冲压速度及压边力对USIBOR1500高强钢热冲压的影响

朱 乐，刘雅聪，田 野，刘荣伟，孙杨峰，王宇飞，候和龙

(承德石油高等专科学校 工业中心，河北 承德 06700)

随着社会经济的快速发展，汽车保有量由2014年的1.4亿辆增长至2018年2亿辆，汽车使用量的增加随之带来了环境污染问题[1]。汽车尾气的排放是导致环境污染的重要因素，为减少油耗和尾气排放汽车轻量化的主题被逐渐重视。通过使用超高强度材料代替传统材料的方法可以实现汽车轻量化的目标，目前汽车中往往使用超高强度钢板代替高强度钢板。超高强度钢板在常温下难以成形，常常会出现破裂、回弹等问题，随着热冲压技术发展，这些问题逐渐被解决，但是由于热冲压过程非常复杂，影响材料成形性能的因素非常多，所以研究热冲压成形过程非常重要。近年来许多研究人员针对高强钢热冲压技术进行了研究，刘红生等人通过对不同温度的凹槽板进行了双轴拉伸试验，提出了与温度、相变、应力、应变相关的高强钢成形极限曲面(FLS)，用来预判热成形仿真结果[2]。本文研究1.5 mm厚度的USIBOR1500高强钢板作为汽车防撞梁热冲压板料，使用DYNAFORM软件建立汽车防撞梁热冲压成形的有限元模型，对冲压速度和压边力对成形性能的影响进行分析。

1 热冲压成形有限元模型的建立

1.1 实验材料及工艺

实验所用材料为USIBOR1500高强钢，表1为USIBOR1500高强钢材料成分[3]。

表1 USIBOR1500高强钢材料成分 %

使用国外进口的Inspekt 100 kN电子万能材料试验机进行高温拉伸实验来研究USIBOR1500高强钢应力应变曲线，实验温度为500～800 ℃，应变速率分别为0.1、0.01 s-1。图1为USIBOR1500高强钢在500～800 ℃下拉伸真实应力应变曲线。

将图1中数据进行多元回归线性拟合，结合origin 9.0软件得出lnk=2.61、n=0.203、m=0.09、β=2 160，最终得出USIBOR1500高强钢500～800 ℃适用的本构方程为：

(1)

式中：σ为应力，MPa；ε为应变；n为应变硬化指数；m为应变速率敏感系数；k为与应力有关的系数；β为与温度有关的系数。

图2为热冲压成形工艺流程图，通过先将高强钢板料加热到完全奥氏体状态，然后将奥氏体化的高强钢板料快速移动至压力机中快速冲压，最终板料的抗拉强度可以达到1 500 MPa。

1.2 USIBOR1500高强钢热冲压几何模型

使用DYNAFORM 有限元软件对USIBOR1500高强钢热冲压成形过程进行仿真，通过建立某车型有限元仿真模型如图3所示。所用板料为USIBOR1500高强钢，厚度为1.5 mm。通过DYNAFORM有限元软件对有限元模型进行划分网格，凹模4 183个网格，凸模3 842个网格，压边圈341个网格，板料502个网格，其中划分的网格主要为四边形网格，占总比例70%，三角形网格占30%。

1.3 参数设置

1.3.1 板料参数设置

热冲压过程USIBOR1500高强钢板料的成形性能都是随着温度变化而变化，所以必须在准确的参数下进行仿真模拟才能确保仿真结果正确，表2为USIBOR1500高强钢在20～900 ℃下材料的热参数[4]。

表2 USIBOR1500高强钢在20～900 ℃下材料热参数

1.3.2 模具参数设置

根据热冲压的工况条件，必须选用耐高温抗氧化的材料，这里选用 2G55CrMnMo钢作为模具材料。表3为该模具材料在20～900 ℃的比热容及热导率[5]。

表3 模具材料在20～900 ℃下的比热容及热导率

1.3.3 边界条件设置

高强钢热冲压仿真参数设置中，热分析边界条件参数定义时需设置板料的初始加热温度、模具预热温度、热辐射系数等。本文热冲压仿真中设定模具预热温度分别为 100 ℃、板料800 ℃。800 ℃时板料的热辐射系数0.08，热传导系数为68 m2·K[6]。

2 不同影响因素下的汽车防撞梁热冲压结果分析

2.1 冲压速度对板料温度的影响

汽车防撞梁的热冲压成形过程中，板料的成形必须在奥氏体温度内结束，由USIBOR1500高强钢的本构方程可知，板料在成形过程中应力同时受应变速率和温度的影响。为了研究USIBOR1500高强钢在不同冲压速度对成形结果的影响，通过DYNAFORM软件分别对冲压速度分别为30、50、70、90、110 mm/s 成形过程进行模拟。得到不同冲压速度下成形结束时的零件最低温度如图4所示。

从图4中可以看出，USIBOR1500高强钢热冲压成形结束时，随着冲压速度的升高，板料的最低温度也在升高。当冲压速度低于45 mm/s时，冲压成形后零件的最低温度将低于412 ℃，此时奥氏体可能已经发生了转变，不能为后续冷却淬火保证单一的奥氏体环境，不利于零件的成形质量，所以冲压速度不能低于45 mm/s。

2.2 冲压速度对板料应力的影响

图5表示USIBOR1500高强钢热冲压成形结束时成形零件应力变化曲线，冲压速度分别为50 mm/s、70 mm/s、90 mm/s、110 mm/s。

由图5可知，随着冲压速度由50 mm/s增加到110 mm/s的过程中，板料所受的最大应力出现了先减小后增大的现象，由USIBOR1500高强钢材料的本构方程可知，板料成形过程中温度和应变速率同时影响着板料的应力。冲压速度在50～70 mm/s时，随着冲压速度增加最大应力减小，是因为板料降温时间越少，成形温度越高，温度对应力的影响比应变速率大。当冲压速度由70 mm/s增加至110 mm/s过程中应变速率对应力的影响较大，所以最大应力随着冲压速度的增加而增大，此时较大的应力不利于板料成形。

2.3 冲压速度对板料厚度的影响

图6为不同冲压速度下USIBOR1500高强钢成形结束时板料厚度分布云图。

由图6可知，成形制品最薄位置位于端部两侧红色区域，而其余部分厚度分布较均匀。当冲压速度较高时，USIBOR1500钢板料的变形温度比较高，同时材料内部承受的变形抗力随着速度上升有所增加，这时特别容易造成的材料损坏，最终形成冲压件缺陷，将严重影响成形件的质量，同时如果冲压速度太大，极易造成冲压件减薄现象。冲压成形后，基于以上的综合考虑，模具的冲压速度宜选择在50～70 mm/s。

2.4 压边力对成形的影响

在热冲压成形过程中，压边力的大小对于成形结果的影响非常重要，压边力过小会导致成形不充分、起皱等问题，压边力过大会导致板料破裂。图7为不同压边力下USIBOR1500高强钢成形结束时板料最小厚度曲线图。

如图7所示，压边力为50 kN时板料最小厚度为1.28 mm，压边力为100 kN时板料最小厚度为1.20 mm，压边力为150 kN时板料最小厚度为1.04 mm。随着压边力增大，板料流动性降低，减薄量越大。

图8为不同压边力下USIBOR1500高强钢成形结束时零件FLD图。

由图7和图8可知，压边力50 kN时板料成形性能较好，压边力为100 kN时板料局部区域减薄较大，但未出现破裂现象，如图8红色区域所示当压边力为150 kN时板料红色区域出现破裂现象。这说明压边力的控制不能超过150 kN，压边力的控制应在50～100 kN范围内，板料即不容易出现起皱也不容易出现破裂，成形性能较好。

3 结论

1)成形制品最薄位置位于端部两侧区域，而其余部分厚度分布较均匀。冲压速度太小，成形结束时零件温度过低，不利于组织向马氏体转变，影响最终材料性能；冲压速度太大，极易造成冲压件减薄现象。基于对成形后零件的最低温度和最大应力的影响方面考虑，模具的冲压速度宜选择在50～70 mm/s。

2)压边力影响着板料成形结果，过小的压边力导致板料起皱，成形不充分，过大的压边力会导致成形时板料容易破裂，当汽车防撞梁热冲压的压边力控制在50～100 kN范围内时，板料即不容易出现起皱也不容易出现破裂，成形性能较好。