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高强度钢板热冲压成形CAE技术的研究现状与发展趋势
    
随着人们环保意识的逐渐加强和对汽车安全性能要求的日益提高,世界各国对汽车安全和环保法规的控制越来越严格。各大汽车公司纷纷通过汽车轻量化来减少燃油消耗、降低发动机的废气排放(在降低油耗、减少排放的诸多措施中,减轻车重的效果最为明显,车重减轻10%,可节省燃油3%~8%)。为保证轻量化后仍能满足碰撞安全要求,各大汽车公司在优化汽车框架和结构的同时,把工作重点转向了新材料、新工艺的应用。在这种背景下,超高强钢板热冲压技术应运而生。超强度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成形,在保压阶段通过模具实现淬火并达到所需的冷却速度,从而得到组织为均匀马氏体,强度在1500MPa左右的超高强度零件的新型成形技术。通过对先进高强度钢和超高强度钢热冲压技术的研究和推广应用,提高了汽车的碰撞性能,实现了汽车轻量化。超高强度钢板热冲压作为一种新兴的技术,该领域公开发表的成果较少,存在技术封锁和垄断。国内外对超高强度板料热冲压核心技术的研究大都还处在探索与尝试阶段,尤其是CAE分析部分。本文综述了超高强度钢板料热冲压CAE分析技术的研究现状,指出了存在的问题和发展方向。
1 热冲压成形CAE分析的研究现状
CAE分析作为超高强钢板热冲压领域的关键技术,可以分为成形过程分析(预测零件的热冲压可制造性)、保压淬火过程分析(预测零件的组织和力学性能)和回弹分析(预测零件的成形精度)3个方面,下面分别加以论述。
成形过程的CAE分析热冲压成形过程是指高温奥氏体状态下的板料在热冲压模具内所进行的短时间内快速成形的过程。由于板料在高温奥氏体状态下,因此,进行高强钢板热冲压过程的CAE分析,首先要获得高强钢板在高温下的力学性能。在国外,意大利Padova大学以Nakazima试验为基础进行了相位转变试验与高温成形试验,获得了高强钢板的热成形下的成形极限图(Forming Limit Diagram,FLD),为热冲压的有限元仿真提供了准确的数据。在国内,哈尔滨工业大学机电工程学院和材料科学与工程学科将坯料加热到950℃左右使其奥氏体化,并保温一段时间使奥氏体均匀化,从加热炉中取出坯料,在等温和非等温成形条件下进行V形弯曲和槽形件成形试验,从而获得22MnB5的高温力学性能。同济大学选用安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板,对其进行了高温力学性能试验的相关研究。其次,热冲压成形阶段CAE分析还需要根据材料的弹性模量、泊松比、高温状态下的应力应变关系和钢板摩擦特性等来分析预测热冲压的可制造性。在国外,瑞典律勒欧理工大学在2002年就用Gleeble 1500热模拟试验机进行了对热冲压钢板22MnB5的高温压缩试验和热膨胀的测量,获得了材料的力学性能和热性能数据,建立材料模型模拟分析了热冲压过程中的成形力、板料厚度分布和硬度分布等。结果表明:在成形淬火过程中,板料因其内部组织的不同,力学性能变化很大;应变速率对不同温度下的流动应力影响不同。德国亚琛工业大学通过有限元模拟并试验验证了22MnB5钢热冲压成形过程的参数变化。纽伦堡大学在德国研究基金(DFG)项目的支持下对淬火钢板的热冲压成形过程进行了相关研究,并在2005年进行了热冲压成形的基础研究。在国内,近些年来上海宝钢集团通过大量试验,在钢板热冲压零件可制造性方面取得了一系列的突破,并能满足部分工业要求。比如国内某些车型的B柱加强板的热冲压可制造性分析(图1),并做了零件试冲和结果对比。可以说宝钢的热冲压可制造性分析能较准确的预测零件的热冲压成形缺陷,这对优化、改进零件性质及热冲压模具都有重要作用。中国工程物理研究院计算机应用研究所与重庆大学机械工程学院利用SuperForm软件,对带直边大型厚壁半球形封头的热冲压成形过程进行了有限元模拟,得到了部分热冲压变形中坯料与模具摩擦等因素对成形影响的资料数据,给板料热冲压技术的发展提供了参考数据。,通过在不同的温度、冲压速度、摩擦条件下的成形过程分析,发现在桥壳热冲压成形过程中,应力和温度值虽然会随冲压温度等工艺参数的变化而变化,但它们的分布规律不变。在此基础上确定了最佳的热冲压工艺参数,其中冲压成形温度应高于700℃,冲压速度应小于20mm/s。同济大学机械与材料学院以安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板为材料,采用热模拟机和专门模具,主要研究了热冲压成形过程中板料加热温度、内部组织结构模式和冲压速度等对冲压成形的影响。华中科技大学材料科学与工程学院与吉林大学材料科学与工程学院以会议Numisheet 2008提供的B柱热冲压考题为基础,建立了B柱热冲压模