熱沖壓成形成型分析與模具設(shè)計(jì)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的加劇，節(jié)能和安全已經(jīng)成為汽車制造業(yè)最重要的出發(fā)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，減輕車重是非常有效的方法，這導(dǎo)致了先進(jìn)高強(qiáng)鋼的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展較快。

采用熱成形技術(shù)可極大地提高車身整體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，大幅度提高整車碰撞安全性能與NVH性能;大量運(yùn)用該技術(shù)可有效減輕白車身重量，降低能源消耗，減少環(huán)境污染，提高整車的經(jīng)濟(jì)性能。目前，根據(jù)車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，熱成形技術(shù)主要應(yīng)用于汽車前后保險杠、A柱、B柱、C柱、車頂加強(qiáng)梁、車底通道框架、儀表臺支架以及車門內(nèi)板、車門防撞梁等高強(qiáng)度構(gòu)件的生產(chǎn)(見圖1)。熱成形零件在整車白車身用材比例可達(dá)45%以上。

目前，熱成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外汽車制造公司。國內(nèi)主要汽車制造商已廣泛使用熱成形零件用于車型生產(chǎn)與設(shè)計(jì)，其單車熱成形零件使用數(shù)量普遍已達(dá)6～10件，最高車型已達(dá)24件。

然而，這些熱沖壓成型技術(shù)和模具技術(shù)長期被國外的公司壟斷。多數(shù)廠家使用的熱成形模具是進(jìn)口的，其價格昂貴。本次我們與武鋼研究院合作，使用武鋼WHT1500HF熱成型鋼，為東風(fēng)公司的某款乘用車開發(fā)了B柱熱成型模具及零件。本文以B柱為例來介紹熱成型模具和零件的開發(fā)。

B柱熱成型零件的開發(fā)

B柱零件的熱成形評估材料采用WHT1500鋼，料厚為1.80mm，材料力學(xué)性能如表1所示，熱成形工藝試驗(yàn)參數(shù)如表2所示，力學(xué)性能曲線如圖1所示。

熱成型工藝分析

1. 邊界條件

采用單動的模具結(jié)構(gòu)，即凹模在上，凸模在下，沖壓方向如圖3所示.

邊界條件：板料初始溫度為800°C，板料傳輸時間不大于3.5s;合模前板料在模具上等待時間為3.5s;凹模和壓邊圈間隙為1.5 x料厚;壓邊圈壓力為1T;成形合模速度為150 mm/s;淬火過程保壓壓力為400t;模具初始溫度，表面100℃，內(nèi)部20 ℃。

1. 邊界條件

成型分析

通過Pamstamp將零件坯料展開得到板料，在Pamstamp當(dāng)中成型模塊進(jìn)行分析，成型模擬中，得到結(jié)果最大減薄處位于中立柱下半?yún)^(qū)的側(cè)邊上(如圖所示MAX-23%)，增厚區(qū)域在圖上所示的中立柱中部靠下區(qū)域正面(見圖4中+23.2%)。根據(jù)此情況，決定在模具加工和零件調(diào)試過程中著重注意此區(qū)域。

3. 成型過程模擬分析

在Pamstamp的成型模塊當(dāng)中，觀測模具在運(yùn)動過程中，板料的成型情況，圖5所示為上模距離下死點(diǎn)40mm、20mm、5mm以及最后的成型零件情況，在上模距離下死點(diǎn)5mm處，可發(fā)現(xiàn)中立柱下測有起皺的現(xiàn)象，在模具的調(diào)試階段會對此處做強(qiáng)壓料處理。

4. 溫度場分析

通過Pamstamp模塊中的分析模塊得到上模在下死點(diǎn)時，零件成形瞬間的溫度情況分布，為了在最后得到馬氏體結(jié)構(gòu)，通過仿真可以觀測到零件溫度高于665℃，符合標(biāo)準(zhǔn)，滿足淬火相變轉(zhuǎn)化條件。

5. 淬火后零件馬氏體分布情況

進(jìn)行分析，如圖6a圖所示，零件在模具中10s后淬火，除了壓邊位置影響外，零件90%以上已轉(zhuǎn)變成馬氏體;因?yàn)閴哼吿帉⒈患す馇懈钋谐?。圖6b圖顯示保壓(10s)溫度情況，完成時零件的表面溫度小于200°C，壓邊圈位置溫度較高，與馬氏體分布吻合。

6. 可成形性分析總結(jié)

(1)分析結(jié)果顯示，此B柱零件用WHT1500熱成形加工生產(chǎn)，工藝可行。

(2)零件底部區(qū)域是材料起皺風(fēng)險區(qū)，建議此處控制增加壓料力及減小模具間隙，控制材料流動。

(3)零件頂部圓角處是開裂高風(fēng)險處，建議減小板料尺寸。

模具設(shè)計(jì)

1.熱沖壓成型模具設(shè)計(jì)流程

熱沖壓成型模具設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

2.模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)模具材料選擇 熱沖壓模具材料選用H13熱作模具鋼。

(2)冷卻水道的計(jì)算及布置

①冷卻水道的計(jì)算公式

式中，mw為單位時間內(nèi)流過模具的水的質(zhì)量(kg/h);n為管道數(shù)目;qw為單個管道冷卻水流量(m3/h);ρw為冷卻水在一定溫度下的密度(kg/m3)，取1000 kg/m3 ;d為冷卻水孔直徑(m); v為冷卻水流動速度(m/s); tu為單位時間，3600s。

式中，Re為雷諾數(shù); V為運(yùn)動粘度(m2/s)，10℃時，V=1.3077×10-6m2/s。

②冷卻水道布置

冷卻管道直徑10～14mm;相鄰管道中心距為17～20mm;管道中心距形面最小距離大于15mm。每個鑲塊的冷卻系統(tǒng)相互獨(dú)立，相鄰鑲塊之間冷卻水道互不連通。

結(jié)語

通過采用國產(chǎn)熱成型鋼，為主機(jī)廠開發(fā)熱成型模具及零件的實(shí)踐，我們從中了解并掌握了熱沖壓成型模具技術(shù)及加熱冷卻組織的變化規(guī)律，取得了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在對某乘用車B柱熱成型模具進(jìn)行開發(fā)研究過程中，通過對零件的CAE成型分析，零件在溫度場中強(qiáng)度的變化情況仿真和模具強(qiáng)度校核，完成了零件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過對模具熱沖壓成形調(diào)試，零件的金相分析以及拉伸試驗(yàn)，保證了零件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度符合預(yù)期要求。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)制造的乘用車B柱熱成型零件模具的應(yīng)用滿足該產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)要求。