基于数值模拟的高强度钢22MnB5热冲压工艺研究

【摘要】将高强度钢应用于车身制造是实现汽车轻量化的有效途径。针对高强度钢冷冲压工艺存在的成形困难、零件尺寸精度低等缺陷,综合形变与相变的热冲压技术应运而生,具有变形抗力低、零件尺寸精度高、强度高等优点。热冲压成形是复杂的热力耦合过程,工艺参数不同,则零件的温度场与应力应变场不同,导致零件最终性能也不同。开展工艺参数对零件质量影响规律以及工艺参数的优化研究,对获得满足组织性能和尺寸精度要求的零件具有重要意义。本文以高强度钢22MnB5为研究对象,采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法,开展高强度钢热冲压工艺研究。首先,利用Dynaform软件建立了U形件热冲压有限元模型并进行热冲压过程数值模拟,对板料的变形过程、温度场、应力场、有效塑性应变场、减薄率的分布特点进行分析,确定建立的模型合理。然后,采用正交实验设计与数值模拟相结合的方法,以保压结束后U形件最大温差与最大减薄率为实验指标,结合极差、方差分析方法优化了板料成形初始温度、冲压速度、保压时间、摩擦系数等热冲压工艺参数,并获得了优化工艺参数组合。结果表明：当板料成形初始温度750℃,冲压速度40mm/s,保压时间10s,摩擦系数0.20时,保压结束后U形件最大温差为99.98℃、最大减薄率为4.73%,均达到较优。以优化工艺参数组合为基础,开展了工艺参数对保压结束后U形件最大温差与最大减薄率影响规律的研究。结果表明：板料成形初始温度升高,保压结束后U形件最大温差和最大减薄率增大；冲压速度增加,最大温差和最大减薄率减小；保压时间增加,最大温差显著减小,最大减薄率平缓增加；摩擦系数增加,最大减薄率显著增大,而最大温差基本保持不变。最后,采用优化工艺参数组合进行了U形件热冲压试验,零件温度场与减薄率分布与模拟结果基本吻合,验证了模拟结果的正确性。同时对零件进行微观组织观察和力学性能测试,结果表明：热冲压后零件的微观组织主要是马氏体,屈服强度与抗拉强度分别达到1000MPa和1300MPa以上,力学性能显著提高；法兰与侧壁下部因在热冲压过程中降温速率大于侧壁上部与底部,得到的马氏体组织数量相对较多且均匀细小,抗拉强度达到1500MPa,高于侧壁上部与底部。这与数值模拟结果中U形件各部位冷却速率情况相符,数值模拟的可靠性和正确性进一步得到验证。试验证实了基于数值模拟制定热冲压工艺的可行性,对热冲压生产具有重要指导意义。
【作者】冯晓欣；
【导师】王荣吉；张立强；
【作者基本信息】中南林业科技大学，林业机械化工程，2014，硕士
【关键词】高强度钢；热冲压成形；正交实验设计；数值模拟；工艺参数；

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