模型进行网格划分,其有限元模型见图3,网格类型为CPE4RT(应变热力耦合网格).2在热物理参数的确定和热耦合效应的有限分析中2.1热传导系数和比热与温度的关系材料的热传导系数和比热是影响热成形的重要热物性参数,须确定不同温度下的各参数值.为此,分别采用激光散射法和差式扫描量热法测量材料的热传导系数和比热,得到热传导系数(λ)和比热(cp)与温度(θ)的关系见图4和图5.2.2机理分析步和模具参数热冲压成形数值模拟需对变形和热传导进行交替分析,实现热力耦合问题的数值分析.热冲压成形数值分析过程分4步:加载(0～0.0001s)、热成形(0.0001～1.0s)、保压(1.0～7.0s)和脱模(7.0～28.0s).各分析步均可看做是热力耦合过程.由于脱模时会产生动态效应,采用动力显式算法难以准确预测回弹量,为避免脱模的动态效应对回弹模拟精度的影响,采用极小的脱模速度消除动态效应的产生,从而提高回弹的模拟精度.在上述4个分析步中,凸模位移与时间的关系曲线如图6所示.工件上节点位移为uw,工件的温度分布为Tw,模具的温度分布为TD.假定在时刻ti,已获得uwiiw,Twiiw和TDiiD的收敛解,可通过如图7所示的步骤求得ti+1时刻的节点速度和温度分布.3凹模圆角处的热效应工艺参数:板材厚度为2.0mm,冲压速度为2m/s,成形温度900℃,摩擦系数0.19.压边力分别为1.5,2.0,2.5,3.0MPa和3.5MPa.模具间隙分别为2.05,2.1,2.3,2.5,2.8mm和3.0mm.凹模圆角半径分别为5.0、6.0、8.0、10.0mm.对沟槽形件而言,成形后法兰与直壁夹角的变化(回弹)是影响成形件精度的主要原因.模具间隙为2.3mm和凹模圆角半径为6.0mm时,不同压边力下的回弹见图8.从图8可以看出,压边力越大越有助于板材与模具更好地贴模,使成形件在卸载后回弹减小;但压边力过大时,材料的抗拉强度低于板材与模具间的摩擦力,成形时板料易被拉断,如图8(c)所示.从图8(a)可看出,热成形后法兰与直壁的夹角θ变小,回弹角的定义为Δθ=θ-90°.模具间隙为2.3时,模具温度为30℃,不同凹模圆角半径下压边力对回弹量的影响见图9.从图9可以看出,凹模圆角半径一定时,随压边力增大,回弹角减小.压边力一定时,随凹模圆角半径减小,回弹角也减小,但凹模圆角过小,坯料易在凹模圆角处产生应力集中,使材料发生颈缩.图10为凹模圆角处材料的温度分布,可以看出,与凹模接触的下表面温度较低,上表面温度较高.直壁的内表面温度较低,而外表面温度较高.由于凹模圆角处坯料下表面与凹模接触良好,冷却速度比上表面材料冷却速度快,下表面收缩速度更快,这是热冲压成形中产生回弹的主要原因,且回弹角Δθ<0.而冷成形中的回弹主要是由于成形后卸载过程中变形区的弹性变形完全消失而产生的.冷成形中凹模圆角处的弯曲变形区在加载过程中其内外层的应力与应变的性质相反,卸载时这两部分弹性变形的方向相反,从而产生回弹,且使得回弹角Δθ>0.冷成形中凹模圆角处材料加载与卸载过程中的应力应变关系如图11所示.图中折线OAB表示加载过程,线段BC表示卸载过程.εep为卸载前的总应变值,εp为卸载后的残余应变值,εe为卸载过中消失的弹性应变值,正是εe的消失造成了冷成中的回弹.由于在凹模圆角处材料上下表面的冷却速度不均造成了上表面受到σ11>0,下表受到σ11<0,见图12(a).同理,由于模具间隙的存在,沟槽形件直壁内表面与模具接触良好,冷却速度比外表面快,使直壁内表面受到σ22<0,外表面受到σ22>0,见图12(b).因此,在凹模圆角处,材料受到σ12>0,如图12(c)所示.由于板坯受到上述内应力作用而产生弹性应变,脱模后释放了部分弹性应变,从而产生回弹.因此,热效应是引起回弹的主要原因.模具温度对凹模圆角处材料的冷却速度有很大影响,因此,模具温度与回弹量存在一定的关系.压边力为2.5MPa,凹模圆角半径为8.0mm,通过模拟获得不同模具温度下的回弹量,如图13所示.从图13可知,模具温度对回弹有重要影响,模具温度越高,回弹量越小,但当模具温度超过某值时,模具温度对回弹的影响不大.在沟槽形件热成形时,由于存在模具间隙,使沟槽形件直壁冷却速度不高,马氏体组织转变不充分,直壁的抗拉强度受到影响.图14为不同模具间隙下沟槽形件直壁温度随成形时间的变化.不同模具间隙下直壁冷却速度见表1.从表1可知,随模具间隙的增加,直壁的冷却速度减小.但间隙越小,模具越容易被划伤.为此,在保证足够高的冷却速度条件下,为延长模具使用寿命,尽量使间隙值稍大些,合理的间隙值选为2.3mm.为验证所建立的有限元模型和材料模型的正确性,压边力设定为3.5MPa,模具间隙设定为2.3mm,凹模圆角为5mm,其他参数如上所述,进行沟槽形件热冲压成形,成形件的回弹角为-0.1°,如图15(a)所示,图15(b)为模拟结果,回弹角为-0.03°.综上可知,压边力、模具温度和凹模圆角半径是影响回弹的主要因素.压边力越大,沟槽形件法兰处所受到的摩擦力越大,使凹模圆角处材料变形区中受压应力的区域变小,而受拉应力的区域变大,即变形区的应变趋于一致,从而减小了回弹量.而模具温度越低,凹模圆角处材料上下表面的冷却速度差越大,下表面的收缩量比上表面的收缩量大,使得回弹量增加.凹模圆角半径越大,相对弯曲半径越大,使得弹性变形所占总应变的比例增加,因此,回弹随凹模圆角半径增大而增大.4压边力和凹模圆角半径对热成形的影响1)试验结果验证了所建立的有限元模型和材料模型的准确性,说明所建立的热力耦合数值模型是可靠的.2)热效应是热成形中产生回弹的主要原