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[热成形工艺] 基于定向温度梯度差温拉深的A柱加强板热成型研究

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发表于 2020-1-6 08:48:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于定向温度梯度差温拉深的A柱加强板热成型研究
刘志民 刘春响 李彦云 魏玉功 张东升
(北京汽车股份有限公司汽车研究院)
【中国汽车材料网】摘要:针对某车型A柱加强板热成型产品,存在起皱严重与变形不足的缺陷,提出一种基于定向温度梯度差温拉深的热成型新技术。通过有限元模拟,研究了压边圈在50~811℃温度变化时,对A柱加强板成型性能影响。基于热成型新技术,进一步研究了分块压边圈的温差对A柱加强板在热成型过程中的温度梯度影响,最终得到最优的热成型工艺参数。
关键词:热成型 差温拉深 温度梯度 起皱

      汽车车身轻量化主要包括产品结构优化设计、先进加工技术和轻量化材料的合理应用,而车身轻量化又要保证汽车的安全性不能降低,因此,采用高强度轻量化材料是重要手段。铝、镁合金等轻质材料强度低,成形性能差,回弹大,且原材料成本都比较高,影响其在汽车行业中应用。而超高强钢热成型产品,强度高达1 500 MPa级别,可通过结构优化,减少零件数量。此外,热成型产品回弹小,可做复杂形状,且原材料价格比铝合金低一倍,在汽车制造行业有广泛的应用前景。

超高强钢热成型产品通过单件取代由几个零件构成的总成,受造型与总布置的影响,其产品形状往往比较复杂,往往导致热成型产品质量控制困难。热成型技术在国外知名车企及零部件厂家应用有二十多年历史,技术较成熟,而国内热成型技术起步较晚,距离世界先进水平还有相当大的差距。因此,有必要深入研究超高强钢热成型技术,缩短与世界先进水平差距。

以某车型A柱加强板为研究对象,针对其热成型产品起皱严重与变形不足的质量问题,通过Autoform软件对差温热成型进行数值模拟研究,分析了板料在压边圈停留时间、压边圈温度等工艺参数对热成型产品品质的影响。最后,基于分块式压边圈模具结构,提出一种定向温度梯度的新型差温拉深技术,用Autoform分析了分块式压边圈温差对A柱加强板成型性影响,得到最佳的工艺参数。


2 问题分析

某新车型试制工艺验证过程中,发现A柱总成焊接质量较差,分析认为A柱加强板采用超高度钢热成型工艺,在A柱加强板的前挡风两端搭接处,翼子板后端与机舱边梁搭接处的板料起皱严重,且前车门框处变形不足,导致尺寸超差,如图1所示。

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图1 A柱加强板热成型产品

3 有限元模型建立3.1 差温拉深技术

拉深技术按温度来分类,可分为等温拉深与差温拉深技术。等温拉深即模具系统均为同一温度,即凹模、凸模、压边圈为同一温度。差温拉深,即凹模、凸模、压边圈温度不一致,一般是将凹模与压边圈加热至某一恒定高温,而凸模采用冷却水道系统冷却以保持恒定低温,拉深过程中板料的变形区与传力区处于不同的温度,由于板料在不同的温度下极限变形程度不同,可有效避免在拉深初期凸模圆角处板料开裂,抑制板料起皱纹与聚料,从而提高了零件拉深成型的极限变形程度[4]。目前差温拉深技术主要用于铝、镁、钛等轻合金零件的冲压成型,其用一道拉拉深工序,可代替多次等温拉深工序。差温拉深技术,集成了材料学、模具、热传导、热塑性变形力学等学科知识,是一种很有发展前景的材料成型新技术。


3.2 差温模具结构

某车型A柱加强板设计的热成型模具结构为开口拉延模具,其模具系统由凹模、凸模、压边圈、压料器等构成,其中压边圈是非完整压边圈,即仅在A柱翼子板后端处设计压边圈,而在A柱前车门框处没有设计压边圈,如图2所示。此模具结构虽然降低了模具成本,但是热成型的产品容易产生起皱与变形不足的缺陷,特别是此A柱加强板是料厚仅为1.2 mm的薄板,起皱趋势较大,局部压边圈的设计难以通过工艺参数调整来改善产品品质,如图3所示。

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图2 原热成型模具结构
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图3 A柱加强板热成型模拟结果

为改善产品的起皱严重与变形不足的品质问题,对原模具结构进行改进,如图4所示,在A柱车门门框处增加压边圈2,同时对压边圈1与压边圈2设置恒定的温度,温度分别为811℃、700℃、500℃、300℃、150℃、50℃,以分析不同的压边圈温度对热成型产品品质的影响。另外,为分析板料在压边圈停留时间的对热成型缺陷影响,确定工艺方案,板料停留时间分别为1 s,3 s,6 s。

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图4 改进后的模具结构

4 模拟分析结果与讨论
4.1 板料在压边圈停留不同时间的成形性

热成型模拟成型极限图FLD结果表明,热成型产品的起皱与变形不足的缺陷,随着板料在压边圈停留时间延长而缺陷严重,如图5,图6所示,因此设定板料在压边圈的停留时间越短热成型产品品质越好。

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图5 压边圈811℃时板料停留不同时间的成型性

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图6 压边圈50℃时板料停留不同时间的成型性

4.2 压边圈不同温度下的板料成形性及机理分析

压边圈设定不同温度,模拟得到产品的成型极限FLD图如图7所示,由图7可知,压边圈温度设置700℃时,A柱加强板在翼子板后端与机舱边梁处的起皱得到有效抑制,前车门框处变形充分,其成型性最佳;其次是压边圈温度设置300℃时,A柱加强板的品质较好。

分析认为,金属在高温下的热变形和高温蠕变过程一样,存在热激活过程,其特点就是应变速率受热激活过程控制,表现为应变硬化和动态软化之间的动态平衡过程,它与稳态蠕变对应的关系类似,此关系可以由Sellars和Tegart提出用双曲正弦函数的模型来描述这种热激活稳态变形行为,如公式1所示。

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图7 不同压边圈温度下的热成型性能

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式中,Z为Zener-Hollomon参数,其物理意义是温度补偿的变形速率因子;ε是应变速率;A3和α(剪切模量倒数)均为与材料相关的常数;σ是应力;n为应力指数;Q为材料的变形激活能;R为气体常数;T为绝对温度。

在温度与应变高于某阈值时,材料流变应力呈现幂指数关系;当温度与应变低于某阈值时,材料流变应力呈现指数关系。高温蠕变双曲正弦方程基于位错滑移理论,位错交滑移和攀移仍然高温变形时的主要变形机制,在高温与高应变下材料产生的滑移较多,变形储能增加,导致变形激活能值高;而随着变形温度的进一步升高到某阈值,金属原子热振动的振幅增大,较多的滑移系得以启动,位错攀移也更加容易。

对应本车型的A柱加强板热成型而言,当压边圈温度由50℃提升至300℃时,在较高应变储能激发下,加工硬化产生的位错发生交滑移,材料成型性改善;随着压边圈温度继续升高,启动的滑移系较多,运动中位错彼此交截,滑移系被钉扎缠结;当压边圈温度继续提升至700℃时,金属原子热振动加大,变形贮能足够大,被钉扎缠结位错滑移系二次启动,同时激发刃型位错以及螺位错中刃型割阶发生攀移,使得材料成型性进一步提高。

差温拉深模具系统开发时,考虑压边圈温度过高,温控的稳定性差,以及润滑困难问题,设定300℃作为压边圈的温度,并进一步分析此温度左右,分块压边圈之间的温差对热成型产品的品质影响,以得到最佳的工艺参数。

4.3 定向温度梯度差温拉深技术

为进一步提升热成型产品的质量,基于分块压边圈模具系统,提出一种定向温度梯度的差温拉深技术,即将压边圈1与压边圈2设置不同温度,板料的压边圈1部分与凸模之间,板料的压边圈2部分凸模之间产生不同的温度梯度。本热成型有限元模型中,设置压边圈1温度315~330℃,压边圈1温度280~295℃,通过计算热成型过程中产品的冷却速率反映内部温度梯度。

得到的热成型产品内部温度梯度(冷却速率),如图8与图9所示,分别为压边圈温差为0(分块压边圈温度均为300℃),与压边圈温差为35℃时(压边圈1温度330℃,压边圈2温度295℃)的板料内部冷却速率。由模拟结果分析可知,热成型过程中,压边圈温差的存在,导致板料内部产生定向温度梯度,压边圈温差不同,表现为产品的冷却速率不同。

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图8 压边圈温差为0时产品冷却速率

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图9 压边圈温差为35℃时产品冷却速率

对比分块压边圈的不同温差,计算得到的热成型成型极限FLD图表明,最佳工艺参数是,压边圈1温度330℃,压边圈2温度295℃,如图10所示。

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图10 压边圈不同温差条件的板料成型性

分析认为,压边圈温差产生的定向温度梯度,影响了板料局部的温度,特别是高变形区的法兰边,使得拉深的变形区法兰部分处于最佳塑性变形温度。在较好的应变引导下,法兰边材料的流变应力变小,而经过充分水冷的传力区筒壁部分,材科的流变应力提高,这就充分保证了在拉深过程中传力区保持为“强区”,而法兰变形部分成为“弱区”,成型时传力区不容易开裂,以保证拉深持续进行[4]。另外,传力区的变形抗力增大,导致法兰边变形区的拉应力增大,而拉深时板料内部的径向拉应力与切向压应力绝对值之和为恒定值,因此法兰边变形区所受的切向压应力减小,起皱趋势减弱。最后,由于热的板料料包在冷凸模上,较大的温度差使板料产生径向收缩,板料紧贴凸模,产生一种吸附摩擦力,这就降低了壁底部拉深负荷,提高了承载能力,进一步提高了热冲压成型极限。

5 结束语

针对A柱加强板的热成型起皱严重与变形不足的质量问题,提出一种基于定向温度梯度差温拉深的热成型新技术。通过有限元模拟,得到以下结论。

a.差温拉深技术基于材料高温塑性变形理论,可有效地减弱热成型产品起皱与变形不足的缺陷;

b.得到差温拉深热成型的最佳工艺参数是,压边圈1温度330℃,压边圈2温度295℃。

c.此差温拉深热成型的方法,对其他材料热成型以及常用工程材料的成形有一定的参考价值。




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