国内外冲压工艺现状分析

李润泉

中图分类号：U463.82 文献标识码：A 文章编号：1672-8882（2015）04-121-01

一、国外研究现状

高强度钢板热冲压成形技术己经成为汽车车身制造技术中的焦点，受到了越来越多的关注。国外众多汽车生产公司和科研人员都对热冲压钢板的基本力学、热学性能以及热冲压成形工艺优化和应用进行了相关研究。Akerstrom P和Oldenburg 通过实验研究了热冲压钢板的高温膨胀效应，并且通过有限元仿真研宄了高温钢板的冷却过程。得到了 22MnB5钢板热力学和力学性能等基础数据，考察了该材料的硬度分布、厚度分布，获得了板料在热冲压过程中受到的成形力。結果表明，高强度钢板在热冲压成形的过程中，板料的流变应力受到应变速率的影响，而且应变速率对流变应力的影响随着成形温度的变化而变化。

Merkleinl M和Lechler J等人丨对热冲压成形进行了基础研究，利j|.j GleeblelSOO热模拟实验机对板料进行等温拉伸实验，获得了时间和温度对22MnB5流变特性的影响规律。结果表明，应变速率对材料流变应力冇重要影响，材料流变应力随着应变速率的增加而增加；材料奥氏体状态下的流变特性不受乳制方向的影响；温度对材料流变应力有较大影响，材料的流变应力和加工硬化随着温度的升高而显著减小。Mori K和Akita K等人使用计算机数控伺服压机控制条件，研究了超高强度钢板弯曲的回弹性能。测试了材料、最终减薄量、成形速度和在底部死点保压时间对V形弯曲回弹量的影响。超高强度钢板V形弯曲的回弹量比低碳钢大很多，最终减薄使回弹量降低，成形速度和保压时间的影响很小。

Yanagimoto J和Oyamada 等人研宄了高强度钢板等温和非等温弯曲，得到了加热温度对V形、U形和帽形件回弹的影响规律，并给出了高强度钢板热成形的回弹机理。Naderi M和Mori K等人研宄了热冲压钢板加热温度和保温时间对氧化皮产生的影响，防氧化涂层可以显著减少氧化。开展了高温单向压缩实验和高温膨胀实验，分析了热变形条件对马氏体转变的影响，获得了变形的应变量、应变速率和初始温度对马氏体转变起始温度、马氏体含量的影响规律。

二、国内研究现状

近年来，大众、通用、丰田等国外各大汽车生产公司己经广泛使用热冲压成形技术制造汽车安全零部件和加强件，有效地降低了成本、提高了产品的市场竞争力，但是热冲压成形技术基本上处于国外技术封锁和垄断状态，国内汽车公司对高强度热冲压车身零部件有巨大需求。目前，国内众多汽车公司和科研单位日益重视热冲压技术和热冲压生产线的研究和开发。

哈尔滨工业大学的邪忠文、刘红生、包军等人建立超高强钢板热冲压三维弹塑性热-力糊合的有限元模型和热成形下的材料模型，基于U形件冲压实验和有限元仿真，研宄了压边力、模具间隙和凹模圆角半径等工艺参数对热冲压件温度分布、冷却速率等的影响规律。基于非等温度和等温度数值模拟和实验，研宄了压边力、热成形终了温度和变形温度对热冲压零件回弹的影响规律，给出了热冲压中产生回弹的机理，引起回弹的主要因素是热效应，螺变应变对热冲压后回弹量有抵消作用。

大连理工大学的胡平、马宁、盈亮等人建立高强度钢板热成形热、力、相变多场耦合本构模型，在自主开发的金属板材成形有限元商业软件KMAS（King-MeshAnalysis System）基础上，根据虚功率方程及持续平衡方程建立了热冲压成形热、力、相变耦合的非线性、大变形静力显式数值模拟模块，钢板等效应力和微观组织相变分布变化规律。基于理论分析、数值模拟、实验研究对汽车车身零部件超高强度硼钢热成形技术进行研宄，以某汽车门内防撞梁和B柱内板热成形为例，分析高温下热成形硼钢的成形性能影响因素及其规律，对新型金属复合材料的微观结构、硬度、强度及塑性变化规律进行了研宄，围绕提高最终热冲压产品质量的角度，提出了适合水冷模具的设计方法及技术要点。

同济大学的林建平、王立影、谭志耀等人根据热冲压工艺的时间-温度特征，采用Gleeble热模拟实验系统，在温度60（rC～80（rC和材料应变率0.01/s～0.5/s下，对热冲压高强度钢板进行高温拉伸实验，获得了不同温度和应变率下的应力-应变曲线，并利用最小二乘法进行多元线性回归，建立了热冲压高强度钢板的热变形抗力模型。建立了高温下方盒形件非等温拉深成形的有限元模型，利用正交实验研究了热冲压成形过程中模具温度对22MnB5钢板的不等温拉深成形能力的影响规律，并分析零件几何参数对22MnB5钢板的不等温成形能力的影响规律。为保证热冲压过程中模具具有良好散热效果，优化高强度钢板热冲压成形模具水冷管道设计，采用数值模拟和解析法建立热冲压模具水冷管道和冷却水流之间的传热模型，得到了临界水流速度的数值模拟结果和解析公式，对于热冲压模具水冷管道的优化设计具有重要意义。进行了热冲压工艺参数改进实验研宄。

（一）对于水冷、强风萍火等实验，研究了奥氏体化参数加热温度、保温时间以及冷却速率等对热冲压成形后材料微观组织和机械性能的影响规律，获得了制造兼具高强度和良好塑性热冲压零件的最佳加热温度、保温时间和浮火速率范围。

（二）基于U形热冲压实验和ABAQUS有限元仿真、复杂形状零件热冲压实验和Dynaform有限元仿真，进行了热冲压关键工艺改进研究。获得了改进工艺对热冲压件浮火速率、浮火均匀性、微观组织、机械性能、回弹和成形性能等的影响规律。采用快速急冷工艺，将高温板料快速急冷至合适温度再热冲压成形，改善浮火均句性和成形性能，同时提高板料的浮火速率、获得满足机械性能和形状精度要求的热冲压件。

（三）根据改进工艺制造了热冲压车门防撞梁，研宄了其材料性能和成形性能等基本性能，进行了准静态弯曲实验和动态冲击仿真测试了其抗弯和吸能等使用性能。采用热冲压车门防撞梁和B柱对车身侧围结构进行改进设计，并基于LS-DYNA进行了整车侧碰仿真优化分析，对比不同方案的车体能量、变形、加速度、B柱侵入速度和侵入量等，获得最优改进方案，在保证碰撞安全性的同时实现轻量化。