汽车新材料带来新挑战_超高强度钢冲压工艺及仿真技术的应用

1、汽车新材料带来新挑战（图）超高强度钢冲压工艺及仿真技术的应用2007.11.09 来源:现代零部件 关键词:机械零部件 近年来由于环保意识的加强和汽车安全性要求的日益提高，世界各国对汽车安全和环保法规的控制越来越严格。各大汽车公司纷纷通过汽车轻量化技术减少燃油消耗、降低发动机的废气排放。为使汽车轻量化后仍能满足碰撞安全性能，各大汽车公司在优化汽车框架和结构的同时，已把工作重点转向新材料新工艺的应用。先进高强度钢(AHSS)和超高强度钢(UHSS)越来越得到重视，并大量应用于车身制造。以美国通用公司为例，15年前其车身材料78%采用低碳钢，高强度钢的使用很有限。到2004年高强度钢的使用率大幅度

2、上升，低碳钢的使用率已减少至40%，已开始采用AHSS/UHSS，其使用率达到12%。2006年AHSS/UHSS的使用率增至18%。和普通高强度钢相比，AHSS/UHSS在冲压过程中不仅会造成较大的弯曲回弹和扭曲变形，而且还会产生严重的侧壁卷曲(Sidewall Curl)，如图1所示。这将严重影响冲压件的形状尺寸精度和整车装配。AHSS/UHSS 的回弹控制对当今冲压成形工艺提出了新的挑战，成为汽车制造行业和学术界正在研究的一大热门课题。图1 DP600和HSLA450冲压件的回弹差异AHSS/UHSS冷冲压工艺及仿真技术的应用1.产品设计中的回弹控制众所周知，小弯曲半径的设计可使材料应力

3、进入深度屈服，有助于降低回弹。但由于AHSS/UHSS材料抗拉弯性能较差，为避免冲压过程中的开裂问题，其弯曲半径和板材厚度的比值必须加以控制。AHSS/UHSS材料抗拉弯性能的试验及失效准则的研究尚处于研发阶段。目前从几何形状来考虑，在局部采用加强结构(如图2的局部凹形或阶梯形状)是一种有效控制回弹的方法。相关试验证明图3所示的侧壁加强肋可减少翼子板上边梁(DP600)90%以上的回弹量。图2 DP600和HSLA450冲压件的回弹差异图3 具有侧壁加强肋的翼子板上边梁2.冲压工艺中的回弹控制合理的冲压工艺能够改善板料的应力状态以达到减少回弹的目的。当前普遍采用以下两种方法：过拉伸法和变压边力

4、法。（1）过拉伸法 过拉伸法(Post-Stretch)是利用活动的拉伸肋或阶梯形状等工艺补充在冲压趋近完成的最后阶段使板料得到充分拉延从而减小回弹和侧壁卷曲。图4充分证明了该工艺的有效性。 图过拉伸发工艺与常规拉延工艺冲压件回弹的比较（2）变压边力法 压边力是控制板料流动的主要工艺参数之一。变压边力法(VBF)即在冲压开始时采用低压边力来允许板料流动避免板料开裂，但在冲压趋近完成的最后阶段迅速提升压边力使板料得到充分拉延。图5和图6显示了变压边力法在控制双相钢DP590冲压回弹中的应用。和常压边力法(CBF)相比，变压边力法能够有效地降低侧壁卷曲。3.模具型面的回弹补偿试验表明，对于形状复杂

5、的AHSS/UHSS冲压件，产品设计和工艺方法上的考虑只能抑制却不能完全消除回弹。因而国内外许多专家学者在回弹补偿方面进行了大量的研究。传统的方法是通过反复试验来调整模具型面使冲压件卸载后的回弹形状与期望的形状相符，但是时间长、费用高。随着计算机仿真技术的发展，使用仿真手段对冲压件的回弹变形进行准确预测进而提供模具型面的回弹补偿(Springback Compensation)方案是一种简便快捷的有效手段。准确的回弹预测是回弹补偿成功的前提，它一直是冲压成形仿真的研究重点。自1993年以来的五届板料成形三维数值仿真国际会议NUMISHEET均有关于回弹预测的标准考题。DaimlerChrysl

6、er在NUMISHEET05特意设计了AHSS/UHSS和铝合金材料回弹预测的标准考题II（见图7）。回弹预测的精度主要取决于用户对软件的应用程度、精确的材料仿真模型、合理的有限元单元选择和精确的接触算法。事实证明，对这些因素的综合考虑能够使回弹预测与实测结果比较吻合（见图8）。一般的计算机仿真回弹补偿可以概括为以下两种方法：前弹法(Springforward)和几何修正法。前弹法是在冲压完成瞬间的板料内应力上乘以一个反向因子，将其回弹形状作为补偿后的模具型面进行下一轮试错修正直到回弹形状与期望的形状相符。该方法在试错循环过程中能够维持产品的截面线长不变，有利于保证产品的尺寸精度，但是对形状复

7、杂的零部件很难得到一个合适的反向因子使得产品各处均满足规定的尺寸公差。几何修正法是将模具型面各处沿着相应的回弹偏差方向做反向修正，通过反复试错直至收敛。该方法收敛速度快但产品的截面线长在试错循环过程中不断地变化。前弹法和几何修正法都是在板料有限元网格上进行回弹补偿计算，很容易将起皱缺陷误认为是回弹量而加以补偿，破坏了产品设计表面的光顺性。实际的模具生产中，当模面的设计在根据经验进行回弹补偿的初始尝试后仍需要仿真计算加以型面修正时，前弹法和几何修正法由于总是从产品的型面为起点开始补偿计算，因而无法利用实测的回弹数据信息进行预测误差的调整以提高计算精度。为了解决这个问题，有关专家建议回弹补偿计算在

8、模具有限元网格上进行并对前弹法和几何修正法加以改进。改进的回弹方法不但能够对已修改的模面再次补偿，而且可以引入实测数据进行回弹补偿计算。图9显示了该方法在AHSS/UHSS冲压成形上的一个工业应用实例。黑色：CAD设计的产品截面线蓝色：回弹补偿前的产品截面线红色：回弹补偿后的产品截面线热冲压工艺及仿真技术的应用当今汽车工业轻量化设计中广泛应用的另一类超高强度材料是热冲压成形(Hot Stamping)的硼钢(Boron Steel）。硼钢在热冲压过程中具有较好的可成形性，回弹量很小可忽略不计。由于其成形精度高、装配公差可以得到准确控制，保时捷、宝马和沃尔沃等欧洲各大汽车制造厂商率先将热冲压工艺

9、用于车身制造中。近年来硼钢材料热冲压成形技术在美国也开始得到广泛应用。图10所示为硼钢材料热冲压工艺在车身结构件中的应用。图热冲压工艺制造的车身结构图热冲压工艺示意图热冲压工艺过程(见图11)中硼钢材料在加热炉里温度升至900后送入配备冷却系统的模具中进行冲压成形同时在模具中迅速冷却，从而使材料晶相由奥氏体完全转变为马氏体，屈服强度高达1150MPa以上。在这一过程中塑性变形、热膨胀和晶相变化相互交织，使硼钢板材产生复杂的性能变化。附表所列为硼钢在加热前和热冲压成形冷却后的力学性能。计算机仿真技术有助于了解整个工艺过程中材料的变化形态并辅助其工艺参数优化，对热冲压工艺应用具有较大的参考价值。有

10、专家在CAE软件LS-DYNA的基础上进行了二次开发，建立了热冲压成形的材料数值仿真模型。该模型在冲压成形计算的同时也考虑到热传导的影响以及材料随温度变化的特性。图12图15给出了车门防撞梁热冲压成形的仿真件商LSTC公司为热冲压成形仿真的功能开发做了大量的工作。结语随着AHSS/UHSS在汽车工业中应用的逐渐增加，AHSS/UHSS的回弹控制成为汽车工程界和学术界研究的一大重点课题。与采用人工试错的模具设计传统方法相比，计算机仿真技术的回弹补偿方法可以确保设计质量、降低开发成本、缩短生产周期。但由于AHSS/UHSS在冲压过程中不但会造成较大的弯曲、扭曲变形，而且还会产生严重的侧壁卷曲，仅仅采用回弹补偿方法往往无法达到令人