汽車B柱熱成形試驗與熱力耦合仿真

史棟勇，盈 亮，胡 平，吳秀峰，王玉山，趙立信

（1.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；3.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022；4.合肥鍛壓集團(tuán)，安徽 合肥 230601；5.吉林偉孚特輕量化技術(shù)股份有限公司，吉林 長春 130000）

1 前言

當(dāng)今，能源、環(huán)境危機(jī)加快了汽車輕量化的步伐，進(jìn)而促進(jìn)了高強(qiáng)度鋼板在汽車車身上的應(yīng)用[1]。但隨著鋼板強(qiáng)度的升高，其成形性能變差，成形時易開裂且回彈較大，成形精度不高。熱成形技術(shù)可有效改善高強(qiáng)度鋼板成形性能，目前已被廣泛應(yīng)用于眾多汽車部件及結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中，如汽車前后保險杠、A、B、C 柱及車門防撞梁等。通過該技術(shù)生產(chǎn)的汽車零部件抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa 以上，且回彈小，微觀組織為均勻馬氏體。

高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)作為一項新的用于汽車零部件生產(chǎn)的先進(jìn)制造技術(shù)，已越來越受到國內(nèi)外行業(yè)的重視，國內(nèi)外眾多學(xué)者也從眾多方面對熱成形技術(shù)進(jìn)行了研究[2-4]。眾所周知，熱成形過程是熱-力-相變相耦合過程[5]，同時涉及熱邊界摩擦非線性力學(xué)以及多尺度問題，單憑冷沖壓經(jīng)驗無法預(yù)測板料在高溫條件下的成形性能，借助有限元數(shù)值模擬可對高溫板料的成形過程進(jìn)行有效預(yù)測，極大降低傳統(tǒng)“試錯”方式帶來的成本提升和研發(fā)周期。本文針對某款汽車B 柱產(chǎn)品熱成形及淬火過程進(jìn)行熱力耦合數(shù)值模擬仿真分析，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比。從厚度、溫度場及微觀組織性能方面對其進(jìn)行分析，結(jié)果表明：試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，引入熱-力耦合條件進(jìn)行的熱沖壓數(shù)值模擬可準(zhǔn)確模擬B 柱的熱成形過程，預(yù)測板料成形性能、溫度場分布以及成形后的力學(xué)、微觀組織性能，可以為實際的熱成形生產(chǎn)提供有效的指導(dǎo)。

2 熱成形基本原理

熱成形技術(shù)所采用的材料為含有硼合金元素的特殊高強(qiáng)度鋼板，其中22MnB5 應(yīng)用最為廣泛。材料的初始微觀組織為鐵素體和珠光體的混合組織，抗拉強(qiáng)度為600MPa。經(jīng)熱成形及保壓淬火之后，微觀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻鸟R氏體組織，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa 以上。

熱成形技術(shù)基本原理如圖1 所示。首先將含有硼合金元素的特殊高強(qiáng)度鋼板在加熱爐中加熱至奧氏體溫度，并保溫一定時間使其充分奧氏體化，隨后通過機(jī)械手將板料迅速轉(zhuǎn)運(yùn)至帶有冷卻系統(tǒng)的特殊模具中進(jìn)行沖壓成形并保壓淬火，最終獲得高強(qiáng)度、高硬度及無回彈的零部件。

3 B柱熱成形熱力耦合有限元模型建立

汽車B 柱熱成形的有限元模型如圖2 所示，沖壓模型建立包含凸模、凹模、壓邊圈及板料。熱成形過程分為壓邊、成形及保壓淬火3 個階段。壓邊及成形時間為1.6s，保壓淬火時間為10s。實際試驗過程中模具中帶有冷卻管道，因此模擬中采用模具恒定溫度為50℃。

模擬中所用板料的材料為高強(qiáng)度硼鋼22MnB5，厚度為2.0mm。圖3 所示為22MnB5 材料不同溫度的應(yīng)力應(yīng)變曲線（應(yīng)變率為0.1s-1）。板料與模具之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)大小與接觸壓力相關(guān)，如圖4 所示。

4 試驗及數(shù)值結(jié)果分析

圖5 為初始設(shè)置下的板料成形情況的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比?？梢钥闯鲈贐 柱兩側(cè)壁出現(xiàn)破裂，數(shù)值模擬可準(zhǔn)確預(yù)測板料的破裂情況。

針對上述破裂情況，為改善板料成形性能，對成形工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定板料初始溫度為810℃，成形階段所采用的壓邊力大小為30kN。圖6所示為優(yōu)化后成形B 柱的厚度分布情況。圖7 所示為B 柱3 個斷面厚度值的模擬與試驗實測對比，可以看出模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致：B 柱斷面1 處的厚度變化基本不大，保持2.0mm 不變；斷面2 處由于是個拐角，厚度增加較大，有輕微起皺趨勢；斷面3 處成形深度可達(dá)82mm，兩個側(cè)壁發(fā)生較大塑形變形，減薄較大，有頸縮趨勢，如圖8 所示，但均滿足成形性要求。

圖9 所示為板料成形后及淬火后的溫度分布情況，可以看出由于成形過程中首先進(jìn)行壓邊過程，板料先與壓邊圈和凹模接觸，成形時凸模隨后與紅熱板料相接觸，所以成形后B 柱壓邊區(qū)的溫度較低，尾部圓角處溫度也有所降低，而頂面最后才與模具完全接觸，所以溫度仍保持較高。隨后板料與模具完全接觸，實現(xiàn)淬火過程。保壓淬火10s 后，零件溫度為100℃左右，且分布較均勻，尾部由于發(fā)生較大塑形變形及摩擦生熱，導(dǎo)致溫度較高。圖10 所示為板料熱成形及淬火過程中試驗與模擬溫降曲線對比，可以明顯看出曲線較吻合，冷卻速率可達(dá)73℃/s，超過臨界冷卻速率27℃/s，避免了貝氏體相變的發(fā)生，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。

為了驗證上述B 柱熱成形試驗與模擬研究的準(zhǔn)確性，對成形后超高強(qiáng)度B 柱零件進(jìn)行了服役性能測評，包含拉伸試驗、硬度測試及其微觀組織測評。從成形后B 柱上切割拉伸試件進(jìn)行拉伸試驗，所得拉伸曲線如圖11 所示，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1600MPa。如圖12 所示，對B 柱9 個位置取不同的試樣進(jìn)行硬度分析測試，結(jié)果如表1 所示，可以看出成形后B 柱的維氏硬度均在450HV 以上，且分布較均勻。如圖13 所示為B 柱的典型微觀組織，可以看出為均勻的馬氏體組織。總之，成形后的B 柱產(chǎn)品各項性能都符合熱成形的技術(shù)要求，從而驗證了本文對B 柱的熱成形數(shù)值模擬的正確性。

表1 B 柱不同位置硬度

5 結(jié)論

本文建立了汽車B 柱熱成形的熱力耦合有限元模型，對B 柱熱成形及淬火過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果對比，從厚度、溫度場及微觀組織性能方面對其進(jìn)行分析，結(jié)果表明：B 柱中部拐角處厚度增加較大，尾部兩側(cè)壁厚減薄趨勢較大，但都滿足成形性要求；B 柱降溫速率大于27℃/s，可保證馬氏體轉(zhuǎn)變；成形后B 柱的硬度可達(dá)450HV 以上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1600MPa，微觀組織為均勻的馬氏體，滿足熱成形技術(shù)要求。

[1]趙立偉，代宇春，李 峰，等.高強(qiáng)汽車板成形技術(shù)及輕量化.鍛壓裝備與制造技術(shù)[J]，2009，44（3）：82-84.

[2]Merklein，M.，J.Lechler.CIRP Annals-Manufacturing Technology（CIPP年鑒-制造技術(shù)）[J].2006，55（1）：229-232.

[3]Bariani.CIRP Annals-Manufacturing Technology（CIPP年鑒-制造技術(shù)）[J].2008，57（1）：265-268.

[4]Ma Ning，Hu Ping.JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING（機(jī)械工程學(xué)報）[J].2010，46（14）：68-72.

[5]Ma Ning，Hu Ping，Guo Wei.Transactions of Material and Heat Treatment（材料熱處理學(xué)報）[J].2010，12（5）：33-40.