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高强度钢板热冲压技术及数值模拟

作者:创始人 日期:2019-08-02 人气:196

被动安全性能越来越多的受到重视,而实现这一目标的主要方法就是汽车车身的轻量化。在目前看来,车用高强度和超高强度钢板以其轻质、高强度的特点在汽车业中应用越来越受关注,并已成为满足汽车减重和增加碰撞性能和安全性能的重要途径。但高强度钢板在室温下的变形能力差,容易产生开裂、回弹等缺陷,同时对于模具磨损严重,大大降低模具使用寿命。高强度钢板的热冲压技术是解决上述问题的一种新型的成形技术。目前成为世界上众多汽车生产厂商关注的热点,通用、福特、大众、丰田和沃尔沃等汽车制造公司都在使用热冲压的高强度汽车零件。


文献对热冲压用钢的温度相关性与应变率相关性进行了研究,文献对板料进行等温拉伸,获得了22MnB5奥氏体状态下材料轧制方向、温度和应变速率对流动性能的影响。在此基础上,研究了冷却速率对材料性能的影响。文献采用热膨胀计监控22MnB5的连续冷却转变特征参数,获得了马氏体相变初始温度及奥氏体化最佳温度、保温时间。本文以Numisheet2008提供的B柱热冲压考题为基础,采用热-力耦合的分析方法,建立了其热冲压仿真模型,得到热冲压过程中板料温度及厚度分布,为热冲压模具设计提供依据。


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1 热冲压技术原理
    
热冲压技术原理是将室温下铁素体与珠光体组织的高强度硼合金钢板加热至奥氏体状态,然后将奥氏体化的板料送入带有冷却装置的模具中进行冲压成形,同时由模具对板料进行淬火处理,保证钢板在形变过程中能够快速冷却,获得在室温下具有均匀马氏体组织的高强度钢构件。

实际生产过程中,根据零件的难易程度又可分为直接热冲压和间接热冲压。图1(a)为直接工艺,下料后将坯料送进加热炉加热,然后传送到模具进行成形及淬火,主要适用于形状相对简单的零件,如果采用带有渡层的钢板,其成形精度好,抗腐蚀能力强;图1(b)为间接工艺,多为形状复杂的零件采用,其先冷冲压预成形,然后再加热后热成形。


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2 有限元模型的建立
    
B柱加强板材料为低碳硼合金钢22MnB5,其化学成分如表1所示,材料厚度为1.95mm。由于热冲压的模拟过程是热力耦合分析,温度对材料的流动应力及变形抗力影响很大,所以需要不同温度条件下的应力应变曲线,这一系列的硬化曲线应覆盖整个热冲压温度阶段。图2为22MnB5不同温度的应力应变曲线。从图中可以看出,随着温度的增加,材料的屈服应力降低,成形性能增强。

B柱热冲压三维有限元模型如图3所示。热冲压过程分为压边和成形两个阶段,各阶段成形参数如下:


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压边圈压边阶段:板料初始温度为810℃,模具温度为75℃,压边过程中模具的运动速度为200mm/s。冲压成形阶段:板料的温度直接继承压边阶段结束后的温度,模具运动速度为200mm/s,板料与模具间的摩擦系数为0.4。


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3 结果分析
    
3.1 厚度分析结果
    
图4所示为选取的三个厚度截面位置,截面1:经过点(538.189,-39.491,0),法线方向为(1.0,0.83078,0.0);截面2:经过点(406.118,0.0,0.0),法线方向为(1.0,0.0,0.0);截面3:经过点(-25.0,0.0,0.0),法线方向为(1.0,0.0,0.0),测量其厚度分布情况,图5所示为截面厚度分布情况。
    
从各截面厚度分布情况可以看出:数值分析的结果与实验结果相比,各截面的厚度分布趋势与实验结果一致,基本在±5%实验结果范围内,吻合情况较好。


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 3.2 温度分析结果
    
图6分别为不同时刻分析得到的板料温度场。在开始冲压阶段,由于板料的压边区域与模具接触较早,板料与模具产生热交换,压边区域温度下降较快;随着成形的进行,板料变形程度的增加,由于塑性变形产生的塑性变形热及摩擦生热,导致零件梁部分温度升高;冲压结束后,零件温度分布如图6(b),可以看出,板料热冲压后温度分布不均,整体温差在400℃左右。通过材料的温度分布,可以为热冲压模具设计提供依据,即在温度相对较高区域要考虑加大冷却效果,最终保证材料的均匀冷却,温度分布均匀。


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3.3 成形性分析结果
    
图7为与实验结果对比的厚度减薄情况。与模拟的成形性分析结果对比,可以看出模拟得到的危险区域与实验的颈缩部位基本一致,均在于尾部圆角处,这也验证了数值分析的可靠性。


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4 结论
    
本文建立了B柱热冲压的有限单元模型,采用热力耦合的方法,对整个热冲压过程进行了数值模拟,得到了热冲压过程中板料的厚度及温度分布律,并对该零件成形性进行了分析。结果表明:截面厚度分布基本在实验结果的±5%范围内,在零件尾部圆角处厚度减薄较大;成形结束后,板料压边区域由于同模具接触较早,温度较低,而尾部圆角区域及梁的部分由于塑性变形较大,产生的塑性变形热使该处温度较高,板料整体温差在400℃左右。

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