（材料加工工程专业论文）br1500hs前立柱加强热冲压成形数值模拟及工艺研究(1).pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 汽车轻量化对超高强度钢板的需求，使得超高强度钢板热冲压成形工艺成为 现在研究的热点。而超高强度钢板在热冲压成形时的温度状态是影响热冲压成形 性能的关键。论文以超高强度钢b r l 5 0 0h s 为研究对象，通过建立左前立柱加强 件热力耦合有限元模型，优化了压料方式与和间接成形工艺参数，解决了由于压 料面设计不合理、热冲压工艺选择不恰当、预成形工艺参数选择不科学而引起板 料在成形时，出现的开裂、起皱、叠料等成形缺陷。论文的主要工作如下： 超高强度钢b r l 5 0 0h s 成形性能研究。利用g l e e b l e1 5 0 0 热模拟实验机对 b r l5 0 0h s 进行高温热模拟拉伸实验，得到材料在不同温度、不同应变速率条件 下的真实应力应变曲线，运用s p s s 统计软件对数据进行方差分析，确定了温度 对板料的成形性能的影响最为显著。分析并指出b r l 5 0 0h s 在9 0 0 9 5 0 范围内 成形，具有较好的热塑性。 压料方式对b r l 5 0 0h s 超高强度钢热冲压成形性能的影响。通过分析a 型 压料面( 压料面由零件的法兰部分和工艺补充部分共同组成) 与b 型压料面( 压 料面全部为工艺补充部分) ，两种压料方式对板料热冲压成形时的温度场、等效应 变及壁厚变化的影响，首次提出采用b 型压料方式，板料温度下降速度更慢，材 料流动更均匀，热冲压成形性能更好。解决了由于热冲压成形工艺压料面设计不 合理，使得板料温度下降过快，而导致板料在成形时容易出现缺陷。这为研究热 冲压成形工艺，在压料方式的选择上提供了重要的参考。 不同的热冲压成形工艺对b r l5 0 0h s 超高强度钢热成形性能的影响。针对 左前立柱加强件热冲压成形直接工艺出现的开裂缺陷，以控制板料在成形时的温 度为主线，提出了采用间接成形工艺的方式来解决板料成形缺陷，分析了间接工 艺能提高材料成形性能的原因。并且，首次对间接工艺冷态预成形时的压边力与 拉深行程对热冲压成形性能的影响进行了阐述。 解决了热冲压成形模具设计中如板料定位装置、模具冷却水道设计方式以 及模具材料选择等关键技术问题，完成了对左前立柱加强件的热冲压成形试制。 经过对试件精度的检测，切片金相分析，得到了满足工艺要求的制件。 对比各试验结果与有限元模拟分析结果，结果表明理论与实际结果有较好的 吻合，验证了热冲压成形有限元模拟分析模型的可靠性，为b r l 5 0 0h s 超高强度 钢在实际热冲压成形工艺应用中，提供了重要的技术参考。 关键词：超高强度钢板，热冲压成形，压料方式，预成形，有限元分析 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h eh o ts t a m p i n gf o m i n gp r o c e s so fu l 订a - h i g hs 打e n g 曲s t e e li s b e c o m i n gh o t r e s e a r c ht om e e tt h en e e do fc a rl i g h t w e i 曲tt ou l 缸a - l l i g hs 仃e n g t l ls t e e l t e l n p e r a ：c u r e s 讹si ne v e 巧t i m eo fs h e e ts t e e li s t l l ek e y 丘屺t o rt oi i n p a c tt l l eh o ts t a n l p i n g f o r n l a b i l i t yw h e nf o 肌堍t h u s ，t 1 1 i sd i s s e 似i o np r e s e m sar e s e a r c ho nu l 胁1 1 i 曲 s t r e n g t hs t e e l ( u h s s ) b r l5 0 0h s ，b ye s t a b l i s l l i n gh o t f o r c ec o u p l i n gf i i l i t ee l e m e n t m o d e lo fl e ra n t e r i o rc o l u i n n ，o p t i m i z e dm e p r e s s i n gw a y a n dp a r a m e t e r so fp e r f o n n i n g p r o c e s s ，s o l v e dt h ef o m i n gd e f e c t s ，s u c ha sc r a c k i n g ，w r i n l ( 1 i n g ，f o l dm a t e r i a la n ds oo n ， w h i c hc a u s e db yu m e a s o n a b l ed e s i g no fp r e s s i n gs u r f 犯e ，i n a p p r o p r i a t ec h o i c eo fh o t s t a i i l p i n gt e c l l i l o l o g ya n du 1 1 s c i e n t i f l cc h o i c eo ff 0 脚i n gt e c l l i l o l o g yp 娥i i i l e t e r s t h em a i nw o r k so ft 1 1 i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s i h e s e a r c ho nt 1 1 ef o r m a b i l i 够o fu l t f a - l l i g hs t r e n g t hs t e e l ( u h s s ) b r l5 0 0h s g l e e b l e 15 0 0t l l e 锄a 1s i m u l a t o rw a su s e dt od om g h - t e m p e r a t u r et h e r n l a l 一s i m u l a t i o nt e n s i l et e s t o nb r l5 0 0h s m e a n w h i l e ，t a k ec o n t r o lo f 也er e a lt r e s s s t r a i nc u eo ft h em a t e r i a la t d i 能r e n tt e m p e m t u r ea j l dd i 虢r e ms 觚i n - r a t e s t h ee f f e c t so f t e m p e r a _ t u r e a 1 1 d s t r a i n - r a t e so nl l i g ht e m 【p e r a n i r er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fs h e e tm e t a la r es n m a r i z e d n l r o u g ha i l a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si ns p s s ，t h ee f f e c to ft e m p e r a t l 】r et u m so u t t ob em o s ts i g l l i f i c a n t i ti sa n a l y z e da i l ds h o w e dt 1 1 a tt h eb r l5 0 0h sf o 吼i n gh a sg o o d t h e 衄o p l a s t i c i 够w h e n t 1 1 et e m p e r a t u r ei sb e t 、e e n9 0 0 - 9 5 0 n l ei n n u e n c eo fp r e s s i n gw a yo nh o ts t 锄p i n gf o m a b i l i t yo fu l t r a - h i 曲s 慨n 咖 s t e e l ( u h s s ) b r l5 0 0h s b ya n a l y z i n gt h ei n n u e n c e so fa 锄dbt 1 1 e 铆op r e s s i n g w a y s o nt e m p e r a t u r ef i e l d ，e q u i v a l e n ts t r a i na n dw a um i c k n e s so fs h e e tm e t a lw h e nh o t s t a m p i n gf o 吼i n g t ) ebp r e s s i n gw a yw a sa d o p t e d ，b e c a u s ed i 0 p p i n gs p e e do fs h e e t m e t 以t e m p e r a t u r ei sm o r es l o w l y ，m a t e r i a ln o w i n gi sb e t t e rd i s t r i b m e dw h e nu s i n gt y p e b ，s of o n n a b i l 畸o fh o ts 切m p i n gi sb 甜e r t h i sp r e s s i n gw a yr e d u c e ds h e e ts t e e l d e f e c t sc a u s e db yt h eu n r e a s o n l b l ec h o o s eo fp r e s s i n g 、a ya n dt h er a p i dd e c l i n eo f t e r n p e r a t u r eo fs h e e ts t e e lw h e nf o m l i n g ，e m c i e n t l y i tp r o v i d e si m p o n a l l tr e f i e r e n c ef o r c h o o s i n gt 1 1 ep r e s s i n gw a yo fh o ts t 锄p i n gp r o c e s sw h e nr e s e a r c ht h eh o ts t 锄p i n g f o h n i n gp r o c e s s ( 9 t h ei n n u e n c eo fd i f r e r e n th o ts t a n l p i n gf o n n i n gp r o c e s so nh o tf o n n a b i l i t yo f u l t r a 1 1 i g hs t r e n g ms t e e l ( u h s s ) b r l5 0 0h s f o rt 1 1 ec r a c k i n gd e f e c t so fl e ra n t e r i o r c 0 1 咖a p p e a r e di nh o ts t 锄p i n gd i r e c tp r o c e s s ， i tw a sf o r c e do nt oc o n t l - o lt h e i i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t e m p e r a t u r eo fs h e e ts t e e lw h e nf o n n i n g ，p u tf o r w a r dm ei 1 1 d i r e c tf o m i n gt e c l l i l o l o g yt o r e d u c ef o 皿i n gd e f e c t so fs h e e tm e t a l ，a n a l y z e dn l ec a u s e sw h yn l em d i r e c tp r o c e s sc a n i m p r o v et h ef o n n a b i l i t yo fm a t e r i a l a n di t sm ef i r s tt i m et od i s c u s st l l em n u e n c e so f b l a n k - h o l d e rf o r c ea i l d d e e pd 谢耐n gt r i p o nh o ts t a l 】1 p i n gf o m a b i l i t yw h e nu s i i l g i n d i r e c tp r o c e s sf o rc o l dp r e f o 肋i nt 1 1 i sp a p e r r e s o l v e d 仕屺k e yp r o b l e m so fm o u l dd e s i g ni nh o ts t 锄p i n gf o 肌i n g ，s u c ha s t h ec h o o s eo fl o c a t i n ge q u i p m e n to fs h e e ts t e e l ，m ed e s i g nw a yo fm o u l dc o o l i n gw a t e r c h 眦1 e l ，t l l em a t e r i a lo fm o u l d a 1 1 ds oo n a n dc o i n p l e t e dt h em a n u f a c t u r eo fh o t s t a m p i n gf o rt 1 1 el e ra n t e r i o rc 0 1 u i n n a 矗e rd o i n gt h et e s tf o r 吐l ea c c u r a c yo fs p e c i i n e n s a i l dt h ea 1 1 a l y s i sf o rs l i c em e t a l l o g r a p h i co fs p e c i m e n s ，o b t a i n e dt l l ep a r t sw h i c hm e e t p r o c e s sr e q u i r e m e n t s c o m p a r e d t 1 1 et e s tr e s u l t sw i t hm es i m u l a t i o nr e s u l t so ff i l l i t ee l e m e n t 她a l y s i s ，t h e a 1 1 a l y s i ss h o w st l l a tt 1 1 et h e o r ya n dp r a c t i c a lr e s u l t sh a v eag o o dm a t c h ，t l l i sv e r i f i e dt h e r e l i a b i l i t ) ，o ff m i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na 1 1 a l y s i sm e o 巧f o rh o ts t a i 】叩i n gf o m i n g ， p r o v i d e se f - f e c t i v er e f e r e n c ef o rh o ts t 锄p i n gf o m i n gt e c l l i l o l o g yo fh i g hs 协e n g t hs t e e l p l a t ei nr e a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：u l 讹h i 曲s t r e n 舀hs t e e l ( u h s s ) ，h o ts t 锄p i n g ，h o l d i n ga p p r o a c h ， p r e l i m i i l a r ys h a p i n g ，f e a i v 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 1 引言 自从2 1 世纪以来，中国汽车工业发展就已经进入了快车道，每年均以两位数 以上的速度增长，年增长值均超过百万辆。自2 0 0 6 年开始，我国就已成为全球第 二大汽车消费国，至2 0 0 9 年，中国汽车产销更是以超过1 3 5 0 万辆，首次成为世 界汽车产销第一大国。图1 1 是我国汽车产量增长变化趋势。 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 3 0 22 0 0 32 0 0 42 。0 52 】0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 2 0 1 02 0 11 1 r 伦一年j 图1 12 0 0 0 2 0 1 0 年我国汽车产量增长变化情况( 来自第三代汽车用钢研究) f i g1 12 0 0 0 - 2 0 10c h i n a sa u t o m o b i l ep r o d u c t i o ng r o w t h 汽车工业的发展突飞猛进，导致汽车保有量的增加，加剧了我国石油资源的 短缺，由此全社会在能源、环保、交通等方面都面临着更加严峻的压力。在国际 油价持续攀升和环境污染日益严重的今天，节能减排刻不容缓。而且提高汽车安 全性能，改善汽车安全性也十分迫切。2 0 0 9 年中国政府曾在联合国气候变化峰会 上做出承诺，要加强节能、提高能效工作，争取到2 0 2 0 年单位国内生产总值二氧 化碳排放比2 0 0 5 年有显著下降。因此，在建设和谐社会的背景下，如何将节能 降耗与可持续、又好又快地发展汽车工业协调进行，是目前中国乃至世界汽车制 造业所关注和亟待解决的焦点问题。据权威统计表明，在一辆典型汽车中钢材的 使用量占到5 6 ，而车身零部件占到了4 0 左右，如果将厚度为1 1 2 m m 的零件 减薄为o 7 0 8 n u n ，车身的总体重量会减少1 5 2 0 ，汽车单位油耗就可以减小 8 一1 5 ，排放减少4 6 怛j 。而汽车工业要实现以上目标，汽车的轻量化是必 然选择。一般来讲，实现汽车轻量化的途径有三： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 ) 采用轻量化材料来代替大量低强度钢材，如超高强度高强度钢板、镀锌钢 板、铝镁合金、复合材料等； 2 ) 优化车身自身设计结构，是零部件薄壁化、中空化、小型化及复合化等； 3 ) 基于轻量化结构用材对现有制造工艺的挑战，必须发展先进的制造工艺， 以达到现有汽车工业对轻量化的目的。 总而言之，实现汽车轻量化的途径最大的特点在于使汽车结构、轻质材料、 制造工艺的三者密切结合。 当前，汽车制造部件中有很多轻质材料被运用于汽车轻量化进程中，可以这 么说，轻质材料的广泛使用俨然已经成为汽车轻量化的重要途径之一，如铝镁合 金、高强度、超高强度钢等p 训。a l 的密度是f e 的l 3 ，用铝合金代替传统的钢铁 制造成的汽车零部件，可使汽车整车重量减轻3 0 4 0 【5 1 。然而铝镁合金虽然能 在很大程度上减轻汽车自重，但是一方面由于铝镁合金自身强度较低，导致汽车 的安全的性能无法得到保证，而且铝镁合金原材料造价昂贵等等使得其在汽车市 场竞争力具有很大的局限性。“超轻钢制车身”联盟所作的研究表明，高强度、 超高强度钢板零件如果在车身零件中的使用达8 0 ，那么就可以使成本不增加的 前提下，汽车车身的总重量比普通钢结构车身减小2 0 【6 7 】。 所谓的高强度超高强度钢板，就是是屈服强度介于2 1 0 5 5 0 m p a 范围内的钢板 称为高强度钢板，超过5 5 0 m p a 的钢板称为超高强度钢板。超高强度钢板具有高强 度，质量轻等优势，在相同的情况下，较小的厚度就能够达到加厚普通钢板的强 度要求。因此，超高强度钢能在汽车行业中保持相对稳定的主导地位。然而，与 普通钢板相比其超高的强度，传统冲压工艺往往是束手无策，这给汽车制造工业 也带来了不少的困扰。与普通钢板相比，超高强度钢板成形缺陷主要有： 1 ) 由于具有超高的强度，使得采用传统模具材料制成的模具在成形时磨损量 大，寿命低； 2 ) 超高强度钢屈强比较大，而且厚向异性系数r 与应变强化指数n 较小，塑 性成形区较窄，各方面材料性能指标都显示其塑性成形性能较差。采用传统冲压 方法制成的超高强度钢板制件，经常出现拉裂、起皱等成形缺陷； 3 ) 较高的屈服点，使得超高强度钢板在模具中成形时，塑性成形不充分，易 产生弹性回复，扭曲回弹等严重质量缺陷，导致成形结束后的尺寸精度无法保证； 4 ) 传统冲压条件下，超高强度钢板成形时所需吨位大，一方面对设备要求较 高，另一方面成形是坯料与模具的接触力较大，导致模具磨损更严重。这就要求 模具的材质淬火后的强度一定要比钢板的强度高才行。 综上所述，传统冲压成形工艺已远远不能满足汽车工业对现有超高强度钢板 的制造要求。一种全新的超高强度钢板成形工艺就是在这种背景下，应运而生。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 超高强度钢板热冲压成形工艺是专门用于成形超高强度钢板的全新技术。是将可 淬火硼钢板加热到一定温度，使其充分奥氏体化，保温一段时间后，经一次淬火 成形，得到具有超高强度( 1 0 0 0 1 6 0 0 m p a ) 组织的部件。与传统冲压技术相比有 如下几点优势： 1 ) 材料在高温条件下，变形抗力小，塑性好，可成形传统冲压无法成形的复 杂构件，一般热冲压工序至需一道拉延工序即可，减少了零件的成形工序； 2 ) 成形后材料强度指标大幅提升，能够抗击强有力的冲击力，撞击侵入量小， 保证汽车在行驶过程中的安全； 3 ) 巨大的汽车减重潜力。在满足相同抗撞击的强度情况下，超高强度钢板热 冲压成形件可以通过减少钢板使用数量以及钢板的厚度来达到汽车减重的目的； 4 ) 成形后的部件几乎没有回弹瞵j ，成形精度高，所需成形吨位低，板料成形 性能好等巨大优势。 正是因为这些优点，热冲压成形工艺才引起了汽车工业界的普遍关注，并迅 速成为汽车制造领域内的热门技术【9 j 。国内主要生产汽车钢板的钢铁企业对热冲压 成形技术非常重视，像宝钢虽从a p & t 公司引进了一条完整的热冲压生产线，但 也已对热冲压成形技术开展了研究，并已经掌握了汽车上一些简单结构件的热冲 压成形技术。具有自主研发模具设计与板料的能力。但是由于现在热冲压成形技 术还处于技术保密阶段，使得热冲压成形技术还不能在汽车行业大面积的普及。 而国内对于热冲压成形技术的研究，大都只是针对“u ”、“s ”形构件及几何形状较 简单的防撞梁进行了有限元仿真，对实际汽车车身较复杂构件的热冲压成形工艺 并未深入探讨。目前，国内汽车企业及高校对该技术在工程上的应用并未有明显 的突破，对热冲压成形工艺技术上的掌握还还处于相对低的水平。 为此，论文紧紧围绕超高强度钢板热冲压成形工艺在实际车身零件上的应用 为出发点，在国内高校还没有对实际车身较复杂构件的热冲压成形工艺进行深入 研究的情况下，以重庆大学与重庆长安汽车股份有限公司共同合作研制的“汽车高 强度钢板热冲压成形关键技术研究”项目为依托，研究超高强度钢b r l 5 0 0 h s 热冲 压成形性能及其冲压工艺性，并结合实际几何形状较复杂的车身左前立柱加强件 热冲压成形工艺，对其工艺进行优化分析。对于热冲压成形工艺在实际车身上的 应用，有着十分深远的实用价值。 1 2 超高强度钢热冲压成形技术 1 2 1 热冲压成形技术原理 热冲压成形原理是将可淬火硼钢经带有保护性气氛的加热炉加热至奥氏体化 温度，并保温一段时间使其充分奥氏体化，快速放置带有冷却系统的模具中冲压 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 成形，保压定形并淬火，喷丸去氧化皮，激光切割涂油防锈处理，得到强度达到 1 2 0 0 m p a 以上的零部件工艺。热冲压成形件成形精度高，基本没有回弹。因此该 项技术可广泛用于生产高强度的汽车保险杠、车门防撞杆、a 柱、b 柱、c 柱以及 车项框架、中通道等保安件和结构件 1 0 1 1 1 。图1 2 是热冲压零件在汽车上的应用【1 1 】。 图1 2 车身热冲压零件 f i g1 2h o ts t a l l l p i n gp a n so fc a rb o d y 热冲压成形工艺的关键技术包括： 1 ) 板料的加热温度。板料加热温度应达到奥氏体化温度。不同材料的奥氏体 化温度不同。温度太低，不能使板料奥氏体化，在模具中冷却不能实现组织相变， 得到马氏体组织，板料强度达不到要求。并且即使是在奥氏体状态下成形，在不 同加热温度下，超高强度钢板的成形性能也有很大差别，因此成形时选择适宜的 加热温度对成形性能至关重要。 2 ) 加热保温时间。时间太短奥氏体化不充分，板料表面与中间温度分布不均 匀，钢中硼元素扩散量不足，硼偏聚较低而导致提高淬透性的作用失效【1 2 】。时间 太长则导致板料晶粒长大，增加其脆性，使板料各项性能大打折扣，这对板料的 冲压性能十分有害。所以选择合理的保温时间也是影响超高强度钢板成形性能关 键因素之一。 3 ) 冷却速度。冷却速度的快慢是板料能否相变的先决条件之一，冷却速度对 成形后的组织影响很大。因此，冷却速度值是要以获得尽量多的马氏体组织为前 提的。冷却速度决定于模具对板料的冷却，而模具良好的冷却效果取决于冷却水 道的布置，布置合理冷却效果均匀，布置不合理就会影响板料的组织转化。 4 ) 保压淬火时间。冷却淬火时间的选择，应该尽量是在马氏体转变完成之后。 时间太短，马氏体转化不充分。时间太长，影响生产效率。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 ) 模具材料。热冲压模具材料首先应具有良好的导热性，确保钢板与模具表 面之间的快速传热，实现良好的冷却功能。还应具备良好的热强度、热硬度、高 的耐磨性和热疲劳性，保证模具能够承受坚硬氧化皮及强烈热摩擦带来的磨损。 6 ) 热冲压成形板料传送装置。要实现板料在高温下机械手夹持并自动传送到 模具中，需要研发专门的智能化、自动化机械手。它可以实现板料的快速转移， 并在模具中达到高精度的定位。 1 2 2 热冲压成形工艺分类 超高强度钢板热冲压成形工艺可分为直接成形与间接热成形两种工艺【1 3 1 6 】 ( 图1 3 ) 。直接成形工艺就是将板料加热至奥氏体( 丫) 化温度，保温一定的时间， 待板料在炉体中奥氏体化充分，然后将板料快速的转移至带冷却系统的热冲压模 具中迅速成形，在成形的同时，模具中的冷却系统开始发挥作用，使得板料发生 淬火相变，从而得到尺寸精度高，抗拉强度达到1 2 0 0 m p a 及以上的制件。这种工 艺方法适用于几何形状简单，较易成形的零件，如前后保险杠、门板加强筋、车 窗加强筋等等。直接工艺方式简单，其优点在于板料表面氧化少，经一次加热快 速放置模具中冷却淬火，生产效率高，成本降低，在实际生产中应用非常广泛。 但是其缺点是由于，板料在成形时拉深深度大，板料成形时间长，板料温度降较 多，这就极大的影响了板料在模具中的成形性能。因而，直接成形工艺在成形复 杂的车身零部件有一定的缺陷。与直接成形工艺不同的是，间接成形工艺在热冲 压成形前有一道冷态的预成形工序。其特点在于：成形工序多，生产效率低下， 但能成形相对复杂、拉深深度较深的零件。间接成形工艺方法主要用于汽车车身 较复杂的构件【1 7 “9 1 。 a 直觚艺 l 孛督睁 l 孛麟黼黔- 睁 板料奥氏体化 b 闻接工艺 垦 e 了 零件 _ c 了一 扳料预成形奥氏体化 传送冲压成彤淬火零件 图1 3 热冲压成形工艺：a ) 直接工艺；b ) 间接工艺 f i g1 3h o ts t 锄p i n gp r o c e s s ：a ) d i r e c th o ts t a m p i n g ；b ) i n d i r e c th o ts t a m p i n g 困一霍馑僦噬 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 超高强度钢热冲压成形国内外研究现状 1 3 1 热冲压用超高强度钢板生产现状 超高强度钢板在汽车车身结构件和安全件上具有重要而广泛的应用前景 【2 0 2 2 1 。目前，全球规模最大的钢铁制造企业a r c e l o r 公司研发的带有a 1 s i 镀层的 u s i b o r1 5 0 0 ，其特点是在轧制成形后，材料组织为均匀的铁素体和珠光体，抗拉 强度在4 5 0 m p a 以上，并且不会发生氧化。经过热冲压成形淬火后，抗拉强度可达 1 6 0 0 m p a ，为普通高强度钢板强度的3 4 倍1 2 3 j 。 出自瑞典的s s a b 公司也开发出d o m e x 系列的热轧可淬火硼钢板，最具代表 性的有2 2 m i l b 5 、2 7 m n c r b 5 、3 0 m 1 1 8 5 、3 8 m n b 5 等。板材热轧后的屈服强度达 4 0 0 m p a ，水淬后的抗拉强度可达1 4 8 0 2 0 5 0 m p a 。 国内上海宝钢集团也开发出两种类型的热冲压硼钢：热冷轧b 1 5 0 0 h s ，现已 实现批量供货。经有关部门测定，冷轧b 1 5 0 0 h s 水淬后可达1 7 2 0 m p a ，通过模具 固体冷却淬火的抗拉强度也可达1 4 3 0 m p a 。 w h t l 3 0 0 h f 热成形钢是武钢最新研发出来的超高强度钢种，该钢种经退火热 处理后抗拉强度可达到1 3 0 0 m p a 以上，主要用于轿车整体框架的制造。 另外，欧洲、日本、韩国等国家也能批量生产热冲压用钢种【2 4 j 。 1 3 2 超高强度钢板热冲压工艺研究现状 热冲压成形工艺，是传统冲压技术、热锻造技术与注塑冷却系统技术相结合 的制造工艺。最早在2 1 世纪初由欧洲开始应用于汽车行业。目前这一技术在德国、 美国、瑞典等发达国家发展迅速，并已相应开发出全自动化的商品化热冲压成形 生产线。大众、美国通用及福特等汽车公司都拥有该工艺的关键技术，并应用于 车身改造，使得汽车质量有很大的竞争力。2 0 0 8 年，德国与瑞典这两个国家的热 成形技术研究学者联合成立了高性能钢热成形研究中心( c h s 2 ) ，并召开了第一 届国际高性能钢热成形研讨会【2 5 。2 6 】。b e r g m a i l 与0 1 d e n b u r g 等人率先对热冲压成形 过程进行了数值模拟仿真【2 7 】，o l d e n b u r g 与e r i k s s o n 等人对热冲压成形材料进行了 试验研究【2 引，m e 棚e i n 等人对热冲压成形硼钢在高温下的流动行为及材料热物性参 数进行了测定【2 9 3 0 1 ，并将数值模拟与实验研究结合起来，研究材料在高温下的力学 性能。欧洲p s c a li 己a v i e r ，l u c i ag a r c i a 心a i l d a ，y v a l lc h a u s t e l 等【j l a 引，对热冲压过 程的材料热力耦合本构关系、材料特性参数、模拟件试制进行了研究【3 1 35 1 ，但未 透露实际热冲压工艺的关键性问题。国内对该项工艺技术的研究尚处于快速发展 阶段，目前国内现有的5 条热冲压生产线全部为从国外高价进口的生产线( 如宝 钢、上海卡斯玛、本特勒、蒂森克虏伯、a r c e l o r 等) ，用于国产速腾、奥迪等几 款轿车核心零部件生产( 如a 柱、b 柱、前后保险杠等) ，耗资巨大，造成市场 成本居高不下。2 0 1 1 年1 2 月，由湖北永掂集团与中国汽车工程研究院、中国吉利 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 控股集团共同承担的中国科技部重点支撑项目一超高强度钢热冲压成型技术开发 及其在目标车型上集成运用，在湖北永酷集团襄阳永酷工业园建设成国内第一条 具有自主知识产权的热冲压成行生产线，此项目的实施打破了国外封锁，将整个 产品的生产设备和技术全部国产化并提高车辆安全碰撞星级及节能减排的目标。 但此项目还在前期准备中，目前还没有重要成果展示。 由于国内数条生产线都是耗巨资从国外引进，一些核心、关键技术还处于垄 断保密阶段，很难有人能了解到先进的工业化热冲压成形生产线，尤其对热冲压 成形的关键装备和核心技术都了解甚少【3 州。技术的垄断造成了市场成本居高不下， 导致热冲压成形技术在国内还无法真正普及。国内高校，如同济大学、哈尔滨工 业大学、南昌大学等大都以“u ”件为简易模型，初步探讨了热冲压成形工艺参数对 成形性能的影响，并未对实际汽车车身结构件进行深入研究；华南理工大学等以 防撞杆为研究的对象，建立了防撞杆的热冲压有限元模型，并对其碰撞性能进行 了模拟分析，但未对此进行模具设计制造加工，也未进行实际生产及碰撞分析。 包括大连理工的胡平教授团队、吉林大学谷诤巍教授等大都只是针对“u ”、“s ”形 构件及几何较简单的防撞梁进行了有限元仿真，对实际汽车车身较复杂构件的热 冲压成形工艺并未深入探讨。目前，国内汽车企业及高校对该技术在工程上的应 用并未有明显的突破，对热冲压成形工艺技术上的掌握还还处于相对低的水平， 没有大的突破与创新。 1 4 论文课题来源与选题意义 该课题来源于重庆大学与重庆长安汽车股份有限公司共同合作研制的“汽车 高强度钢板热冲压成形关键技术研究”项目。本学位论文题目为“b r l5 0 0 h s 前立 柱加强件热冲压成形数值模拟及工艺研究”，通过有限元数值模拟仿真与试验生 产相结合的方法来研究该课题。 热冲压成形技术是解决高强度钢成形缺陷最有效的新工艺【3 。超高强度钢 热冲压成形技术是冲压成形和材料热处理技术相结合的一门交叉学科。由于国内 数条生产线都是耗巨资从国外引进，一些核心、关键技术还处于垄断保密阶段。 技术的垄断造成了市场成本居高不下，导致热冲压成形技术在国内还无法真正普 及。目前国内高校及汽车企业对热冲压成形的研究尚处起步阶段，对热冲压成形 工艺技术上的掌握还只停留在形状简单的“u ”、“s ”形件热冲压成形实验阶段。还 不能真正将热冲压成形工艺应用到实际车身复杂构件中。论文以较复杂的汽车前 立柱加强件为研究对象，研究汽车实际较复杂构件的热冲压成形工艺。通过建立 超高强度钢板热力耦合有限元模型，结合实际生产试验，对研究并掌握超高强度 钢板热冲压成形工艺关键技术具有积极意义。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 5 本文研究的主要内容 论文以与重庆长安汽车股份有限公司联合研究的“高强度钢板热冲压成形工 艺研究”项目为基础，从理论研究、数值模拟、试验验证三个方面对汽车前立柱 加强件热冲压成形工艺进行研究。具体内容如下： 论文以超高强度硼钢b r l 5 0 0h s 材料为研究对象，利用g l e e b l e1 5 0 0 热模 拟实验机对b r l5 0 0h s 进行高温热模拟拉伸实验，得到材料在不同温度、不同应 变速率条件下的真实应力应变曲线，运用s p s s 统计软件指出温度对板料的成形 性能的影响最为显著。说明，在研究热冲压成形工艺时，要严格的控制材料的 成形温度，保证材料的热塑性成形性能。通过板料在不同温度下的屈强比，以及 淬火后的抗拉强度变化，确定了b r l 5 0 0h s 在9 0 0 9 5 0 范围内，具有较好的热 塑性。 针对热冲压成形工艺特点，建立了基于d y n a f o 珊左前立柱加强件热冲压成 形直接工艺与间接工艺有限元分析模型，解决了计算机模拟中的热弹粘塑性材料 建模、接触、摩擦和热边界条件等关键问题。 以控制材料的成形温度状态为主线，通过分析两种压料方式对板料热冲压 成形时的温度场、等效应变及壁厚变化的影响，提出了采用b 型压料方式，板料 温度下降速度更慢，材料流动更均匀，热冲压成形性能更好。解决了由于热冲压 成形工艺压料面设计不合理，使得板料温度下降过快，而导致板料在成形时容易 出现缺陷。为研究热冲压成形工艺，在压料方式的选择上提供了重要的参考。 针对左前立柱加强件热冲压成形直接工艺出现的开裂缺陷，结合温度对板 料成形性能影响最为显著特点，提出采用间接成形工艺来解决板料成形缺陷，分 析了间接工艺能提高材料成形性能的原因。并且，首次对间接工艺冷态预成形时 的压边力与拉深行程对热冲压成形性能的影响进行了阐述。 最后，解决了热冲压成形模具设计中如板料定位装置、模具冷却水道设计 方式以及模具材料选择等关键技术问题，完成了对左前立柱加强件的热冲压成形 试制。经过对试件精度的检测，切片金相分析，得到了满足工艺要求的制件，验 证了热冲压成形有限元模拟分析模型的可靠性，为b r l 5 0 0h s 超高强度钢在实际热 冲压成形工艺应用中提供了重要的技术参考。 重庆大学硕士学位论文 2b r l 5 0 0h s 超高强度钢热流变行为研究 2b r l5 0 0h s 超高强度钢热流变行为研究 在超高强钢高温变形过程中，利用热机械物理模拟技术可以对各种成形参数 如变形温度、变形速度等进行严格的控制，并获得各参数对材料热变形过程中的 影响规律。因此，在研究超高强度钢热冲压成形工艺中，采用热机械物理模拟技 术研究材料热流变形行为是一种行之有效的方式【3 蹦3 1 。 本章以超高强度硼钢板b r1 5 0 0h s 为研究对象，采用g l e e b l e l 5 0 0 热模拟实 验机进行物理高温模拟实验，研究b r1 5 0 0h s 在完全奥氏体化后保温一段时间， 处于不同温度、不同应变速率等工艺参数下的热流变行为规律，获得不同条件下 的真实应力应变曲线，为建立热力耦合有限元力学模型奠定基础。并通过s p s s ( s t a t i s 廿c a lp r o d u c ta n ds e i c es o l m i o n s ) 统计软件对实验结果进行分析，确定温 度、应变速率、应变量等因素对超高强度钢板的热冲压成形的影响。分析b r l 5 0 0 h s 在不同温度下的成形性能。 2 1b r l5 0 0h s 高温热模拟拉伸实验 2 1 1 实验材料 实验采用的材料为宝钢生产的超高强度钢板b r1 5 0 0h s ，料厚1 8 i m 。其主 要合金成分与常温下的力学性能如表2 1 所示。 表2 1 材料化学成分 t a b l e2 1c h e m i c a lc o n s t i t u e n t so f m a t e r i a l 2 1 2 试样尺寸 根据g b t 4 3 3 8 。2 0 0 6 金属材料高温拉伸试验方法的规定，用于实验的试样如 图2 1 所示。 重庆大学硕士学位论文 2b r l 5 0 0h s 超高强度钢热流变行为研究 图2 1 试样尺寸 f i g2 1s p e c i m e ns i z e 2 1 3 实验设备 论文设计的热拉伸实验设备选用g l e e b l e l 5 0 0 热模拟实验机，如图2 2 所示。 g l e e b l e 1 5 0 0 试验机是一台集温度、压力、应变参数控制于一体的电阻加热式全模 拟装置。该装置由计算机、模拟参量控制柜、试样台、液压系统、真空系统、循 环水系统、冷却装置、热电偶电焊装置等组成。 图2 2g l e e b l e l 5 0 0 f i g2 2g 1 e e b l e l 5 0 0 在进行热模拟实验中，采用自制专用的板料夹具对板料进行夹持，如图2 3 。 在试样的中心有运用热电偶电焊装置焊接的温度传感器，图2 4 是热电偶电焊装 置。在试验过程中，试样台由真空系统进行真空处理防止材料在高温时被氧化， 重庆大学硕士学位论文 2b r l 5 0 0h s 超高强度钢热流变行为研究 板料两边的夹持端通以高压，依靠试样自身的电阻实现发热。试样的实时温度由 热电偶采集并由计算机进行在线录制。 图2 3 试样的装夹方式 f i g2 3s p e c i m e nn x t u r i n gm e m o d 图2 4 热电偶电焊装置 f i g2 4w e l d i n gt h e r m o c o u p l ef o rs p e c i m e n 热 电 偶 自 制 夹 具 2 1 4 实验方案 由于硼钢在高温状态下，材料各向异性消失，材料力学性能对轧制方向没有 明显的敏感性4 4 4 6 】，因此，试验中未考虑轧制方向对材料温度力学性能的影响。 试验路线如图2 5 所示。图2 5 中乃为目标变形温度，4 3 为奥氏体化温度，坛为 马氏体转变开始温度，晦为马氏体转变结束温度。 重庆大学硕士学位论文 2 b r l 5 0 0h s 超高强度钢热流变行为研究 温 度 、 d 时间，s 图2 5 实验研究方法 f 远2 5e x p e r i m e n tr e s e a r c hm e t h o d 实验研究说明： i ：在热模拟机上加热到奥氏体化温度1 0 0 0 ，加热速度为1 0 s ； i i ：在1 0 0 0 保温，保温时间为3 0 0 s ； i i i ：冷却到目标变形温度正，冷却速度为4 0 s ，目标温度分别选取1 0 0 0 、 9 0 0 、8 0 0 、7 0 0 、6 0 0 、5 0 0 ： ：分别在各变形温度处进行等温拉伸，应变速率分别选用为o 1 s 、1 s 、1 0 s ， 直到试样被拉断； v ：变形结束后进行淬火处理，冷却速度为大于2 7 s 。 2 2b r l 5 0 0h s 高温热流变应力分析 2 2 1 温度对b r l 5 0 0h s 热流变应力的影响 数据经处理拟合得到真实应力应变曲线，图2 6 为在变形速率为1 s 时材料在 不同温度下的真实应力应变曲线。由图2 6 可知，随着温度的升高，同一应变时 的应力值有明显降低，真实应力应变曲线斜率也有明显减小，说明材料应变强化 系数随温度的升高而降低。但是，随着变形量的进一步增