超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究.pdf

  • 文档大小:2.5 MB
  • 文档格式:pdf
  • 约 6页
  • 2022-03-28 发布
  • 举报
超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究1 超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究2 超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究3 超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究4 超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究5 超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究6
已阅读完毕,您还可以下载文档进行保存
文档单价:1.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档
  1. 1、本文档共6页,内容下载后可编辑。
  2. 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领。
  3. 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
第22卷第6期2014年12月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol22lll6Dec.2014超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究肖海峰1,王敏1,张春1,张宇2(1.湖北汽车工业学院材料工程系,湖北十堰,442002;2.东风公司工艺研究所,湖北十堰442002)摘要:以Pamstamp有限元软件中22MnB5高强钢板的力学及热物理性能数据库为基础,建立了U形件的热冲压成形有限元分析模型,进行了热冲压成形及淬火全部过程的数值模拟分析,根据模拟结果,采用相同的工艺参数对该U形件热冲压成形过程进行了物理实验验证,结果表明:板料在℃900加热炉内加热保温5min可达到理想的奥氏体状态,在板料加热过程中通氮气将氧气含量控制在10%以内的防氧化措施可明显降低氧化程度,提高工件表面质量,满足该工件的技术要求.关键词:22MnB5;热冲压;数值模拟;氮气中图分类号:TG386文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)06-0107-06Numericalandexperimentalstudyonhotformingof⁃UbeamofultrahighstrengthsteelsheetXIAOHaifeng1,WANGMin1,ZHANGChun1,ZHANGYu2(1.DepartmentofMaterialScienceandEngineering,HubeiUniversityofAutomobileTechnology,Shiyan442002,China;⁃2.DongfengAutoCompanyInstituteofManufactureTechnology,Shiyan442002,China)Abstract:Onthebasisofmechanicsandthermalphysicalpropertiesof22MnB5,afiniteelementsimulationmodelwassetupandthenumericalsimulationforthewholeprocessofhotstampingandquenchingofAutomobile⁃UbeampartswasmadebyPAMSTAMPsoftware.Accordingtothesimulation,aphysicalexperimentwasdone.℃Resultsshowthat5minutesheatingintheheatingfurnaceat900canachieveidealaustenitestateof⁃theUbeamparts.Themethodofblowingnitrogenintofurnaceduringheatingprocesscanobviouslydecreasetheoxidationdegreetobelow10%,whichimprovesthequalityofthesheet.Keywords:22MnB5;hotstamping;numericalsimulation;nitrogen收稿日期:2013-05-02.基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.51205116);湖北省教育厅B类项目(No.B2013084).作者简介:肖海峰(1978-),男,讲师.通信作者:肖海峰⁃,Email:xhfxhf2001@126.com.进一步改善汽车的安全性能以及降低其自身重量是当前汽车行业发展的必然趋势,超高强度钢板的应用是实现该目标的方法之一[1-2].在高强度钢板冷成形过程中,由于钢板的高强度模量比导致回弹非常大,甚至无法控制,成形力大、回弹显著、开裂现象严重、复杂零件难以成形等问题越来越突出[3-5].改善超高强度钢板的回弹和成形性并用其制造出抗拉强度在1400MPa或更高的汽车结构件是超高强度钢板批量生产应用所面临的关键问题[6-7],而热成形是一种比较理想的方法[8-9].有文献对22MnB5钢板的热冲压成形工艺做了详细报道,结果表明:毛坯被加热并完全奥氏体化后迅速成形,然后在模内进行淬火冷却后得到的零件的抗拉强度在1400Mpa以上,回弹量比冷成形的零件有明显改善[10-11];在满足最小冷却速率的前提下,模内淬火10s就能够得到马氏体组织[12-13],该材料的热成形工艺在实际生产中已经得到了广泛的应用[14];为了控制钢板的氧化问题,报道中用的材料为表面带有防氧化涂层的22MnB5钢板,加热采用的是辊底式加热炉[14],在实际生产中存在的主要问题是材料在加热后表面的涂层材料熔化后粘接在炉底部的辊轴上而导致辊轴不工作无法迅速的将加热后的板料送进模具内,需要经常清理辊轴,影响了生产效率;如何采用表面不带防氧化涂层的22MnB5钢板来进行热成形工艺目前还未见详细报道.本文采用不带表面涂层的22MnB5钢板U形件为研究对象,运用⁃PAMSTAMP软件对其热成形过程进行了仿真分析并对其加热保温时间、成形过程、淬火时间及在加热过程中炉内的氧气含量的控制进行了物理实验研究.1有限元模型的建立及仿真1.1仿真模型的建立及边界条件热冲压过程是热-机械力耦合的过程,在模拟热冲压成形过程中需要建立一个非线性并且与温度有关的硬化函数[14],因此,模拟中所用的材料模型是和温度、应变速率密切相关的弹-塑性材料模型,而相变对塑性的影响在模拟中没有考虑.为了降低模拟对电脑配置要求、节约成本、缓解计算的收敛问题,模拟采用了显式算法,依据物理验证使用的模具及工件的结构在PAMSTAMP软件中建立了仿真模型,如图1所示.凹模凸模板料冷却水道顶件块图1有限元模型模拟中板料和模具之间定义为运动接触方式,摩擦力建模为摩擦系数μ=TF/2P=0.3[15]的摩擦模型.模拟过程分为三部分:第一板料由加热炉转移到模具上,板料主要是与环境之间的辐射、对流换热,为了保证板料成形时的初始温度转移时间必须在5s以内,模拟中选用5s,环境温度为℃20,通过换算,在软件中定义该过程总换热系数为160w/(m2·k-1);第二板料的成形过程,主要是板料和模具之间的换热过程(与环境之间的换热可相对被忽略不计),而换热系数的大小主要取决于模具和板料之间的接触力的大小,模具与板料之间的换热系数hp(p是模具与板料之间的接触压力[15])如图2所示;第三成形结束后,模具的冷却管道内通冷却水,板料在模具内保压淬火,此时板料与模具的换热与成形过程相同,模具与冷却水之间的对流换热也是必须要考虑的,模具与冷却水之间的换热系数hTool由下面的公式计算而得[15]:hTool=Nu·K/d;(1)Nu=0.023Re0.8Pr0.33;(2)Re=ud/ν.(3)式中Nu是水的奴塞尔数,K是水的热导率,d是冷却管道的直径,Re是水的雷诺数,Pr是水的普朗特数,u是水的流动速度,v是水的运动粘度.由22MnB5钢CCT转变图(图3[15])可知,其微观组织的转变与淬火冷却速率有密切的联系.为了使其在淬火后的组织全部转变为马氏体,达到最终成形工件的抗拉强度在1400MPa或以上的目标就必须使板料微观组织在冲压前完全奥氏体化,冷却速率不小于30k/s.为了满足冷却速率并根据模具冷却管道的直径及实验室水压力值设定水的流速为10m/s,换算出hTool大约为2500w/(m2·k-1).表1给出了本次模拟中板料的属性及详细的初始条件,而板料被认为是各向同性的.500040003000200010000换热系数hp/(W?m-2?K-1)系列10203540接触压力/MPa图2表面换热系数hp表1板料属性及模拟的初始条件材料板料厚度/mm板料长度/m板料快读/m材料密度/(kg·m-3)线热性膨系数/(1/℃)杨氏模胀量/GPa泊松比22MnB51.823015078301.3e-051000.3材料凸模运动速度/(m·s-3)模具初始温度/℃板料在转移过程中的散热系数/(W·m-2·K-1)摩擦系数板料初始温度/℃冷却水的初始温度℃20时水的热导率/(W·m-1·K-1)22MnB530201600.39002059.9e-2材料冷却管道直径/m冷却管内水流速/m·s-1水的运动粘度普朗特常数Pr板料转移时间/s成形时间/s冷却时间/s22MnB510101.006e-67.025210·801·材料科学与工艺第22卷8006004002000温度/℃1s1min1h时间图322MnB5钢CCT转变图1.2仿真过程及结果采用相同的工艺参数模拟连续冲压5件,第一件板料成形结束后温度分布如图4;5件淬火结束后的最高温度变化如图5所示,随着冲压次数增加,板料温度有上升趋势,这说明板料的淬火速率下降,这会直接影响板料淬火后的微观组织成分,图6给出了第5件淬火结束后马氏体含量的分布状态.图4板料成形后的温度分布1151101051009590板料温度最大值/℃12345冲压次数图5连续冲压淬火结束后的板料最大温度值曲线2物理实验2.1实验条件物理验证要求成形后的工件抗拉强度在1400Mpa以上,双边脱碳层深度不大于0.1m.实验所使用的22MnB5钢板不带表面涂层,厚度为1.8m,在炉内采用相同的加热速率,保温时间分别为3min和5min,在相同的淬火冷却速率下得到的微观组织形貌如图7所示;保温时间选用5min,采用与模拟相同的工艺参数持续冲压3件,在炉内加热过程中,采用通氮气的方法来进行防氧化,并通过氧气含量分析仪对炉内进行检测,热冲压生产过程中加热炉内的氧气含量变化如图8所示,该系统原理如图9所示.图6板料淬火后马氏体含量200μm200μm(a)保温3min(b)保温5min图7不同保温时间下板料的微观组织形貌2520151050监测点氧气含量/%通氮气前开炉门放入工作开炉门取工件开炉门取工件开炉门取工件通氮气后关炉门30s后关炉门30s后关炉门30s后图8加热炉内的氧含量变化曲线·901·第6期肖海峰,等:超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究热电藕Thermocouple氧气分析仪(Oxygencontentanalyzer)氮气(nitrogen)气瓶1气瓶2图9氮气吹送及氧气分析系统2.2实验结果根据仿真模拟结果并考虑到淬火效果对于板料的性能影响,对成形后的3个工件取样,取样方法及部位如图10所示.对所取样本进行微观组织成分、力学性能及脱碳层深度进行研究,微观组织形貌如图11所示,最大脱碳层深度如图12所示,淬火后不同部位样本的力学性能如表2[16]所示.其力学性能:屈服强度>950MPa,抗拉强度>1400MPa,伸长率>5%均满足性能要求.性能测试性能测试微观组织观察图10性能测试及微观组织观察的取样50μm图11淬火后的微观组织20μm单边脱碳深度(0.03~0.05mm)图12脱碳层深度微观形貌表2淬火后工件的力学性能工件序号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%底面侧面底面侧面底面侧面112981231165015945.56.5212211193156015505.07.0312081184154315335.55.53结果分析3.1仿真结果分析实验由图3、4可知,在满足临界冷却速率的前提下22MnB5的马氏体相变温度大约在℃400左右;成形结束后板料温度都在奥氏体温度以上,未发生组织相变,底部温度比侧面的温度要高很多,而淬火结束后,板料底部的温度下降最快,这是由于成形过程中,侧面与模具之间的接触力较大而导致热交换系数增大,加快了热量的交换,而淬火过程中,工件底部由于顶件块的顶件力作用使得底部与模具之间的接触力大于侧面而导致底部与模具的热交换系数较大,加快了底部的热量交换;由图5可知,随着持续生产的进行,板料在淬火结束后的温度会有所上升,这是由于模具温度还没有冷却到原始温度就开始下一件的冲压过程,导致板料淬火后温度上升,板料的淬火速率下降,随着生产的持续进行,这种趋势变缓,如果持续大批生产,淬火后板料和模具的温度将处于某种平衡状态.由图6可知,虽然连续冲压中板料的淬火速率有下降趋势,但在本次模拟的工艺参数下还不足以影响到板料的马氏体转变.3.2实验结果分析由图7可知,在相同的淬火条件下,保温5min得到的马氏体组织比保温3min得到的马氏体组织在尺寸上分布更加均匀,而马氏体的形貌主要取决于淬火前奥氏体的状态,这就说明在本次实验的加热条件下,保温5min能够使·011·材料科学与工艺第22卷得22MnB5钢板完全均匀奥氏体化;由图8、11、12可知,将炉内的氧气含量控制在10%以内,板料加热5min,转移到模具上的时间为5s,成形时间2s,冷却水流速10m/s,淬火时间为10s的工艺条件下得到的工件的基体组织为晶粒均匀的马氏体组织,工件最大的脱碳层深度不大于0.1m,这说明冷却水流速10m/s已经满足了该材料的临界冷却速率;由表2可知,随着生产的连续进行,工件整体的屈服强度和抗拉强度都略有下降;工件的底部的性能优于侧部,这是因为在淬火过程中,板料在淬火后的温度会有所上升,导致淬火速率的下降,从而使得板料成形后的性能指标略有下降,此外由于板料与模具之间的接触压力不均匀导致板料不同部位的冷却速率不同也直接影响到了板料成形后的性能指标,底部与模具的接触压力较大,其冷却速率高于侧部导致底部的性能优于侧部,总体来看实验结果满足预期指标.4结论1)该工件在本实验的加热速率下,在℃900下保温5min淬火后得到的马氏体组织比较均匀,是比较理想的加热保温时间参数,但该工艺参数是否适应于其他加热速率下或其他工件的热冲压生产还未做研究.2)满足马氏体的转变的临界冷却速率的前提下,增大板料的冷却速率能够提高工件的性能指标(如表2).3)板料在炉内加热过程中通保护气氛将氧气含量控制在10%以内就能将脱碳层控制在双边(两面)0.1m以内,满足该工件的预期性能指标要求.参考文献:[1]胡星,李淑慧.高强钢板压边力设计及敏感性分析[J].锻压技术,2007,32(6):45-50.HUXing,LIShuhui.Designandsensitivityanalysisofblankholdingforceforhighstrengthsteelsheet[J].Forming&Stampingtechnology,2007,32(6):45-50.[2]田成达,李大永.DP780高强钢板动态变形力学行为研究[J].塑性工程学报,2008(6):48-53.TIANChengda,LIDacheng.ResearchonthedynamicdeformationbehavioroftheDP780advancedhighstrengthsteel[J].JournalofPlasticityEngineering,2008(6):48-53.[3]吴磊,李光耀.高强钢材料性能对汽车零件扭曲回弹的影响[J].塑性工程学报,2009,16(3):13-17.WULeiLIGuangyao.Theeffectofmaterialpropertiesinfluencedontorsionspringbackofhighstrengthsteelparts[J].JournalofPlasticityEngineering,2009,16(3):13-17.[4]罗云华,王磊.高强钢板冲压回弹影响因素研究[J].锻压技术,2009,34(1):10-15.LUOYunhua,WANGLei.Researchoninfluencingfactorsofspringbackduringsheetmetalstampingofhighstrengthsteel[J].Forming&StampingTechnology,2009,34(1):10-15.[5]林建平,孙国华,朱巧红,等超高强钢板热成形板料温度的解析模型研究[J].锻压技术,2009,34(1):20-23.LINJianping,SUNGuohua,ZHUQiaohong,etal.Researchonanalyticalmodelofblanktemperaturepredictionforhotstampingofultrahighstrengthsteels[J].Forming&StampingTechnology,2009,34(1):20-23.[6]乔志霞,刘永长,严泽生,等.30CrNi3MoV低合金超高强钢中的马氏体相变[J].材料科学与工艺,2012,20(5):138-142.QIAOZhixia,LIUYongchang,YANZesheng,etal.Martensitictransformationinthe30CrNi3MoVlow-alloyultra-highstrengthsteel[J].MaterialsScienceandTechnology,2012,20(5):138-142.[7]刘伟,刘红生,邢忠文,等.高强钢板冲压成形的回弹规律与工艺参数研究[J].材料科学与工艺,2010,18(6):758-761.LIUWei,LIUHongsheng,XINGZhongwen,etal.Studyonprocessparametersandspringbackruleforstampingofhighstrengthsteelsheet[J].MaterialsScienceandTechnology,2010,18(6):758-761.[8]刘红生,包军,邢忠文,等.高强钢板热冲压成形热力耦合数值模拟[J].材料科学与工艺,2010,18(4):459-463.LIUHongsheng,BAOJun,XINGZhongwen,etal.Numericalsimulationonchannelshapehotstampingof⁃22MnB5highstrengthsheetmetal⁃basedonthermomechanicalcoupledmethod[J].MaterialsScienceandTechnology,2010,18(4):459-463.[9]GARCIAARANDAL,RAVIERP,CHSTELY.Hotstampingofquenchablesteels.MaterialDataandProcessSimulations,IDDRG,Conf.Proc,2003:155-164.[10]GEHRINGHOFFL.Highstrengthhotstampedpartsforbodystructures,newadvancesinbodyengineering,euromotorcourse.IKARWTHAachen,2004:1-15.·111·第6期肖海峰,等:超高强钢板U形件热成形数值模拟及实验研究[11]LIUHongsheng,LIUWei,BAOJun,etal.Numericalandexperimentalinvestigationintohotformingofultrahighstrengthsteelsheet[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2011(20):1-10.[12]程俊业,赵爱民,陈银莉,等.低温临界区退火时间对22MnB5钢组织和性能的影响[J].材料科学与工艺,2012,20(4):38-44,48.CHENGJunye,ZHAOAimin,CHENYinli,etal.Effectof⁃lowtemperatureintercriticalannealingtimeonmicrostructureandpropertiesof22MnB5steel[J].MaterialsScienceandTechnology,2012,20(4):38-44,48.[13]⁃ABDULHAYB,BOUROUGAB,DESSAINC.Experimentalandtheoreticalstudyofthermalaspectsofthehotstampingprocess[J].AppliedThermal⁃Enginnering,2011(31):674-685.[14]ERIKSSONM,OLDENBURGM,SOMANIMC,etal.Testingandevaluationofmaterialdataforanalysisofformingandhardeningofboronsteelcomponents,modell.simul.Mater.Sci.Eng,2002:1-18[15]Ambikapathynaganathanhotstampingofmanganeseboronsteel.GraduatePrograminMechanical⁃EngineeringTheOhioStateUniversity,2010:45-53[16]肖海峰,张春,张宇.基于PAMSTAMP的高强钢板热成形工艺研究[J].热加工工艺,2013,42(3):115-117.XIAOHaifeng,ZHANGChun,ZHANGYu.Studyonhotstampingprocessofhighstrengthsteelsheetbased⁃onPAMSTAMP[J].HotWorkingTechnology,2013,42(3):115-117.(编辑张积宾)·211·材料科学与工艺第22卷
大叔大爷
该用户很懒,什么也没介绍
文档单价:1.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档