新材料与工艺手册

[轻量化工艺] 汽车用第三代高强钢QP980冲压工艺设计

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发表于 2020-5-25 11:44:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】汽车用第三代高强钢QP980冲压工艺设计
邢 进1,于素军1,赵华文2(1.滨州学院 机电工程学院;2.滨州市公路事业发展中心,山东 滨州 256603)
摘 要:通过Simufact.Forming有限元软件建立了高强钢QP980热冲压有限元模型,对W形件的成形以及保压淬火过程进行了模拟,模拟结果表明该工艺有效。分析了热冲压过程中温度和保压时间等工艺参数对工件应力应变的影响,通过合理选取热冲压模具材料及重新设计模具结构,改善了高强钢在热成形过程中存在的问题,有效提高了冲压件质量。
关键词:高强钢QP980;有限元分析;数值模拟;热冲压模具

[size=1em]为适应汽车工业在环保、安全性等方面的要求,汽车轻量化技术越来越受到汽车生产商的青睐。汽车轻量化技术是在保证汽车安全性能要求的情况下,采用新型加工方法或者高强度、低密度的新材料制造车身零部件,降低零件厚度,从而降低车身重量[1]。目前采用高强钢是实现汽车轻量化最具经济效益的方法。汽车用第三代高强钢QP980采用Q&P 热处理工艺生产,微观组织是由板条马氏体和残留奥氏体交错存在的复相组织[2],在力学性能方面兼具高强度和优良的可塑性,且相对于第一代和第二代高强钢更具经济性。采用第三代高强钢制造的车身构件对碰撞产生的冲击力具有良好的吸收性,同时能减轻车身重量。但由于生产过程中含氢量过高,造成金属晶格扭曲,降低了材料的抗拉强度和韧性,导致零件成形性能差,成形件存在诸多质量问题,限制了其在汽车行业的广泛应用[3]。

1 冲压工艺分析与方案确定1.1 冲压零件的结构设计

[size=1em]作为典型的热冲压实验零件,W型件在结构上相对于其他零件具有结构对称的特点,在加工零件时也相对于其他零件较易成形。W型件的零件图如图1所示。

[size=0.8em]图1 W型件零件图

1.2 毛坯尺寸的设计

[size=1em]首先确定零件应变中性层。在小弯曲变形情况下,认为材料中间位置既不受拉也不受压,即中性层位置。在计算毛坯总体尺寸时,应分别计算W型件的侧面部分以及发生较大弯曲变形的深V部分,即

[size=0.8em]图2 弯曲计算示意图
[size=0.8em]∑L弯曲=∑L直边+∑L弯边。

[size=1em]图2为深V部分尺寸计算示意图。各弯曲部分中性层长度计算如下:


[size=1em]式中,L弯曲为弯曲部分应变中性层展开长度(单位:mm);α 为弯曲中心角(单位:°),α=180°-θ;θ 为弯曲角(单位:°);R为内侧弯曲部位表面的圆角半径(单位:mm);K为应变中性层位移系数,K=0.39;t为变形前材料的厚度(单位:mm);ρε 为应变中性层的曲率半径(单位:mm)。

1.3 冲压方案的确定

[size=1em]热冲压工艺主要包括板料的下料、加热、成形、冷却等工序[4]。根据是否存在预成形工序分为直接型热冲压工艺和间接型热冲压工艺。直接型热冲压工艺不存在预成型工序,生产周期短,主要用于生产形状简单的零件。W型件形状简单且结构对称,适合采用直接型热冲压工艺。

[size=1em]加热过程是将板料升温至900℃左右,并在此温度下保温一定时间,使其组织转变为均匀的奥氏体,以提高板料可塑性。

[size=1em]成形过程中,凸模开始接触板料时,板料经过初始弹性变形及拉伸塑性变形,板料上接触面和凸模圆角接触部分以及下板和凹模圆角接触部分发生变形,板料逐渐向凹模滑动,在凸凹模圆角和模面共同作用下,形成初步的形状。随着冲压过程的继续进行,板料持续向凹模滑动直至板料与凹模完全接触,随着凸模继续施加压力,板料间的摩擦力也相应增大。最终形成完整的工件。

[size=1em]冷却过程是通过模具内部的冷却系统,使工件温度迅速下降。板料的微观组织由奥氏体转变为均匀的马氏体。在此过程中通过控制冷却介质的流动速度来保证板料的冷却速率大于临界冷却速率并完成模内保压,以使工件形状和尺寸不再发生变化。

2 W件成形模拟分析

[size=1em]高强钢QP980冲压工艺过程有限元仿真分为成形和模内保压淬火两部分。根据实际连续热成形生产情况,设定送入模具前的板料温度为800 ℃,模具温度为100 ℃。

2.1 热冲压数值模拟

[size=1em]2.1.1 材料模型 材料选择汽车用第三代高强钢QP980,QP980是淬火延性钢,其主要化学成分如表1所示。模具材料选择工具钢H13钢,其热物理性能如表 2所示。

[size=1em]表1 QP980的化学成分

[size=0.8em]%

[size=0.8em]表2 H13钢的热物理性能

[size=1em]为了描述材料的变形行为,应力增量和应变增量之间的关系可通过率形式的本构积分得到,本构的率形式为式中, C为四阶的弹塑性张量,为柯西应力率,为应变率,应变率可以分解为弹性部分和塑性部分。式中,为弹性应变率,为塑性应变率[5]。

[size=0.8em]图3 模型示意图

[size=1em]2.1.2 有限元模型 设定QP980高强钢的板料厚度为2 mm。为了缩短模拟时间,取1/2板料进行模拟,仿真中采用3D模型如图3所示。模具具体尺寸:凸模半径5 mm,凸模圆角半径3 mm,凸模拔模角度27°,凹模半径5 mm,凹模深度24 mm,凹槽半径5 mm。板料与凸、凹模具间均采用面-面接触,板料与空气间的热交换,选择库伦摩擦模型,设定界面摩擦系数为0.1,润滑情况良好。

2.2 成形仿真分析

[size=1em]2.2.1 温度分布 热冲压过程中的温度变化会影响工件的组织变化,进而引起工件力学性能变化。为了保证板料完成相变之后组织里不掺杂影响其力学性能的其他组织,必须使冷却速率大于临界冷却速率,否则无法得到理想的马氏体组织[6]。因此,分析热冲压过程中的温度变化对能否得到理想的产品十分重要。

[size=1em](1)冲压过程,如图4(a),板料最先与凸模发生接触,由于两者之间的温度差较大,深V部位与凸模产生热传递,大部分的热量被冷却系统中的冷却水带走,同时大量的热量通过热辐射换热而传递到周围环境当中,温度变化速度较快。(2)保压过程,如图4(b)、图4(c),由于在保压过程中工件弯角处与模具接触的时间相对于深V部位侧面较长,因此温度下降较快。

[size=0.8em]图4 温度随时间变化的分布图

[size=1em]由板料的温度分布云图可知,板料与模具表面间接触发生热传导,板料中储存的热量迅速向模具传递。保压开始后,工件温度迅速下降,最大冷却速度在170 ℃/s,处于临界冷却速度之上,使得马氏体转变顺利完成。

[size=1em]2.2.2 W型件应力分布变化分析 材料力学性能很容易受温度影响,因此,应力应变场会受到温度场的影响而发生变化。所以分析应力场的变化规律也是一个重要的研究课题。图5为W型件深V部位以及弯曲变形部位应力场变化分布图。

[size=0.8em]图5 W型件应力分布变化图

[size=1em]冲压成型阶段,如图5(a)所示,凸模最先与板料接触,并开始对其接触部位施加作用,板料发生弯曲变形,深V处的圆角部位出现了一定的应力,而且该部位的应力也相对于侧面应力较大,而平面部分应力最小,结合板料的温度分布云图可明显看到,板料温度分布越低的部位应力越大。

[size=1em]保压成型阶段,如图5(b)、图5(c)所示,由于冷却系统作用,板料温度逐渐降低,板料应力值逐渐增大,深V处圆角部位应力值始终高于深V处两侧面和工件的平面部位。

[size=1em]由冲压、保压阶段的温度、应力分布云图可知,板料温度越低部位应力越大。可见,温度变化引起的应力场变化非常明显。

[size=1em]2.2.3 W型件等效塑性应变分布变化分析 图6为等效应变分布图。由图6(a)可知,弯角处出现了最大的变形量,导致该处的应变值也最大。随着冲压过程的继续进行,此处受到的弯曲阻力逐渐增大,进而引起板料在凸模和凹模之间的滑动。这种情况下,板料变形量进一步增大。由于滑动摩擦力的影响,其等效应变也随之增大。保压过程中,对零件进行模内淬火,以免工件在冲压结束后出现开裂、扭曲等不均匀变形。由图6(b)、图6(c)可知,由于深V的侧面温度较低,抗拉强度相对较高,因此侧面应变小于弯角处应变。在热冲压各个阶段,由于弯角处的接触面积较大,传热效果较好,降温速率相对较大。因此,该处温度总是低于深V两侧面和平面处温度。随着温度的降低,工件的应力增大,因此零件上的最大应力出现在其弯角处,进而导致了在弯角处出现了最大的等效应变。

[size=0.8em]图6 等效应变分布图

3 模具的总体结构设计

[size=1em]图7为W形件热冲压模具装配图。W形件冲压模具主要由凸模、凹模、弹性卸料装置、弹性推件装置、上模垫片、定位零件和紧固零件等组成[7]。模架为可以从前后左右进料的四导柱模座,为了保证生产能够安全持续地进行,进料由装有夹紧装置的机械臂进行。在模具两侧面设置定位挡料销,分别置于模具相邻两面,采用角定位方式,方便快捷。推件装置采用模内推件弹簧,上模座均匀排布五个长度一致的推件杆。为保证冲压后零件仍保持较高的质量,凹模两侧设置压边圈,通过和下模座相连的卸料弹簧发挥作用。设置的弹性卸料装置工作过程中平稳无冲击,保证了冲件质量。滑动导柱、导套保证了导向装置的精确性。

[size=0.8em]图7 W形件热冲压模具装配图

[size=1em]模具工作过程为:通过配备夹持装置的机械手将板料横向送入模具,启动液压压力机,凸模部分在压力机滑块作用下向下运动。凸模与板料发生接触,当板料与凹模发生接触时完成落料工序。之后凸模继续向下移动与凹模相互作用,通过保持一定时间的压力来完成拉伸过程,确保工件成形精确。随后进行卸料工序,在弹性卸料装置( 压边圈、卸料弹簧和卸料杆)作用下,利用机械手将工件从模具上卸下。

4 结语

[size=1em]本文针对QP980高强钢模拟分析并改进了冲压工艺,通过模拟仿真验证了该工艺的有效性,利用相关的软件完成了QP980高强钢有限元模型的建立。由于弯角处与模具接触面积大于平面处,温度下降速度较快,相对于平面处温度较低,且得出在淬火阶段冷却系统的最大冷却速度为170 ℃/s,保证了马氏体转变的顺利完成,提高了工件强度。根据模具的结构设计标准和材料选择的要求,完成了W形件热冲压模具设计,绘制出模具的装配图。经过试模验证,设计的热冲压模具满足了安全持续生产的使用要求,零件冲压工艺行之有效,操作方便,可为同类型零件的加工提供借鉴。



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