（材料加工工程专业论文）高强钢板热成形数值模拟与模具设计.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n j i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e n u m e r i c a l a n a l y s i sa n d t o o l sd e s i g n f o rh o t f o r m i n g 1 一 b y y a nx i u p i n g s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n gj i an p r o f e s s o r a t es e n i o re n g i n e e rc h a n g s h i p i n g d e c e m b e r2 0 1 2 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗墨兰太望或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨盗墨墨盘望有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁盗墨墨盘望可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：辛舞弋签字日期：) 口i 乡年弓月4 日导师签名：亨e 罐签字日期：加，夕年今月争日 摘要高强度钢板热成形技术是同时实现汽车车体轻量化和提高碰撞安全性的最新技术，该技术是一项完全不同于传统冷冲压成形的板料成形新技术一1 二艺参数众多，工艺过程复杂，包括加热、成形和冷却等多个关键技术环节。在热成形工艺过程中，板料的加热温度，保温时间，从加热炉至模具的传送时间，冲压过程中的压机速度与压力，模具设计对热成形制件的质量有不同程度的影响，同时，热成形工艺是一个板料温度场、应力场、相变相互作用，耦合的变化过程，这就使制件质量的不可预知性增加。通过数值模拟的方法来获得良好的工艺参数，是热成形1 ：艺过程的前提，这不仅对整个工艺有指导作用，还能够节省调试时间，节约成本。本文在理论分析的基础上，采用有限元数值模拟方法结合试验研究了高强钢板热成形过程参数对制件性能的影响，同时以右前内纵梁角撑为例，对该制件进行了成型性分析及保压淬火过程模拟，以有限元模拟结果为参考，进行了该制件的模具设计。通过传热学分析和流体力学分析，发现板料在热成形过程中各个阶段钢板温度随时间呈指数关系变化，钢板与模具之间的换热系数与两者的接触状态密切相关，同时发现只有在紊流条件下，冷却介质才能有效的带走模具的热量。通过学习他人的研究成果，发现板料在高温下的流动应力，主要受温度和应变速率的影响。对高强钢板热成形过程中温度场、应力场、相变之间的作用关系进行了深入研究。结合2 2 m n b 5 的c c t 曲线、高温下的应力应变曲线及材料硬化指数曲线，确定出板料的成型前温度，进而反推出需要的加热温度，在此基础上考虑到理想的奥氏体组织对加热温度和保温时间的要求得到理想的加热温度为9 0 0 。c 9 3 0 。c ，保温时间5 m i n 。研究表明，保压压力不仅影响板料与模具间的传热效率，更为重要的是影响制件的形状精度，尽可能采用较大的保压压力有助于得到型面清晰的制件。通过对制件进行的成型性分析和保压淬火过程模拟，发现在设定的工艺参数下，板料成型性良好，1 3 s 内实现完全淬火，可以进行连续生产，同时获得了最佳的冷却水控制参数。在有限元数值模拟的基础上，进行了高强钢板热成形模具设计，为实际生产提供了理论依据和指导。关键词：热成形高强钢板数值模拟模具设计 a b s t r a c tt h eh o tf o r m i n go fh i g hs t r e n g t hs t e e li san e wt e c h n o l o g yt ol i g h t w e i g h ta u t o m o t i v eb o d ya n di m p r o v ec r a s hs a f e t y , i t sc o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lc o l ds t a m p i n g t h ec o m p l e xp r o c e s si n c l u d eh e a t i n g ，f o r m i n g ，c o o l i n g ，a n do t h e rk e yt e c h n o l o g ya r e a s d u r i n gt h eh o tf o r m i n gp r o c e s s ，t h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m e ，t h et r a n s f e rt i m ef r o mt h eh e a t i n gf u r n a c et ot h em o l d ，t h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r eo ft h ep r e s s ，d i ed e s i g n ，a l lo fw h i c hh a v ed i f f e r e n td e g r e e so fe f f e c to nt h eq u a l i t yo ft h ep a r t ，a r ei m p o r t a n tt oc o n t r o lp r e c i s e l y , m e a n w h i l e ，t h eh o tf o r m i n gp r o c e s si sai n t e r a c t i o nc o u p l i n gp r o c e s so fs h e e tt e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l da n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n , w h i c hi n c r e a s e st h eu n p r e d i c t a b i l i t yo ft h eq u a l i t yo ft h ep a r t t h ep r o c e s sp a r a m e t e r so b t a i n e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，i st h ep r e m i s eo ft h eh o tf o r m i n gp r o c e s s ，w h i c hi sn o to n l yag u i d i n gr o l ei nt h ew h o l ep r o c e s s ，a n da l s ob ea b l et os a v ed e b u g g i n gt i m ea n dc o s ts a v i n g s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ef l o ws t r e s sa n dp h a s et r a n s i t i o nh a v eb e e ng o t u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o db i n d i n ge x p e r i m e n t st h eh o tf o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r se f f e c t i n go nt h ep a r tp e r f o r m a n c eh a v eb e e ns t u d i e d t a k i n gt h er i g h tf r o n ts t r i n g e rg u s s e ta sa ne x a m p l e ，t h ef o r m a b i l i t ya n a l y s i so ft h ep a r t sa n dp a c k i n gq u e n c h i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nh a v eb e e nt a k e n , t a k i n gf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t sa sar e f e r e n c e ，t h em o l do f t h ep a r th a v eb e e nd e s i g n e d t h r o u g ha n a l y s i so fh e a tt r a n s f e ra n df l u i dm e c h a n i c s ，t h es h e e tt e m p e r a t u r ee x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i pc h a n g e so v e rt i m ef o rt h ev a r i o u ss t a g e si nt h ep r o c e s so fh i g h - s t r e n g t hs t e e lh o tf o r m i n gh a v eb e e nf o u n d ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h es t e e lp l a t ea n dt h em o l di nc l o s ec o n t a c tw i t ht h es t a t eo fb o t h ，a tt h es a m et i m e ，o n l yu n d e rc o n d i t i o n so ft u r b u l e n tf l o w ,t h ec o o l i n gm e d i u mc o u l dt a k ea w a yt h eh e a to ft h em o l de f f e c t i v e l yh a v eb e e nf o u n d t h r o u g ht h el e a r n i n go fo t h e r sr e s e a r c h ，f o u n dt h a tt h es h e e tf l o ws t r e s sa th i g ht e m p e r a t u r e s ，m a i n l ya f f e c t e db yt h ei m p a c to ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t e b i n d i n g2 2 m n b 5c c tc u r v e s ，s t r e s s s t r a i nc u r v eo ft h eh i g ht e m p e r a t u r eo fa n dt h eh a r d e n i n ge x p o n e n tc u r v e ，d e t e r m i n e db e s tt e m p e r a t u r ep r i o rt om o l d i n g ，a n dt h u sa n t i r e l e a s e dd e s i r e dh e a t i n gt e m p e r a t u r e ，a n do nt h i sb a s i s ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m er e q u i r e m e n t st og e tt h ei d e a la u s t e n i t es t r u c t u r e ，g e tt h ei d e a lh e a t i n gt e m p e r a t u r eo f9 0 0 - 9 3 0 h o l d i n gt i m eo f5 m i n t h es t u d ys h o w e dt h a tt h eh o l d i n gp r e s s u r en o to n l ya f f e c tt h ee f f i c i e n c yo fh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h es h e e ta n dt h em o l d ，e v e nm o r ei m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es h a p ea c c u r a c yo ft h ep a r t ，l a r g e rh o l d i n gp r e s s u r ea sf a ra sp o s s i b l et oh e l pc l e a rt y p ef a c ep a r t s f o r m a b i l i t ya n a l y s i sa n dq u e n c h i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n ，u n d e ras e to fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s h e e tf o r m a b i l i t yi sg o o d ，13sa c h i e v ec o m p l e t eh a r d e n i n g ，t h ec o n t i n u o u sp r o d u c t i o nc a nb ec a r r i e do u t w h i l ea c c e s st ot h eb e s tc o o l i n gw a t e rc o n t r o lp a r a m e t e r s b a s e do nf i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h eh i g h - s t r e n g t hs t e e lh o tf o r m i n gm o l dh a v eb e e nd e s i g n e d ，p r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sa n dg u i d a n c ef o rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：h o tf o r m i n g ，h i g hs t r e n g t hs t e e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m o l dd e s i g n 目录 第一章绪论1 1 1 引言，1 1 2 高强钢板热成形技术的国内外现状1 1 3 高强钢板热成形技术的典型产品3 1 4 高强钢板热成形技术的特点及关键问题4 1 4 1 高强钢板热成形技术的上艺过程4 1 4 2 高强钢板热成形技术的特点，5 1 4 3 高强钢板热成形技术的关键问题6 1 5 本课题研究的内容与意义6 第二章高强钢板热成形技术的理论基础8 2 1 板料在热成形过程中的温度变化8 2 1 1 传热学分析8 2 1 2 流体力学原理1 0 2 2 板料在高温下的流变行为1 1 2 ，2 。l 材料的性能参数，“ 2 2 2 板料在高温下的流变应力1 2 2 2 3 板料在变形过程中摩擦对温度场的影响1 3 2 3 板料在热成形过程中的相变1 3 第三章高强钢板热成形工艺参数对制件的影响1 5 3 1 零件介绍， 3 2 板料在高温下的成型性分析 3 3 板料加热温度及保温时间的确定 3 3 1 加热温度及保温时问对制件性能的影响 3 3 2 加热温度对制件影响的有限元分析及试验对比 3 3 3 保温时间刘。制什性能的影响， 3 3 4 板料转移时间对制件性能的影响， 3 4 保压压力对制件性能的影响， 3 5 冷却系统对淬火效果的影响， 巧 垢 h 埔 如 盟 船 历 3 5 1 冷却系统的必要性2 5 3 5 2 冷却水流速对淬火效果的影响2 6 3 5 3 冷却水温度对淬火效果的影响2 8 第四章高强钢板热成形制件的数值模拟2 9 4 1 高强钢板热成形制件的成型性能分析2 9 4 2 高强钢板热成形制件的保温淬火过程分析3 1 第五章高强钢板热成形制件的模具设计3 4 5 1 零件外形分析与工序设计3 4 5 2 坯料定位、支撑与顶出3 4 5 3 热成形模具的镶块设计3 7 5 3 1 热成形模具中镶块的规划3 7 5 3 2 镶块的冷却系统设计3 7 5 3 3 以b 柱为例的镶块设计4 0 5 3 4 以右前内纵梁角撑为例的镶块设计4 2 5 4 热成形模具本体的设计4 4 5 5 热成形模具的安装及调试4 5 5 5 1 热成形模具中镶块的密封4 5 5 5 2 热成形模具的调试4 5 5 6 制件检验4 6 第六章结论与展望4 7 6 1 结论4 7 6 2 展望4 8 参考文献4 9 发表论文和科研情况说明5 3 致谢5 4 第一章绪论1 1 引言第一章绪论安全、节能和环保己成为当前汽车消费者最关心的性能指标。汽车的安全性涉及到人身安全，而节能和环保不仅关系到消费者的生活成本，也关系到全球能源与环境的可持续发展，具有重要意义。据统计，汽车重量每减轻1 0 ，可降低油耗8 1 0 。车身是汽车重要的组成部分，其质量占汽车总重的3 0 4 0 ，因此车身的轻量化对整车的轻量化起重要作用【l l 。长期以来，汽车工业的基础一直是钢铁，虽然铝合金、镁合金、塑料及复合材料的用量在汽车制造中不断增加，但高强度钢以其具有的高减重潜力、高碰撞吸收能、高耐疲劳强度、高成型性能等优势，成为汽车轻量化的主要材料。钢铁业已经开发出许多种类的高强度钢板应用于汽车车身来减轻汽车重量，同时提高了汽车的安全性 z l 。传统的冷冲压技术不仅需要多套模具多次冲压，而且需要较高的冲压力，同时还容易带来制件的开裂与回弹等问题，显然，冷冲压已经不能完全满足人们对于汽车安全及减重性能更高的要求。为兼顾碰撞安全性与轻量化，热成形用高强度钢及其成型工艺这一技术应运而生。高强度钢板热成形技术是同时实现汽车车体轻量化和提高碰撞安全性的最新技术，同时也是将传统的热锻造技术与冷冲压技术相结合的最新制造工艺。采用先进工艺生产的高强度钢板，经过保压淬火工艺硬度和强度大幅提升，具有减重潜力大、碰撞吸能性、疲劳强度高和成形性好等优点。1 2 高强钢板热成形技术的国内外现状高强度钢板热成形技术是一项为实现汽车轻量化和提高安全性开发的专门技术，其巨大前景已引起汽车j 业界及学者们的广泛关注【3 4 i 。早期的研究集中在欧洲几个国家，目前研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 探索高强度钢板在高温下的连续冷却工艺特性及流动行为，获得高温下的板料性能参数，制定热成形工艺；( 2 ) 采用数值模拟技术研究热成形过程，分析各参数对部件性能的影响规律；( 3 ) 研究热冲压成形过程中材料组织变化情况以预测热成形件最终的强度性能。( 4 ) 超高强度钢板热冲压成形试验研究，探索连续牛产过程中 ：艺参数的控制。瑞典律勒欧川k 大学凹 、意大利帕多瓦大学 1 0 - 1 1 】、伊朗a r a k 大学 1 2 - 1 3 1 和德国纽伦堡大学 1 4 - 1 5 1 对2 2 m n b 5 进行了高温性能试验和热膨胀的测量，获得了材料的机械性能和连续冷却转变特征参数，发现轧制方向对奥氏体状态下的流动性能没有影响，温度和应变速率是影响流动应力的丰要因素。意大利巴勒莫大学1 1 6 1 的b a r c e l l o n a 等对 第一章绪论2 2 m n b 5 钢板进行的等温单向拉伸实验结果表明：在相等在冷却速度下，随着预应变值的增加，零件的平均硬度值降低，而且在较低温度下施加预应变时，这种现象更加明显。美国的b s h a p i r o nj 使用l s d y n a 对2 2 m n b 5 钢进行车身b 柱的热成犁数值仿真分析，提供了热成型数值仿真中的关键技术参数。德国弧琛l ：业大学i l8 1 2 0 0 7 年采用优化算法和数值模拟对高强度钢板热冲压模具的冷却系统进行设计。以模具内冷却通道、冷却通道及其几何尺寸为输入参数，以冷却强度及均匀冷却为判定准则，获得了大冷却速率及均匀温度分布的热冲压模具。瑞典的g b e r g m a n 与m o l d e n b u r g ”j 及德国的d a v i dl o r e n z 2 0j 采用l s d y n a 对高强度钢板进行了成型及淬火冷却分析。国外在高强钢板热冲压回弹方面研究较多的是日本东京大学的学者们 2 1 1 ，他们对高强钢板的热冲压回弹和成形温度进行了理论研究。意大利那不勒斯东方大学【2 2 】采用a u t o f o r m 软件对d p 6 0 0 和t r i p 8 0 0 两种材料的冲压回弹进行了模拟。在国内，同济大学林建平教授 2 3 - 2 4 j 以u s i b o r l 5 0 0 为研究对象，获得了材料的基：本力学性能数据，建立高温状态下的变形抗力数学模型。通过l s d y n a 对热成型工艺进行分析，阐述了板料在成型过程中温度场及应力场的分布与变化特点。同济大学机械工程学院朱巧红 2 5 1 运用传热学基本理论对热冲压淬火过程中传热进行分析，根据其传热特点建立解析模型并通过试验验证得出结论，热冲压过程中钢板温度呈指数变化。大连理工大学汽车工程学院胡平教授领导的团队 2 6 - 2 7 1 及长春伟孚特汽车零部件有限公司，于2 0 0 9 年开发出国内第一条具有完全自主知识产权的高强钢板热成形生产线，且在独立开发出的k m a s 软件的基础上成功开发出高强钢板热成形数值模拟c a e 软件。华中科技大学的张志强【28 j 通过试验得到板料在不同温度、不同应变速率下得到的应力应变曲线。发现温度是影响流变应力的丰要因素。华中科技大学与吉林大学【2 9 】l 奠n u m i s h e e t2 0 0 8 会议 3 0 - 3 1j 提供的b 柱热冲压考题为基础，建立了b 柱热冲压模型，耦合数值分析了保压淬火过程。哈尔滨川k 大学1 3 2 - 3 4 1 将坯料加热到9 5 0 。c 左右使其奥氏体化，在等温和非等温成形条件下进行v 形弯曲和槽形件成形试验，获得2 2 m n b 5 的高温力学性能。采用a b a q u s软件对高温下2 2 m n b 5 高强钢板沟槽形件冲压成形进行了数值模拟研究。通过在不同i ：艺参数条件下进行弯曲件热冲压j t ：艺试验，测量弯曲件的力学性能并观察其金相组织。l 到1 一l 典型的热成形生产线f i g 1 - lt xp i c a lh o tf o r m i n gp r o d u c t i o nl i n e2 一 第一章绪论热成形牛产线，德国t h y s s e k r u p p 、法国a r c e l o r 、德国b e n t e l e r 、西班牙g e s t a m p 、加拿大m a g n a c o s m a 这些热成形零件供应商都有，均是由国外专门的设备生产企业：提供，如瑞典a p & t 公司和德国的舒勒公司都能够提供伞套的热成形设备。如图1 1 所：示为典型的热成形4 i 产线。其中，德国b e n t e l e r 在卜海、长春分别有热成形牛产线，西班牙g e s t a m p 在昆、武汉、东莞均设有热成形ji ：厂，加拿大m a g n a c o s m a 在一卜海有热成形生产线。国内，宝钢集团从瑞典a p & t 引进了两条热冲压牛产线，主要用与研究热成形用高强钢板。大连理i i ：大学为长春伟孚特汽车零部件有限公司开发研制了具有自j 事知识产权的热成形成套技术。目前还有许多厂商也在纷纷投资组建热成形牛产线。1 3 高强钢板热成形技术的典型产品在欧美、日本以及国内的主要汽车制造氽j l k 使用热冲压成形技术生产的高强度钢板，丰要产品包括a 柱加强板、b 柱加强板、c 柱加强板、前后左右车门防撞杠、前后保险杠、车顶加强梁、车底通道框架、仪表台支架等部件，如图1 2 所示的车身轻量化潜力达到3 0 ，同时提高了车体安全性【3 5 - 3 7 1 。v o l v ox 9 0 使用热冲压成形件使每个车身重量减轻1 5 k g ，国内某车型的前横梁，采用热成形钢b t r l 6 5 取代普通高强度材料，减重2 0 6 2 k g ，同时提高了纵梁吸能效果，降低整车碰撞加速度的峰值，因而提高了汽车碰撞的安全性3 8 1 。图1 - 2 热成形制件在车身中的分布f i g 1 - 2t h ed i s t r u c t i o no fh o tf o r m i n gp a r ti nt h ec a r图1 3 大众帕萨特的部分车身f i g 1 3t h ep a r to fc a rb o d yi np a s s a t卜海大众引进的德国大众b 6 车型，其中部分重要结构件如门槛、门内侧梁、底板中央通道、b 柱等采用高强钢板热成形技术，比采用普通钢板冷成形减轻2 8k g 【39 1 。新犁g o l f v 6 车有5 个零部件用硼钢制成，p a s s a t 6 车型有9 个这样的部件，使用热成形零件后，晕量减轻4 5 k g ，其中仅中通道就减蕈5 1 k g ，b 柱减晕4 6 k g ，碰撞测试5 星，如图1 3 所示为大众帕萨特的部分车身4 0 1 。 第一章绪论幽1 - 4 奥迪a 4f i g 1 4 a u d i a 4图l - 6 奥迪q 5f i g 1 6a u d iq 5图1 5 奥迪a 4 后边梁f i g 1 5t h eb e a mi nt h er e a ro f a u d ia 4图1 7 奥迪q 5 侧梁f i g 1 - 7t h eb e a mi nt h es i d eo f a u d iq 5如图1 - 4 、1 5 分别为奥迪a 4 及奥迪a 4 的后边梁，图1 - 6 、1 - 7 分别为奥迪q 5 及：奥迪q 5 侧梁，均是由安赛乐a m t b 公司提供的，采用u s i b o r1 5 0 0 p 钢( 2 2 m n b 5 ) ，奥迪q 5 侧梁采用了不等厚激光焊接板。合理采用热冲压零件，既能显著提高车身的碰撞性能并减轻车身晕量，又能有效控制车身的综合制造成本【4 1 1 。1 4 高强钢板热成形技术的特点及关键问题高强钢板热成形技术解决了冷冲压中回弹大，压机吨位大，成型精度低等诸多难题，具有里程碑意义。同时，由于热成形过程的机理的复杂性，人们对其中的理论认识还：不够深入，因而在整个一i ：艺及制件性能的可控性还需要提高。1 4 1 高强钢板热成形技术的，l ：艺过程热冲压成形r 艺流程为：落料一预成犁( 间接热成形) 一加热罕奥氏体状态并保温一放入模具中成犁一保压淬火一激光切边冲孔。根据制件的复杂程度，制定不同的i ：序过程，热成形过程分为直接热成形和间接热成形两种i ：艺旧。直接热成犁如图l - 8 所示，坯料不经预成型，直接被加热奥氏体化，然后放入模具中快速成犁，同时零件被淬火硬化，直接热成形辛要用于形状简单日变形程度小的l ：件。间接热成犁如图1 - 9 所示，板 第一章绪论料先预成型到最终形状的9 0 - - 9 5 ，然后再加热、成型和淬火。间接热成型，l ：艺中，零件预成型可减小板料与模具之间的相对位移，从而减小模具表面在高温下的磨损。圈i 豳胃图1 8 直接热成形f i g 1 - 8d i r e c th o tf o r m i n g图1 9 间接热成形f i g 1 - 9i n d i r e c th o tf o r m i n g奥氏体化处理在带有陶瓷辊的加热炉中进行，若板料没有镀层，则需加保护气氛，板材被加热到a c 3 的温度以一卜，保温时间依板材厚度而定。全奥氏体化后，将材料从加热炉转移到模具中，须尽快完成以减少热量损失。材料在模具中成型，在高的成型温度下，材料有很好的延性，易于成型形状复杂的零件。高温成形后的零件在模具中快速冷却到马氏体完成温度以下，然后自然冷却到1 0 0 以下再从模具中取出，以保证窄冷不变形，要求冷却速度大于3 0 s 。从模具中取出后进行切边处理和表面清理，最后用点焊的方式装配到汽车车身上【4 川。1 4 2 高强钢板热成形技术的特点高强钢板热成形技术是，种新兴的技术，其巨大的应用前景已经引起汽车行、l k 及汽车牛产线制造行业的广泛关注【2 】。这一1 技术具有以下特点：1 可以得到超高强度的车身零件，抗拉强度1 6 0 0 m p a 以卜，屈服强度1 2 0 0 m p a ，组焊成高强度驾乘单元，可承受6 t 以卜的静压而不损，有效提高碰撞安伞性；2 通过减小肇厚或截面尺寸从而有效减轻质量( 达18 3 5 ) ，减少车身加强板数量，实现轻量化，并节约材料消耗；3 高温下材料耀性好，变形阻力小，成形能力强，可以成犁具有复杂形状的制件，零件叫弹小，成! 科制件的尺寸精度高；4 热成形r 艺得到的制件尺寸精度高，可以通过模拟与调试获得精确的坯料尺寸，材料利刖率高； 第一章绪论5 热成形制件的强度高，无法使用修边模进行后处理，必须采用激光切割；6 直接压型，大幅减少模具数量和冲压次数，所需要的压机数量及吨位也降低，但是需要加热炉对板料进行加热。由于热成形工艺过程中需要一个1 0 s 左右保压淬火阶段，因此周期大约为2 0 3 0 s ，但是每组可同时成型2 个或多个制件；7 国内热成形技术的发展起步晚，热成形时制件集相变场、温度场、应力场于一身，其理论基础较为复杂，目前还需深入研究，尚不具备自主设计模具、生产及组建整条生产线所需设备的能力，使得热成形模具价格及组建生产线的成本相对较高。1 4 3 高强钢板热成形技术的关键问题热冲压技术不仅涉及板料塑性成形相关知识，还有传热及热处理的相关知识。热成形零件的最终质量受模具设计和工艺参数的影响【3 6 1 。要掌握热成形技术，必须要清楚以下几个关键问题：第一，热成形模具集成型和淬火于一身，模具表面温度频繁升高和降低，以及由此带来的模具凸、凹模表面严重磨损等，在模具材料的选择和热处理工艺上要求极为严格。同时，热成形模具自身带有冷却系统，以保证制件的淬火降温速度和制件表面温度的均匀性，对于具有复杂形状的制件，冷却水道的设计与加工也是一个难点【37 1 。第二，考虑板料温度场和相变的本构关系描述。本构关系是表征材料力学性质的关系式，准确的流变行为描述是数值模拟的重要依据。在材料本构关系研究中，热成形过程耦合了传热和相变，温度和应变速率是影响流变应力的重要因素，相变产生的热量和体积应变又分别作用于温度场和应力场。因此，准确的材料本构关系描述显得尤为困难。第三，没有一个专用于高强钢板热成形的有限元模拟及优化软件，现有的软件仅能模拟成型过程，或是独立的相变过程，或是独立的模具冷却能力的模拟，而不能细致的、精准的描述完整的成形及淬火过程中发生的温度变化、应力应变关系及相变等等【3 1 。1 5 本课题研究的内容与意义本课题着重研究高强钢板热成形：l 二艺过程中工艺参数对制件质量的影响，以确定合理的二l i 艺参数，同时进行热成形模具设计来控制制件质量。在热成形工艺过程中，板料的加热温度，保温时间，从加热炉至模具的传送时间、冲压过程中的压机速度与压力、模具设计对热成形制件的质量有不同程度的影响，同时，热成形工艺是一个板料温度场、应力场、相变相互作用，耦合的变化过程，这就对制件的质量增加了不可预知性。通过数值模拟的方法来获得良好的工艺参数，是热成形：_ l _ ：艺过程的前提，这不仅对整个二r ：艺有指导作用，还能够节省调试时间，节约成本。高强钢板热成形的模具设计，是热成形。i ：艺中的重中之重。由于热成形过程中存在着的温度场，对板料的尺寸有定影响，模具犁面的几何形状设计就决定着制件的尺寸精度。此外，模具的另外一个作用是冷却板料，模具型面间隙与冷却通道设计决定着所能够达到的冷却效率，决定着板料的组织转变，影响着产品的硬度与强度。本文以汽车右前内纵梁角撑为研究对象，以2 2 m n b 5 为试验材料，通过理论分析热成 第一章绪论形过程中板料的温度变化，相变的形成及演化，高温下的应力应变关系以及三者之间相互影响的本构关系，在理论分析的基础上，通过数值模拟与试验，分析过程参数及冷却系统参数对冷却效果及制件质量的影响规律，在此基础上，设计热成形模具，为热冲压成形二f ：艺的进一步研究及实际运用提供了必要而可靠的依据25 1 。 第二章高强钢板热成形技术的理论基础第二章高强钢板热成形技术的理论基础热成形工艺的特点是板料经过加热后成型及保压淬火整个过程中存在一个不断变化的温度场，在这个温度场及成型力的作用下，板料的应力场发生了变化，产生了塑性变形，塑性变形过程中板料与模具之间的摩擦作用产生热量又作用于温度场，同时，随温度变化，板料产生相变，基体组织发生改变，一方面，相变生热影响着温度场；另一方面，相变产生体积应变作用于应力场m j 。所以热成型j t r = 艺是板料温度场与应力场及相变相互耦合的变化过程，如图2 1 所示。要充分掌握热成形工艺，就要深入学习各个元素在热成形过程中变化的机理。固= 固图2 1 温度场、应力场和相变的相互作用f i g 2 - lt h ei n t e r a c t i o no f t e m p e r a t u r e ，s t r e s sa n dp h a s e2 1 板料在热成形过程中的温度变化2 1 1 传热学分析热成形工艺过程中，钢板经历一个先加热后冷却的过程，是个瞬态传热过程。根据传热学理论，在非稳态导热过程中，同一时刻物体内的温度随空间位置变化而变化，其变化规律与物体的内部热阻和表面热阻有关【4 5 1 。b o i t 代表物体内部导热热阻与其表面换热热阻之比，其定义为：e = h i( 2 - 1 )式中，h 为换热系数；a 为导热系数；，是特征尺度，计算钢板毕渥数召f 可知，b f 0 1 ，这时物体内部热阻远小于表面换热系数，物体内各点温度趋于一致，其在窄间卜的微小变化可忽略不记。由于热冲压l ：艺中的热量分布是，个动态的过程，钢板、模具、牢气的温度都随时间变化，因此选择按照时间阶段，分解建立每个阶段的数学模型，并依照各阶段特点选择恰当的边界条件，完整描述热冲压工艺中的热量分布2 3 , 4 6 - 4 7 】。根据热平衡规律及能量守恒定律，钢板的能最方程为： 第二章高强钢板热成形技术的理论基础缈。d t = _ 爿i q 嗍m 妒y( 2 2 )其中，p 为钢板的密度；c 为热容；a 和y 分别为钢板的表面积和体积；q 为钢板边界面的热流密度；n 为边界面的单位外法向向量；q 。为钢板内热源的发热率。式中等号右边第一项代表整个边界面与钢板的换热热流量q ，第二项代表内热源产生的热量9 ，2 1 1 1 板料在空气中温度变化的的数学模型板料在完成加热后，从加热炉中取出到放至模具上的过程中，钢板与空气间对流换热及热辐射，此时：q = h ( t 一毛)( 2 - 3 )式中：瓦为环境温度；h 为整个钢板边界上的平均换热系数，包括空气对流换热系数和辐射换热系数，h = 以+ 矗，。由于无内热源，q = 0 ，简化式( 2 2 ) ，求解方程的通解，代入初始条件确定待定常数，得到板料在空气中温度变化的数学模型为：卜t o - ( v o 训1 1 e x p ( _ 参，) i协4 )式中，t o 为钢板的初始温度，f 为时间。式( 2 4 ) 表明，在对流换热和辐射换热条件下，钢板温度随时间成指数曲线关系变化。钢板温度随时间变化曲线由钢板的总热容量及钢板与环境间的总热阻来决定。通过该理论模型能计算出板料传递过程中的温度变化。2 1 1 2 成型及保压淬火阶段板料的温度变化成型及保压淬火阶段中，板料与模具进行导热。基于固体淬火工艺和冷却水对流换热的淬火工艺中，传热方式不同，但热流密度一致的特点，将固体淬火的传热模式转化为等效的水冷淬火。固体淬火方式下的等效换热系数为：2 南弦5 ，式中，r ，为钢板与凹模间的接触热阻；爿为钢板与凹模问的接触面积。于是式( 2 2 ) 简化为p c v i a l = h , a ( v g , iz d 、)( 2 6 ) t)同样的方法，代入初始条件，确定方程的待定常数，得到钢板温度变量为：丁哥( 瓦圳卜p ( _ 笤，) 协7 ，式( 2 7 ) 表明，单纯的固体淬火条件下钢板温度仍然随时间成指数曲线关系变化。钢板温度随时问变化曲线由钢板的总热容量及钢板与模具间的总热阻来决定，而该总热 第二章高强钢板热成形技术的理论基础 阻由钢板与模具间的接触热阻决定。根据该解析模型得到的温度变化情况与材料的连续 冷却曲线相对比，可估计板料成形过程中组织转变情况，预测部件的最终性能。 2 1 1 3 影响热交换的其他因素 在实际情况下，t 件和模具的热交换过程包括了热传导、热对流和热辐射，但是= j 1 ：件与模具完伞接触处的换热系数还与压力和接触间隙大小相关。研究表明，随接触压 力增大，传热系数增大；随着接触间隙增大，传热系数旱减小趋势4 。不同压强下f ：件 与模具间的换热系数见图2 2 ， i ：件与模具在不同间隙时的换热系数见图2 3 。 图2 2 不h 压强下模具与工件的换热系数 f i g 2 - 2h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s a td i f f f e r e n tc o n t a c tp r e s s u r e s 2 1 2 流体力学原理 0 。0o ，1020 ，3o 、4 援触阊隙0 神 图2 3 不同接触问隙下模具与工件的换热系数 f i g 2 - 3h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e