温冲压工艺对汽车桥壳成形组织性能的影响研究.pdf

年 月 第一期温冲压工艺对汽车桥壳成形组织性能的影响研究陈光俊 曹聪 杨 助 程 磊(.南京钢铁股份有限公司 南京.北京科技大学工程技术研究院 北京)摘 要:采用有限元仿真和模拟试验的方法对温冲压桥壳的成形工艺及性能进行了研究 当冲压温度从室温升至 时桥壳成形时的最大应力可减少 桥壳钢 变形后的室温强度和塑性表现最好屈服强度为 塑性极限为.变形后保温时间对材料的塑性和强度提升并不明显材料变形区均为变形拉长的铁素体和珠光体组织随变形温度升高铁素体晶粒尺寸增大关键词:桥壳高强度钢温冲压有限元模拟 前言目前汽车工业多采用高强钢取代普通钢作为制造汽车零件的原材料在提高汽车安全性的同时减少由于汽车增重引起的能源消耗 虽然高强钢的承载能力远大于普通钢但由于强度的提升其在成形过程中也存在许多难题 如高强钢零件在冷冲压过程中需要通过增加外载荷来克服更大的变形抗力且变形后零件易发生显著的回弹、起皱或局部开裂现象影响成形零件质量在热冲压过程中冲压工艺复杂工序多成本高 且工件在高温下形成的氧化层易导致模具受损并影响成品的表面质量 相比冷、热冲压高强钢温冲压成形工艺属于一种新兴的板料塑性成形工艺既能避免冷冲压较大的冲压力及拉裂缺陷又可以降低热冲压较高的成形温度及生产成本正受到越来越多的学者关注本文以汽车桥壳用高强度热轧钢板作为研究对象进行温拉伸试验测定桥壳钢的温变形力学性能通过光学显微镜和 分析显微组织特征使用有限元软件对高强钢桥壳温冲压成形进行模拟并对温成形后的性能和组织进行表征试验通过高强度桥壳钢温冲压成形工艺及性能研究解决冷冲压过程中的缺陷问题并为桥壳的生产提供一种新的改良工艺 试验材料及方法.试验材料及仿真建模试验材料为冲压式焊接货车桥壳用 厚 热轧态钢板主要成分包括():.:.:.:.:.:.原始组织为珠光体和铁素体如图 所示图 冲压热轧钢板的初始组织根据实际加工尺寸建立板料温冲压成形有限元模型由于冲压式焊接货车桥壳板料是三维轴对称零件为简化计算采用冲压模具和板料的/模型开展模拟如下图 所示 模拟条件设置如下板料与模具为面与面接触摩擦系数设定为.环境温度设定为板料初始温度分别设定为、板料对流换热系数(膜层散热系数)设定为.()板料与模具之间传热系数设为()年 月 第一期温冲压工艺对汽车桥壳成形组织性能的影响研究 上下模具均约束为刚体板料为弹塑性变形体上下模具采用四面体网格板料采用 六面体八结点温度 位移耦合显式网格单元减缩积分沙漏控制对大变形区域(桥壳鼓包处及方圆过渡角)网格细化分厚度方向划分三层网格冲压时间设定 仿真对比温冲压工艺对桥壳关键成形位置受力特征的影响图 桥壳冲压模型图.模拟冲压拉伸试验在北京科技大学工程技术研究院自主研发的热成形试验机上采用标距为 的拉伸试样进行模拟冲压拉伸试验试验工艺如图 所示通过温拉伸试验获得桥壳钢在不同温度下的力学性能及塑性特征如图()分别在、下进行单向拉伸拉伸应变速率均为.试样拉伸断裂后随炉冷却至室温取出 以预拉伸试验模拟桥壳温冲压过程通过不同温度下预拉伸变形并冷却至室温后拉断相当于模拟桥壳鼓包处在不同温度下成形并在室温下表征温冲压工艺对桥壳组织性能的影响试验工艺如图()所示预拉伸量设定为 用来模拟温冲压过程桥壳鼓包处的变形量预拉伸应变速率为.则由模拟结果测算得出拉伸温度与拉伸后保温时间如表 所示保温后试样随炉冷却至 后空冷至室温取出将温拉伸试验和温冲压模拟试验得到的工程应力、工程应变数据分别按公式和换算得到真应力 真应变曲线 切取断裂试样经砂纸打磨、抛光、浓度的硝酸酒精腐蚀制成金相试样采用 激光共聚焦显微镜和 场发射扫描电镜观察分析不同冲压温度和保温时间对预拉伸样品室温拉伸性能的影响表 预拉伸温冲压模拟试验过程的工艺参数编号变形温度/保温时间/无无 试验结果.温冲压关键成形位置应力特征不同温度下温拉伸真应力 应变曲线如下图()所示温拉伸的应力应变曲线相比室温下没有明显的屈服平台屈服应力随温度的升高而降低在 变形塑性最好塑性应变达到.试样经过温拉伸后典型显微组织如图()、()所示铁素体和珠光体均沿轧向呈单向拉长变形特征 年 月 第一期图 拉伸试验示意图图 温拉伸试验真应力 应变及微观特征 使用温拉伸试验得到的塑性应力 应变数据进行温冲压有限元模拟不同冲压温度下桥壳应力分布如图 所示 其中冷冲压成形后桥壳内外侧应力分布云图如下图()、()桥壳内侧应力最大的位置集中在桥壳弯曲段桥壳外侧在桥壳鼓包处和方管段至方圆过渡角应力较大 在实际冷冲压生产过程中桥壳鼓包处和方圆过渡角这两处易于出现裂纹缺陷 温冲压下桥壳外侧应力云图分布如图()()随着温度的升高材料塑性变形抗力减小应力峰值随温度升高而变小.模拟冲压力学性能特征不同温冲压工艺模拟试验真应力 应变曲线如下图 所示其中图()为 温度下预变形后保温不同时间的模拟试验结果 试样在不同保温时间下最终室温力学性能整体相差不大保温 时材料室温拉伸屈服强度为 相比变形 后 保 温、强 度 提 高 约图()为不同温度下预变形后保温 的模拟试验结果 室温下拉伸桥壳钢屈服强度为.当 真 应 变 为.时 拉 伸 应 力 为材料处于塑性变形阶段当真应变为.时拉伸应力达到抗拉强度 当累积应变达到.时样品发生断裂 桥壳鼓包处在冷冲成形后处于屈服状态有效塑性应变剩余量为.(达到抗拉强度)下预拉伸变形后桥壳钢拉伸应力达到 冷却至室温再拉伸试样在弹性变形后出现屈服平台屈服强度 发生.的塑性变形时抗拉强度 在累积应变达到.时试样断裂 试样在 和 变形时预变形结束时的应力比 更低分别为 年 月 第一期温冲压工艺对汽车桥壳成形组织性能的影响研究 和 冷却至室温后拉伸强度也有所降低分别为 和 抗拉强度分别为 和 图 不同温度冲压桥壳 应力分布云图图 温冲压模拟试验真应力 应变曲线:综上桥壳鼓包处在 温冲压成形后继续变形时存在弹性变形阶段发生塑性变形前有屈服平台 温冲压后桥壳室温力学性能表现最好其中抗拉强度达到 比室温变形下降有效塑性区间为.比冷冲压(.)多出近.的塑性应变量保温时间对室温力学性能的影响不大 分析与讨论.温冲压工艺对组织及断口特征的影响在共聚焦显微镜下观察试样的组织形貌如图 所示 可见试样组织均由细长的铁素体和珠光体相间构成相比室温变形温变形组织变形程度更大晶粒更长温变形下的塑性更好 图()图()可见 变形后保温、组织特征差别不大 对比图()、图()和图()看出随变形温度升高铁素体晶粒尺寸增大 晶粒越大晶界面积越小宏观表现为材料的强度和塑性降低因此 温变形后同一保温时 年 月 第一期间变形后的室温强度和塑性表现最好图 不同工艺下的室温拉伸 组织 采用 表征不同工艺下的室温拉伸断口形貌如图 所示 可以看出试样在拉伸断裂后断口均成纤维状有大量韧窝存在温变形明显要比室温变形的断口韧窝更大这是因为试样在温变形过程内部韧窝在热力耦合的共同作用下增大变深图 不同工艺下的室温拉伸断口形貌.温冲压工艺对桥壳成形过程中应力 应变的影响针对桥壳鼓包处和方圆过渡角两处位置易出现开裂缺陷在有限元软件后处理中输出桥壳鼓包处、方圆过渡角处外侧位置结点应力和温度数据得到室温及 冲压过程中 应力、温度随时间的变化规律如图 所示 由图()和()可见桥壳鼓包处外侧 应力、温度随时间变化如下冲压 不同温度冲压的应力均逐渐达到峰值冲压 应力稍微减小温度下降幅度增加冲压 应力出现一定程度下降冲压 应力又迅速增加至最大 由图()和()可见方圆过渡角处外侧 应力、温度随时间变化如下冲压 .应力变化不大冲压.应力先增后减冲压.应力逐渐增加至峰值冲压.温度下降幅度增加 年 月 第一期温冲压工艺对汽车桥壳成形组织性能的影响研究 应力也逐渐减小冲压 应力回升图 桥壳鼓包处、方圆过渡角处外侧 应力、温度随时间变化 将室温及 冲压过程桥壳鼓包处最大 应力和最大等效塑性应变与桥壳钢温拉伸时的力学性能作对比 塑性极限是指材料断裂时对应的应变将抗拉强度对应的应变简称为抗拉强度应变 图()可以看出:冲压温度越高最大变形抗力越低冷冲压成形桥壳鼓包处最大 应力为 冲压成形桥壳鼓包处最大 应力依次降低分别为、均接近材料的抗拉强度 图()可以看出:冷冲压的最大塑性应变.超出材料抗拉强度对应的应变接近材料的塑性极限处于失稳状态可能会出现裂纹 冲压过程的最大塑性应变依次分别为.、.、.、.说明桥壳鼓包处的外侧塑性应变随温度增加而增大 因材料塑性也随温度增加而增大 冲压时桥壳鼓包处的外侧不会出现裂纹冷冲压的缺陷能得到避免图 桥壳鼓包处外侧的最大 应力、最大等效塑性应变与温拉伸性能比较 年 月 第一期 将室温和 冲压过程方圆过渡角处外侧最大 应力和最大塑性应变与桥壳钢温拉伸时的力学性能作对比 图()可以看出:温度越高最大变形抗力越低冷冲压成形方圆过渡角处外侧最大 应力为 冲压成形方圆过渡角处外侧最大 应力依次降低分别为、均接近材料的抗拉强度 图()可以看出:方圆过渡角外侧在冷冲压过程中最大塑性应变为.基本达到材料的塑性极限容易发生开裂 冲压过程的最大塑性应变依次分别为.、.、.、.可以看出最大塑性应变随温度得升高而增加但均低于材料的塑性极限说明 温冲压时因材料塑性得到提升方圆过渡角外侧能较好避免冷冲压开裂风险图 方圆过渡角处外侧的最大 应力、最大等效塑性应变与桥壳钢温拉伸性能比较 结语本文采用温拉伸试验模拟了桥壳温冲压成形过程使用有限元法分析验证了温冲压成形的优势并对温拉伸样品的力学性能及疲劳行为进行了研究得出以下结论:)桥壳钢温冲压模拟验证试验结果显示温变形后同一保温时间变形后的室温强度和塑性表现最好屈服强度为 抗拉强度为 塑性极限为.而在 变形下变形后保温时间对材料塑性和强度的提升并不明显)冲压温度越高板料变形过程的变形抗力越小 当冲压温度从室温升至 和 时桥壳成形 时 鼓 包 处 外 侧 最 大 应 力 可 分 别 减 少 和、方圆过渡角外侧最大应力减少 和 弯曲段内侧最大应力可减少 和 温冲压工艺可有效避免桥壳鼓包处及方圆过渡角处的开裂缺陷参考文献 .():.():.():.邓彪 易红亮 王国栋.对 钢板热冲压过程中高温氧化行为的影响.轧钢 ():.:.():.毕文权.汽车桥壳热冲压成形工艺数值模拟及工程应用研究.吉林:吉林大学.张士宏 程明 王忠堂 等.有色金属板材若干温热加工成形技术的发展.锻压技术 ():.收稿日期: