作為兼顧高強(qiáng)度特性和形狀凍結(jié)性的方法,熱沖壓技術(shù)自2000年前后一直是汽車輕量化的方法之一,且其應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大,圖1是熱沖壓技術(shù)的概要。通常,通過淬火提高鋼板強(qiáng)度,鋼板在加熱爐加熱為奧氏體域的溫度(Ac3以上)后,送往沖壓機(jī),進(jìn)行沖壓成形。在淬火開始前完成成形,并通過模具的散熱急冷,進(jìn)行淬火。目前普及的是1500MPa級的材料。更高強(qiáng)度的1800MPa級材料也正在用于實(shí)際構(gòu)件。今后,與高強(qiáng)度鋼板冷成形技術(shù)相比,在熱沖壓中有可能進(jìn)一步高強(qiáng)度化。
然而,汽車部件的性能不僅取決于材料強(qiáng)度,而且還根據(jù)所需要的性能,追求構(gòu)件結(jié)構(gòu)的高性能化技術(shù)也在不斷發(fā)展。典型的例子是冷成形用料的拼焊技術(shù)。它可以由異鋼種、異厚度材拼焊,使成形部件具有高性能。熱沖壓工藝流程包括加熱和冷卻,所以提出了運(yùn)用熱處理的靈活性,通過不同熱處理?xiàng)l件控制,制作不同部位、強(qiáng)度不同部件的技術(shù)。形成了包括使用異鋼種、異厚度拼焊材料的“組合性能”綜合制造技術(shù)。 另一方面,由于其包括熱過程,因此,加熱、運(yùn)送和冷卻各個(gè)環(huán)節(jié)都有時(shí)間約束,與冷沖壓相比,存在生產(chǎn)率低的問題。常規(guī)上,一般是采取縮短沖壓工序冷卻時(shí)間的對策,組合性能法也有冷卻速度慢的部位,存在生產(chǎn)率低的問題。此外,認(rèn)為還必須應(yīng)對沖壓后的溫度分布和特性差的影響以及確保構(gòu)件形狀精度等問題。 高性能化的試驗(yàn)(組合性能) 1.1 試驗(yàn)方法 在熱沖壓構(gòu)件高性能化的各種組合性能法中,對僅使用熱處理的部分加熱模具的強(qiáng)度差施工法,進(jìn)行了效果驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置由壓力機(jī)、加熱模具(上沖頭)和加熱器控制單元構(gòu)成。試驗(yàn)?zāi)＞呤褂脤?0mm、高60mm、長700mm的帽形構(gòu)件成形用模具。在上側(cè)沖頭的斷面內(nèi),裝入了筒形加熱器和熱電偶,在沖頭縱向分割成三塊,每塊之間采用隔熱措施,每塊可以單獨(dú)部分加熱。加熱器控制配線等通過模具背面連接控制單元。此外,作為熱沖壓用的模具材料使用常用的SKD61。 試驗(yàn)用料使用了板厚1.6mm的1500MPa級熱沖壓用鍍鋅鋼板。坯料尺寸寬226mm×長700mm,成形后的凸緣寬15mm。 部分加熱的溫度條件是,將中央塊的模具溫度加熱到280℃并保持30s,旨在增加淬火時(shí)的殘余奧氏體,以創(chuàng)建一個(gè)軟化部分。此外,為了比較構(gòu)件形狀和硬度,還實(shí)施了無模具加熱并保持15s的常規(guī)熱沖壓施工法。試驗(yàn)中的模具溫度用配置在模具內(nèi)的熱電偶測定,模具表面和成形品的溫度狀態(tài)由壓力機(jī)側(cè)面的熱成像儀測定。 1.2 試驗(yàn)結(jié)果 在加熱爐將坯料加熱到950℃,運(yùn)送到?jīng)_壓機(jī),在約700℃沖壓成形,在部分加熱模具內(nèi)保持,脫模后成形品的溫度分布狀況示于圖2。加熱模具部的垂直壁部位約為200-250℃,不加熱模具部分為明顯不同的溫度狀態(tài)。 垂直壁中央部的縱向硬度分布顯示,在不加熱的模具條件下,1500MPa級材料熱沖壓后,通常獲得均勻的硬度,約為450HV。而在中央部用加熱的模具保持時(shí),中央部的硬度下降到約350HV,清楚地看到了高溫保持的特性差。距邊界不加熱部位一側(cè)約50mm是加熱部和不加熱部邊界的硬度過渡區(qū)域。 測定了成形部件的形狀,比較與設(shè)計(jì)形狀的差異,其結(jié)果示于圖3。上段(a)是無模具加熱保持15s模具淬火部件;下段(b)是部分加熱模具保持30s部件的結(jié)果,示出了各個(gè)平面(頂板、凸緣面)與側(cè)面(垂直壁面)。無模具加熱時(shí),誤差范圍在0-0.5mm,加熱模具時(shí),垂直壁中央呈膨脹狀態(tài),特別是膨脹大的壁下部,誤差為3mm。此外,頂板和凸緣兩端部分為下垂的狀態(tài)。在這種部分溫度履歷不同的施工法中,為了保證部件形狀精度,需要構(gòu)筑溫度分布、冷卻經(jīng)歷引起的形狀變化的預(yù)測技術(shù)、構(gòu)件斷面結(jié)構(gòu)和模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)。 直接水冷模具的評價(jià) 2.1 直接水冷模具冷卻系統(tǒng) 作為熱沖壓方法特征的模具中的淬火,依賴高溫成形品表面與內(nèi)部水冷模具表面之間的接觸熱傳遞。但是,像汽車部件那樣復(fù)雜形狀面上形成的構(gòu)件中,由于構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的板厚分布、模具制作精度等的影響,模具與成形品表面的接觸有接觸良好的部位,也有在模具與成形品之間產(chǎn)生間隙,接觸不良或接觸不到的部位。在間隙部位由于空氣層的隔熱,與接觸良好部位相比,冷卻速度降低,淬火時(shí)間成為瓶頸。因此,作為不僅采用接觸傳熱而且采用流體制冷劑傳熱形式的冷卻方法,設(shè)計(jì)了從模具直接噴冷卻水,冷卻成形品的直接水冷施工法。 圖4是該施工法的模具結(jié)構(gòu)。圖中示出了用上下模具夾在中間的高溫坯料的狀態(tài)。最大的特征是在連接成形品的模具表面設(shè)有稱為微圖形(MP)的凹凸形狀,即使是模具關(guān)閉狀態(tài)也可以保證制冷劑的流動(dòng)路徑。還適當(dāng)配置了將冷卻水從模具內(nèi)部引入MP加工面的噴水孔,將高溫成形品與冷卻水界面發(fā)生的蒸汽以及剩余冷卻水從MP加工面排出的吸水孔,構(gòu)成成形品表面整體基本覆蓋的冷卻流路網(wǎng)。 板厚為1.4mm鋼板,用常規(guī)模具冷卻到淬火結(jié)束(200℃以下)需要約10s,而采用上述冷卻系統(tǒng)冷卻到常溫(水溫附近)只需要2.5s。利用該特征的高生產(chǎn)率熱沖壓施工法可以量產(chǎn)部件。但是,因?yàn)榇嬖谀＞呙嫘螤顚?dǎo)致MP加工范圍的限制,有模具結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的噴水孔和吸水孔的加工位置受限,雖然可以快速冷卻,但不能穩(wěn)定獲得均勻的溫度履歷和溫度分布。這有時(shí)也會(huì)影響形狀精度,為使溫度分布均勻,需要使冷卻能力與低冷速側(cè)相匹配。 在此,為了研究調(diào)整冷卻速度復(fù)雜的異厚度、異強(qiáng)度部件適當(dāng)?shù)睦鋮s設(shè)計(jì)條件,以短時(shí)間冷卻難度高的厚材為對象,制備直接水冷模具,再次確認(rèn)了冷卻特性和形狀控制的方向。 2.2 試驗(yàn)方法 圖5是構(gòu)件模擬模具的形狀。不對稱的M形橫截面、高度和寬度漸變部結(jié)合,是保險(xiǎn)杠和立柱的橫截面形狀要素。冷卻面的MP加工用蝕刻加工成0.5mm深度凹槽,留下3mm直徑的圓形接觸面。另外,為了避免凸?fàn)畹睦饩€部分滑動(dòng)和咬合,不加工MP。噴水孔和吸水孔以30mm的間距配置在MP加工面上,噴水和吸水以錯(cuò)開半個(gè)間距的格子狀配置。試驗(yàn)用料是板厚2.6mm的1500MPa級熱沖壓用鍍鋅鋼板,坯料是寬235mm、長495mm的矩形板。坯料加熱為爐溫950℃,在爐中保持5min,成形開始時(shí)的溫度約為750℃,成形速度 40mm/s,成形載荷3000kN的條件下,進(jìn)行沖壓。噴水設(shè)定為到達(dá)下死點(diǎn)的同一時(shí)刻開始,在下死點(diǎn)保持中繼續(xù)噴水的條件下進(jìn)行了試驗(yàn)。 2.3 試驗(yàn)結(jié)果 2.3.1溫度分布和冷卻能力 圖6是直接水冷條件和脫模時(shí)的溫度分布。在模具冷卻中,保持5s,頂板部有大范圍300℃的高溫。但直接水冷時(shí)在該保持時(shí)間滿足常規(guī)熱沖壓溫度指標(biāo)200℃以下。圖中最下段示出的單面(下)的直接水冷中,M形棱線部殘留高溫部位,該部位在結(jié)構(gòu)上僅設(shè)有噴水噴嘴,附近沒有吸水孔的部位,認(rèn)為是制冷劑的滯留的原因。關(guān)于流量,從兩面直接水冷的保持時(shí)間2s的溫度分布看,初期的冷卻范圍向外擴(kuò)展。MP流路內(nèi)計(jì)算的冷卻水充滿時(shí)間是噴水后0.05s,但在高溫部位估計(jì)因蒸汽滯留等,冷卻范圍擴(kuò)大需要時(shí)間。 圖7是提取脫模時(shí)的最低溫部位和最高溫部位,繪制的溫度與保持時(shí)間的關(guān)系。圖7(a)是模具冷卻與兩面直接水冷的比較。直接水冷的高溫部位存在與模具冷卻的低溫部重疊的區(qū)域。即使是板厚2.6mm的條件,也是3s達(dá)到200℃以下,低溫部位達(dá)到常溫,可以確認(rèn)直接水冷的急冷效果。圖7(b)是兩面直接水冷的流量條件的比較。低溫部位與流量無關(guān),高溫部位由于流量減少偏離冷卻開始點(diǎn)。該結(jié)果顯示,直接水冷時(shí)的局部性熱傳遞特性受冷卻水的到達(dá)范圍以及到達(dá)后的冷卻時(shí)間影響。冷卻水的到達(dá)范圍與噴水流速有關(guān),因此,預(yù)測稍大區(qū)域的平均溫度是可以通過噴水流速與熱傳遞系數(shù)相關(guān)來計(jì)算。但是,在冷卻水到達(dá)時(shí)差明顯的厚材冷卻時(shí),需要考慮冷卻水的過渡性擴(kuò)散特性。 2.3.2 形狀精度 圖8是各冷卻方式保持5s的成形品形狀的測定結(jié)果。圖中最上段的模具冷卻,從上面開始第2、3段的兩面直接水冷的條件下,在頂板部兩端發(fā)現(xiàn)飛濺傾向,但相對CAD形狀,獲得±0.5mm以內(nèi)的精度。從上面開始第4段的單面(上)的直接水冷中,凸緣有飛濺傾向。最下段的單面(下)的直接水冷中,凸緣下垂的傾向顯著,相對CAD形狀,精度均擴(kuò)大±0.5-1mm。該形狀變化的起點(diǎn)是構(gòu)件斷面的棱線R附近,沒有觀察到壁部翹曲,所以推測是引起上下面不同的MP加工范圍的平板部和棱線部的溫度履歷差的影響。因此,就形狀精度而言,減小溫度履歷差的兩面直接水冷占優(yōu)勢。 今后,厚構(gòu)件快速冷卻時(shí)的形狀設(shè)計(jì),為了對應(yīng)異厚度構(gòu)件的部分直接水冷后的形狀預(yù)測和模具設(shè)計(jì),必須考慮再現(xiàn)溫度履歷差導(dǎo)致的熱收縮和相變行為的CAE技術(shù)。此外,該技術(shù)與上面所述的組合性能部件的形狀預(yù)測共通。 相變CAE方法的應(yīng)用研究 3.1 熱沖壓方法和CAE技術(shù) 熱沖壓方法的特點(diǎn)是加工溫度高、加工載荷低。受成形過程中模具接觸導(dǎo)致的溫度分布影響,成形性不一定高。因此,研究了結(jié)合傳熱與成形的CAE法,安裝了通常分析求解的熱沖壓成形計(jì)算功能。此外,對淬火后的性能,實(shí)際應(yīng)用了基于CCT圖和相變計(jì)算的硬度預(yù)測通用分析工具。 對于形狀精度預(yù)測,在普及形狀凍結(jié)性良好的熱沖壓中,基本沒有研究。實(shí)際的熱沖壓構(gòu)件,由于從成形到冷卻,構(gòu)件內(nèi)的溫度履歷不同,導(dǎo)致形狀精度發(fā)生變化。而且,在上述的組合性能法和直接水冷法中,發(fā)生更極端的溫度履歷差,所以目前必須確立為預(yù)測形狀精度的考慮相變的CAE技術(shù)。在此,通過試驗(yàn)獲得了關(guān)于相變詳細(xì)材料的物性數(shù)據(jù),并正在使用安裝了準(zhǔn)確反映這些數(shù)據(jù)的材料模型,用獨(dú)自開發(fā)的分析方法驗(yàn)證熱成形后的形狀精度預(yù)測。通過驗(yàn)證可以證明,熱沖壓相變CAE技術(shù)能夠準(zhǔn)確預(yù)測熱沖壓時(shí)的相變行為。 3.2 構(gòu)件分析 使用相變計(jì)算方法,經(jīng)過以U型彎曲試驗(yàn)為對象,經(jīng)過形狀預(yù)測驗(yàn)證,確認(rèn)可以再現(xiàn)實(shí)際熱沖壓的現(xiàn)象。因此,通過高性能化,追蹤復(fù)雜熱履歷的熱沖壓構(gòu)件,通過計(jì)算,提取實(shí)際構(gòu)件獲得的計(jì)算精度、應(yīng)用問題等。 作為計(jì)算對象,選擇了部分加熱模具的帽形組合性能構(gòu)件,圖9是計(jì)算模型。模型由分開的上模(沖頭)、矩形坯料、墊和下模(模具)組成。溫度條件基于試驗(yàn)的實(shí)測溫度,坯料的初始溫度為700℃,沖頭中央加熱部恒定為330℃,兩側(cè)不加熱部的初始溫度為120℃,下模部分的初始溫度為60℃。計(jì)算分為成形、冷卻、加熱保持和空冷三道工序?qū)嵤３尚喂ば虻某尚嗡俣葹?0mm/s(成形時(shí)間1.5s)。冷卻和加熱保持工序是在模具關(guān)閉狀態(tài)保持30s,然后,進(jìn)行了空冷到20℃的計(jì)算。在考慮相變的情況下,計(jì)算到空冷后,用不考慮溫度的回彈分析求出最終形狀。 圖10是冷卻及加熱保持后的溫度分布計(jì)算結(jié)果。基于常規(guī)的成形分析的知識,通過傳熱設(shè)定,獲得與圖2的試驗(yàn)相同的溫度分布,圖11是垂直壁的硬度分布。可確認(rèn)模具的不加熱部分和加熱部分的縱向中央附近的硬度基本可以再現(xiàn)。模具塊邊界附近的溫度變化以及硬度變化行為是復(fù)雜的,正在進(jìn)行應(yīng)用評價(jià)。這種溫度邊界部分的計(jì)算,模具間、坯料間的熱移動(dòng)和向系統(tǒng)外散熱的平衡有很大影響,需要進(jìn)一步完善CAE的傳熱特性、熱傳遞境界條件設(shè)定。 采用組合性能法時(shí),由于熱應(yīng)變等形狀精度發(fā)生變化,認(rèn)為這種相變CAE方法可以有效用于其預(yù)測,圖12是最終形狀的計(jì)算結(jié)果。可以再現(xiàn)加熱部、不加熱部產(chǎn)生的斷面開閉,頂板和凸緣的翹曲等特征。通過該CAE方法,清楚了在變形量的計(jì)算精度中,平衡再現(xiàn)從成形到保持工序的相變和相變結(jié)束后熱收縮的影響是不可缺少的。因?yàn)椴荒艹浞终莆諏?shí)際構(gòu)件的模具溫度、構(gòu)件各部的詳細(xì)溫度分布和溫度履歷的差異,今后,將通過優(yōu)化這些計(jì)算條件,來掌握溫度履歷再現(xiàn)的精確條件。 結(jié)語 為了汽車的輕量化和確保安全性,熱沖壓構(gòu)件的高性能化是必不可少的,今后將進(jìn)一步推進(jìn)組合性能法等應(yīng)用技術(shù)的采用。此外,還需要開發(fā)為用于大規(guī)模量產(chǎn)的高生產(chǎn)率技術(shù)。關(guān)于支持其開發(fā)設(shè)計(jì)的相變CAE技術(shù)、材料模型以及要素計(jì)算方法基本完成,需要通過采集面向復(fù)雜的熱沖壓過程中的現(xiàn)象再現(xiàn)的實(shí)踐數(shù)據(jù),以確立適用評價(jià)技術(shù)。 今后還應(yīng)該盡快確立高性能熱沖壓構(gòu)件的分析、評價(jià)和設(shè)計(jì)試制技術(shù),并適應(yīng)隨機(jī)應(yīng)變的汽車車身的變革。
(文章來源:世界金屬導(dǎo)報(bào)、焉知車身與制造工藝,版權(quán)歸原作者所有）
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