浅谈钢板热冲压新技术

钢板热冲压是一种将先进高强度钢板加热到奥氏体温度后快速冲压,在保压阶段通过模具实现淬火并达到所需冷却速度,从而得到组织为马氏体,强度在1500MPa左右的超高强度零件的新型成形技术。文章对钢板热冲压新技术的关键装备、核心技术作了系统介绍,并指出了其使用现状和前景。     

高强度钢板热塑性行为及在车身轻量化中的应用

为深入研究板材热塑性变形机理以及促进热成形工艺在汽车结构件生产制造中的应用,采用理论、试验与仿真相结合的方式,基于高强度钢板热-力-相变耦合本构关系,结合弹塑性非线性大变形分析建立了热塑性成形动力显式有限元列式,开发了高强度钢板热成形数值仿真有限元分析软件,对一款U型试件的热成形过程进行数值模拟,模拟结果与试验一致,且通过拉伸试验获得了成形后零件的力学性能,屈服极限在1 100 MPa以上,强度极限可达1 500 MPa以上. 并通过数值仿真对比一款热成形前保险杠与原始冷成形保险杠的碰撞过程,得出保险杠采用热成形件可减重36.5%,比吸能比原始模型增加16.0%.     

材料形变失稳的各向异性损伤准则及其在成形极限中的应用

本文用损伤力学的理论分析了各向异性材料在多轴应力情况下的各向异性损伤演变,提出了一个损伤演变模型和一个新的形变失稳损伤准则,将这一准则用于板材成形极限图的研究,并用08F钢板进行了实验验证.     

高强度钢保险杠成形工艺及回弹控制的数值模拟优化

采用高强度钢板制造的保险杠能大大提高乘员安全性,但高强度钢板成形非常困难,国内可供参考的成功案例非常有限,如果采用国外热成形技术又会显著增加成本且效率低。只能在现有水平下采用先进的数值模拟技术与调整冲压工艺相结合才能解决该问题。介绍了采用有限元分析软件Dynaform对某轿车高强度钢保险杠冷冲压成形过程进行模拟,发现回弹和破裂是其主要缺陷。通过研究工艺补充面对零件冲压成形以及回弹的影响,并总结出规律,然后对工艺补充部分进行调整,并设置凸顶得到了优化的工艺型面,最终一举取得成功,为同类相关高强度钢零件的生产起到了指导作用。     

薄板微冲压成形失稳分析与实验研究

针对薄板微冲压成形过程中产生的尺度效应现象,以塑性应变梯度理论的本构方程为基础,推导出基于应变梯度的集中性失稳准则,并对薄板微冲压成形过程进行分析,得到冲压成形深度与极限应变值的关系,以及材料发生极限应变时的极限成形深度.同时,设计了相应的微冲压成形实验.结果表明,材料在微冲压成形过程中的成形极限小于宏观成形过程的成形极限,新的失稳准则能够更为准确地预测薄板微冲压成形过程中的成形极限.     

基于M-K理论的6016铝合金成形极限曲线预测

近年来,为实现汽车车身轻量化,大量的铝合金材料被用于汽车车身制造,由于6016铝合金具有良好的烘烤性能,被大量使用.但是传统的冷成形技术并不能成形复杂零件,因此热冲压-冷模具淬火成形技术被用到铝合金的成形过程中,板材成形领域中一个重要的性能指标是成形极限.本论文使用理论预测和试验两种方法对6016铝合金成形极限曲线进行了研究.首先,建立了考虑应变强化和应变速率强化的Fields-Bachofen本构方程,并将此本构方程引入到成形极限理论推导过程中;然后,基于M-K凹槽理论,对6016铝合金成形极限曲线进行了理论预测,并且采用Nakazima试验方法对预测结果进行了验证.结果显示,随着初始厚度不均度的增加,预测曲线向纵坐标的正方向移动;通过实验值和预测值的对比发现M-K凹槽理论对成形极限曲线的预测是可行的、准确的.     

凹模温度对AZ31B镁合金板材冲压成形性能的影响

采用Nakazima半球凸模胀形法获取不同凹模温度下AZ31B镁合金板材的成形极限曲线(FLC),研究了温冲压过程中凹模温度对镁合金板材成形性能的影响.运用有限元法对等双拉试样进行热-力耦合模拟,得到不同凹模温度下的温度场,分析AZ31B镁合金板材与凹模在热传递过程中的热-力耦合关系.另外,通过试制汽车行李箱铰链支架盖板零件,验证了实际工况下凹模温度对AZ31B镁合金板材成形极限的影响.结果表明:凹模温度的降低,会显著改变AZ31B镁合金薄板成形时的温度梯度分布,造成材料成形极限的下降以及破裂位置的改变;不同凹模温度下所得FLC的模拟值与其实验值相符.     

镁合金板材温热成形性能

通过热模拟单拉试验,获得了AZ31镁合金板材在不同工艺条件下的真实应力应变曲线,分析了温度和应变速率对流变应力的影响.通过极限拉伸比试验,研究了轧制、退火、拉伸温度、拉伸速度、拉延间隙以及压边力等工艺因素对镁合金板材成形性能的影响.结果表明:交叉轧制和退火工艺能够显著提高镁合金板材的力学性能;在极限拉伸温度150℃、极限拉伸速度15 mm/s的工艺条件下,极限拉伸比能够达到3.0;AZ31镁合金板材适宜的拉延间隙为板厚的1.2倍.     

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V板材热成形的韧性破裂准则

为精确预测Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V板材热成形过程中的破裂现象,通过实验与有限元模拟相结合的方法建立基于CL,RT和Oyane的钛合金板材热成形韧性破裂准则。首先,进行不同温度及应变速率下的钛合金板材单轴等温拉伸实验,得到不同温度及应变速率下的破裂应变。随后,基于得到的破裂应变,利用有限元模拟及点追踪方法得到上述不同韧性破裂准则的损伤参数,通过引入Zener-Holloman参数lnZ,建立损伤参数随温度和应变速率变化的模型。最后,综合考虑变形历史、温度及应变速率对板材破裂的影响,建立基于CL,RT和Oyane准则的钛合金板材热成形韧性破裂准则,并将建立的韧性破裂准则应用到钛合金锥形件热旋成形破裂预测。研究结果表明:破裂应变随温度的升高和应变速率的降低而逐渐增大;不同韧性破裂准则的损伤参数随温度和应变速率的变化与破裂应变的相同;Oyane准则预测准确度最高。     

基于韧性断裂准则的AZ31B镁合金板材成形极限预测

结合损伤起始判据和损伤演化准则,建立了完整的韧性断裂准则,基于ABAQUS中韧性损伤材料模型对AZ31B镁合金板材成形极限进行了预测。通过拟合单向拉伸应力应变曲线得到材料本构模型及损伤演化参数,建立了板材的Nakazima半球形凸模胀形有限元仿真模型,再基于韧性断裂准则预测了AZ31B镁合金板材室温下的成形极限,并分析了不同板材断裂失效判据对成形极限的影响。研究结果表明,基于所建立的韧性断裂准则,并以损伤演化过程中应变路径转变作为断裂失效判据,可以较准确地预测镁合金板材成形极限,得到的成形极限图与实验结果吻合较好。     

Simulation about hot stamping of ultra high strength steel on the basis of lightweight technology

With the development of automobile lightweight,it is very necessary to apply the ultra-high strength steel parts manufactured by hot stamping,which offers the possibility to reduce the weight of automobiles and maintain the safety requirement.In order to complete hot stamping,it is important to design the structure of parts reasonably,which is related with reasonable matching of strength.The objective of this paper is to guide the design of parts manufactured by hot stamping and find the forming technical requirements of vehicle performance.Through experiments,the paper obtains the stress and strain curves at different deformation temperatures and strain rates.Based on experimental data, the constitutive relationship model is established which can reflect the deformation capacity of ultra-high strength steel during the process of hot stamping.Combined with finite element simulation results of hot stamping by commercial software AUTOFORM,transfer path of load and matching law of strength,the paper determines the design criteria and forming technical requirements of parts manufactured by hot stamping.At the same time,the impact performance of front cross member internal plate is taken into consideration.     

Numerical simulation of hot stamping of side impact beam

Ls-DYNA software is adopted to conduct research of numerical simulation on hot stamping of side impact beam to calculate the temperature field distribution,stress field distribution,forming limit diagram(FLD) figure,etc.in the course of hot stamping so as to predict and analyze the formability of parts.ProCAST software is employed to conduct research of numerical simulation on solid quenching course concerning hot stamping to calculate temperature field distribution of tools and component of multiple stamping cycles.The results obtained from numerical simulation can provide significant reference value to hot stamping part design,formability predication and tools cooling system design.     

The test device for heat friction coefficient of high strength steel

Using high strength steel and ultra-high strength steel in hot stamping and automobile parts is one of the most important ways of the automobile lightweight,which is the development trend of automobiles currently.In this paper, the development of test device for heat friction coefficient by high strength steel can provide important technical parameters for hot stamping process,making the right selection of equipment types,mold design,technology optimization,and research and development of lubrication medium of press forming.At the same time,the experiments indicate that the instrument has not only accurate test result but also good repeatability.     

CSP热连轧再结晶临界应变模型研究

通过THERMOMASTER-Z型热／力模拟试验机对CSP生产线上冷轧冲压基板（SPHD）进行了热变形实验，建立了该钢种的临界应变模型以及流动应力-应变模型；分析了试验过程中工艺参数对临界应变、流动应力的影响。结果表明，变形温度、变形速率是影响临界应变的主要因素，当热变形达到临界应变时，将发生动态再结晶，同时造成变形抗力的波动。     

Effect of hot stamping parameters on the mechanical properties and microstructure of cold-rolled 22MnB5 steel strips

Thermomechanical experiments were carried out to reproduce the hot stamping process and to investigate the effects of process parameters on the microstructure and mechanical properties of stamped parts. The process parameters, such as austenitizing temperature, soaking time, initial deformation temperature and cooling rate, are studied. The resulting microstructures of specimens were observed and analyzed. To evaluate the mechanical properties of specimens, tensile and hardness tests were also performed at room temperature. The optimum parameters to achieve the highest tensile strength and the desired microstructure were acquired by comparing and analyzing the results. It is indicated that hot deformation changes the transformation characteristics of 22MnB5 steel. Austenite deformation promotes the austenite-to-ferrite transformation and elevates the critical cooling rate to induce a fully martensitic transformation.     

超高强度钢防撞梁热成形改冷冲压工艺设计及优化

安装在车门内的防撞梁是提高轿车侧碰撞安全性的关键部件,国外高安全性轿车都采用超高强度钢板制造防撞梁,但超高强度钢板成形困难,普遍采用成本高的加热成形方法。笔者介绍了采用有限元分析软件Dynaform对某高级进口型轿车超高强度钢防撞梁热成形改冷冲压工艺过程进行模拟仿真,并优化成形工艺,主要研究了温度对超高强度板内部组织变化起的作用。通过模拟和实际对比研究工艺补充面对零件成形及回弹的影响,并设置凸顶得到了优化的工艺型面,为同类相关高强度钢零件的生产起到了指导作用。     

X100管线钢的高温变形力学行为

采用Gleeble-3500热模拟试验机对X100管线钢进行单道次压缩试验,研究其变形抗力与应变量、应变速率和变形温度的关系,利用回归分析确立合适的变形抗力数学模型,并将模型预测值与试验值进行比较。结果表明,变形温度对X100管线钢变形抗力影响显著;高温低应变速率更有利于X100管线钢回复和再结晶的发生;应变速率过高会引起非稳态变形,不利于X100管线钢轧制过程的控制;利用回归分析确定的变形抗力模型能够准确预测X100管线钢的变形抗力,相关系数为0.986。     

高强度钢板的热塑性成形极限

以22MnB5为研究对象,通过试验与数值模拟相结合的方式研究了高强度硼钢在高温下的热塑性成形极限. 开发了基于Nakajima测试的成形极限试验装置TFLD300,进行了高温条件下的成形极限试验并获得了不同温度下的成形极限曲线,由此建立了考虑温度影响的三维成形极限图3D-TFLD(thermal forming limit diagram). 在自主开发的商业金属成形软件KMAS(king mesh analysis system)基础上,结合热成形热、力及相变多物理场耦合关系开发了热成形分析模块,并将三维成形极限图作为高温成形性的判断准则引入到热成形数值模块中. 以一款汽车B柱为例,通过KMAS软件对其热成形过程中的破裂情况进行了数值模拟,并与试验进行对比,结果证明KMAS软件热成形分析模块和3D-TFLD能够准确地预测板料在热成形过程中的破裂情况.     

50Mn18Cr4V无磁钢的热变形行为

通过高温压缩热模拟实验,研究了50Mn18Cr4V高锰无磁钢在变形温度为900~1100℃、应变速率为01~10s-1条件下的热变形行为.结果表明,VC第二相的应变诱导析出对50Mn18Cr4V的热变形行为产生重要影响.当变形温度为900~1000℃,应变速率为5s-1时,VC第二相不能充分析出,与应变速率为1s-1相比,对动态再结晶的阻碍作用减弱.应尽量使实验钢在高温段完成热加工,并适当提高应变速率.随着变形温度降低到950℃以下,材料的塑性变差,若以较低的应变速率变形,容易造成晶界开裂;应变速率过高,容易造成流变失稳,因此,以5s-1的应变速率变形,较为适宜.确定了50Mn18Cr4V无磁钢的再结晶激活能为7769kJ/mol.通过实验数据回归,建立了实验钢的高温变形抗力模型.     

基于破裂失效准则的变压边力理论及其工程应用

基于变压边力成形是提高铝合金、高强度钢板等难成形材料成形性能的有效方式之一,构建了圆杯件最优压边力理论模型.将冲压过程中的拉伸载荷表达为工艺参数和材料参数的方程,应用与拉伸载荷有关的破裂准则求解出压边力,从而得出随不同行程变化的最优压边力曲线.模型考虑了材料各向异性、不同冲压深度下板料在凹模圆角处的弯曲角,确保预测的准确性.最后,采用多点液压变压边力压机对得出的最优压边力曲线进行验证.结果表明,该最优压边力曲线可有效提高铝合金的冲压深度.