被動(dòng)安全性能越來(lái)越多的受到重視，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要方法就是汽車(chē)車(chē)身的輕量化。在目前看來(lái)，車(chē)用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)在汽車(chē)業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越受關(guān)注，并已成為滿足汽車(chē)減重和增加碰撞性能和安全性能的重要途徑。但高強(qiáng)度鋼板在室溫下的變形能力差，容易產(chǎn)生開(kāi)裂、回彈等缺陷，同時(shí)對(duì)于模具磨損嚴(yán)重，大大降低模具使用壽命。高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓技術(shù)是解決上述問(wèn)題的一種新型的成形技術(shù)。目前成為世界上眾多汽車(chē)生產(chǎn)廠商關(guān)注的熱點(diǎn)，通用、福特、大眾、豐田和沃爾沃等汽車(chē)制造公司都在使用熱沖壓的高強(qiáng)度汽車(chē)零件。
文獻(xiàn)對(duì)熱沖壓用鋼的溫度相關(guān)性與應(yīng)變率相關(guān)性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)對(duì)板料進(jìn)行等溫拉伸，獲得了22MnB5奧氏體狀態(tài)下材料軋制方向、溫度和應(yīng)變速率對(duì)流動(dòng)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，研究了冷卻速率對(duì)材料性能的影響。文獻(xiàn)采用熱膨脹計(jì)監(jiān)控22MnB5的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變特征參數(shù)，獲得了馬氏體相變初始溫度及奧氏體化最佳溫度、保溫時(shí)間。本文以Numisheet2008提供的B柱熱沖壓考題為基礎(chǔ)，采用熱-力耦合的分析方法，建立了其熱沖壓仿真模型，得到熱沖壓過(guò)程中板料溫度及厚度分布，為熱沖壓模具設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1 熱沖壓技術(shù)原理
熱沖壓技術(shù)原理是將室溫下鐵素體與珠光體組織的高強(qiáng)度硼合金鋼板加熱至奧氏體狀態(tài)，然后將奧氏體化的板料送入帶有冷卻裝置的模具中進(jìn)行沖壓成形，同時(shí)由模具對(duì)板料進(jìn)行淬火處理，保證鋼板在形變過(guò)程中能夠快速冷卻，獲得在室溫下具有均勻馬氏體組織的高強(qiáng)度鋼構(gòu)件。
實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)零件的難易程度又可分為直接熱沖壓和間接熱沖壓。圖1（a）為直接工藝，下料后將坯料送進(jìn)加熱爐加熱，然后傳送到模具進(jìn)行成形及淬火，主要適用于形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的零件，如果采用帶有渡層的鋼板，其成形精度好，抗腐蝕能力強(qiáng)；圖1（b）為間接工藝，多為形狀復(fù)雜的零件采用，其先冷沖壓預(yù)成形，然后再加熱后熱成形。
2 有限元模型的建立
B柱加強(qiáng)板材料為低碳硼合金鋼22MnB5，其化學(xué)成分如表1所示，材料厚度為1.95mm。由于熱沖壓的模擬過(guò)程是熱力耦合分析，溫度對(duì)材料的流動(dòng)應(yīng)力及變形抗力影響很大，所以需要不同溫度條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，這一系列的硬化曲線應(yīng)覆蓋整個(gè)熱沖壓溫度階段。圖2為22MnB5不同溫度的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，隨著溫度的增加，材料的屈服應(yīng)力降低，成形性能增強(qiáng)。
B柱熱沖壓三維有限元模型如圖3所示。熱沖壓過(guò)程分為壓邊和成形兩個(gè)階段，各階段成形參數(shù)如下：
壓邊圈壓邊階段：板料初始溫度為810℃，模具溫度為75℃，壓邊過(guò)程中模具的運(yùn)動(dòng)速度為200mm/s。沖壓成形階段：板料的溫度直接繼承壓邊階段結(jié)束后的溫度，模具運(yùn)動(dòng)速度為200mm/s，板料與模具間的摩擦系數(shù)為0.4。
3 結(jié)果分析
3.1 厚度分析結(jié)果
圖4所示為選取的三個(gè)厚度截面位置，截面1：經(jīng)過(guò)點(diǎn)（538.189，-39.491，0），法線方向?yàn)椋?.0，0.83078，0.0）；截面2：經(jīng)過(guò)點(diǎn)（406.118，0.0，0.0），法線方向?yàn)椋?.0，0.0，0.0）；截面3：經(jīng)過(guò)點(diǎn)（-25.0，0.0，0.0），法線方向?yàn)椋?.0，0.0，0.0），測(cè)量其厚度分布情況，圖5所示為截面厚度分布情況。
從各截面厚度分布情況可以看出：數(shù)值分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，各截面的厚度分布趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，基本在±5%實(shí)驗(yàn)結(jié)果范圍內(nèi)，吻合情況較好。
3.2 溫度分析結(jié)果
圖6分別為不同時(shí)刻分析得到的板料溫度場(chǎng)。在開(kāi)始沖壓階段，由于板料的壓邊區(qū)域與模具接觸較早，板料與模具產(chǎn)生熱交換，壓邊區(qū)域溫度下降較快；隨著成形的進(jìn)行，板料變形程度的增加，由于塑性變形產(chǎn)生的塑性變形熱及摩擦生熱，導(dǎo)致零件梁部分溫度升高；沖壓結(jié)束后，零件溫度分布如圖6（b），可以看出，板料熱沖壓后溫度分布不均，整體溫差在400℃左右。通過(guò)材料的溫度分布，可以為熱沖壓模具設(shè)計(jì)提供依據(jù)，即在溫度相對(duì)較高區(qū)域要考慮加大冷卻效果，最終保證材料的均勻冷卻，溫度分布均勻。
3.3 成形性分析結(jié)果
圖7為與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的厚度減薄情況。與模擬的成形性分析結(jié)果對(duì)比，可以看出模擬得到的危險(xiǎn)區(qū)域與實(shí)驗(yàn)的頸縮部位基本一致，均在于尾部圓角處，這也驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性。
4 結(jié)論
本文建立了B柱熱沖壓的有限單元模型，采用熱力耦合的方法，對(duì)整個(gè)熱沖壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了熱沖壓過(guò)程中板料的厚度及溫度分布律，并對(duì)該零件成形性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：截面厚度分布基本在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的±5%范圍內(nèi)，在零件尾部圓角處厚度減薄較大；成形結(jié)束后，板料壓邊區(qū)域由于同模具接觸較早，溫度較低，而尾部圓角區(qū)域及梁的部分由于塑性變形較大，產(chǎn)生的塑性變形熱使該處溫度較高，板料整體溫差在400℃左右。