基于Dynaform的汽车内盖板热冲压成形数值模拟

2015-03-15陈泽中茹林潺魏雅新

通信电源技术 2015年6期

苏曦，陈泽中，茹林潺，魏雅新

（上海理工大学机械工程学院，上海200093）

0 引言

热冲压成形技术作为一种制造高强度钢复杂零件的新方法，已广泛引起企业及科研机构的关注。热冲压是一种创新型的非等温热板金属成形技术，即将奥氏体板料成形同淬火过程同时一步完成。汽车工业中常采用的金属材料为厚度为0.8～2.5 mm的硼锰钢。钢板加热到高于900℃的高温，钢板组织转变为奥氏体组织。由于升温时的流动应力减少造成板料的成形性能增强，可以实现高强度钢板的良好成形［1］。经过淬火零件的实际强度可以高达1 500 Mpa，对于车身零件的强度提高起到了重要作用。

通过有限元手段对于热冲压成形过程的研究已经开始得到运用。如刘红生、包军利用有限元软件对于高强钢板沟槽形件冲压成形进行数值模拟研究［2］。本文采用UG软件对汽车内盖板进行三维建模，再利用有限元软件dynaform对热冲压成形进行数值模拟，对板料冲压前后的温度分布进行分析，并通过工艺的优化获得合格产品。

1 有限元模型

1.1 三维模型

利用三维建模软件UG建立起汽车内盖板覆盖件模型。内盖板冲压件模型如图1所示。

图1 汽车内盖板覆盖件模型

将模型导入dynaform软件中，进行工艺补充，完成模具设置。Dynaform中的凸凹模及压边圈模型如图2、图3所示。

由于此零件是一个对称件，为了节约时间，板料选择一半面积即可完成分析，如图4所示，灰色部分即为一半面积板料。

图2 汽车内盖板覆盖件凹模模型

图3 汽车内盖板覆盖件凸模及压边圈模型

图4 汽车内盖板覆盖件板料模型

1.2 材料的本构方程

材料的成形过程是一个温度不断变化的过程。温度和应变率对于最终零件的成形性能的影响很大。模拟的采用高强度钢22MnB5材料力学本构方程如下［3］：

式中，σ为材料应力；K为常数；ε为材料应变；˙ε为材料应变率；T为材料温度；m为温度相关系数；n为材料应变硬化指数；β为温度对材料性能的影响因子。

热金属板材成形属于热力学成形过程。在这种情况下，为了描述金属板料塑性成形过程需要随温度变化而变化的材料流动应力应变曲线［4］。将材料的流动应力应变曲线输入到有限元成形分析软件dynaform中，再对内盖板覆盖件的成形过程进行参数设置。

1.3 材料参数

热冲压材料使用高淬透性、高淬后强度的硼锰钢22MnB5，板厚为1 mm。其材料化学成分主要包括C、Mn、Si、Al、Ti、B 元素，质量分数分别为0.22%、1.25%、0.25%、0.03%、0.035%、0.03%。

在热冲压期间，板材保持与凸凹模、压边圈的接触，热量从板材传递到工具。热传导对冲压件的冷却效果有重要影响，材料的热膨胀对成形件的精确度有影响。为了建立起热冲压过程的模拟模型，需要确定不同温度下材料的热导率和热膨胀系数，以上所需数据分别列于表1、表2中。

表1 不同温度下的热传导系数

表2 不同温度下的热膨胀系数

1.4 成形过程

零件的冲压类型采用单动拉延类型［5］，凹模在上，凸模在下。凸凹模之间距离为450 mm，凹模与压边圈距离为300 mm。凹模下行先与压边圈接触将板料固定在中间完成压边，压边圈受到一个向上的反作用力，即为压边力。此时，凹模与压边圈将板料固定一同下行，板料通过与凸模接触完成拉延。板料成形过程如图5所示，图中①为凹模，②为板料，③为压边圈，④为凸模。

图5 板料成形过程图

2 模拟结果分析

2.1 板料成形温度场分析

图6为热冲压成形前后板料的温度变化图。板料通过加热后的初始温度约为1 000℃，在成形过程中板料与凸凹模、压边圈之间皆产生接触，必然产生热量的传递。由于成形工艺中，先进行压边，压边圈必然与板料先接触，通过热传导手段将压边部分的板料热量传递给压边圈。而此时，非压边圈部分没有与任何实体相接触，热量传递手段只有通过与空气接触的热辐射。热辐射传递热量速率必然小于热传导，所以在成形完成时，压边部分的温度必然低于非压边区。成形后，板料压边部分温度已经降到500℃左右，而未压边部分温度在800℃左右，高温处甚至仍接近900℃。