DEFORM 热冲压成形工艺数值模拟技术应用

 安世亚太公司 工艺产品部

1 前言

热冲压成形工艺可使超高强度钢具有极好的可塑性、良好的成形性能及热加工性能，钣金热冲压成形技术作为钣金件冲压强化的有效途径，已在汽车等领域得到了越来越广泛的应用。热冲压件可应用于汽车A柱、B柱、边梁、保险杠、顶盖纵梁、门梁、侧栏等重要结构件。DEFORM金属热冲压成形模拟技术可实现高强度钣金热冲压成形过程的分析，预测冲压缺陷及热冲过程淬火现象，优化热冲工艺参数及热冲模设计。

2 热冲压成形工艺技术及特点

热冲压成形是一项专门用来成形超高强度钢板冲压件的新型工艺和技术，是获得超高强度冲压件的有效途径。热冲压成形部件的抗拉强度可达1500MPa以上，抗疲劳极限可达800MPa，因此硼钢等超高强度钢以其高强度特性已成为汽车重要保护部件用钢的最佳选择。热冲压成形具有很多优点，如可得到超高强度的车身覆盖件；在保证汽车安全性能得条件下，优化设计以减薄车身零部件，可减轻车身重量，提高车身安全性、舒适性；改善冲压成形性，降低钣金出现易拉伸失稳性，克服传统工艺回弹严重、成形困难容易开裂等诸多难题。

热冲工艺成形技术是将钢板（如硼钢）加热至奥氏体状态，然后进行冲压并同时以20-30摄氏度/秒的冷却速度进行淬火处理，通过一定时间的保压以获得具有均匀马氏体组织的高强度钢钣金件的成形方式。热冲压工艺包括直接成形（图1）和间接成形（图2），间接成形工艺因增加了设备成本，故现在的热冲压主要以直接热冲压工艺为主。

图1 直接热冲压成形工艺

图2 间接热冲压成形工艺

3 DEFORM热冲压成形工艺方案的工业应用

热冲压成形技术虽具有很多优点，但因较普通冷冲压成形存在热成形及淬火冷却热处理的诸多因素影响，使得如何进行热冲压工艺参数优化及模具冷却结构设计成为需要解决的问题。影响热冲成形的因素包括板料拉伸性能参数、冲压温度、冲压速度、润滑方案、保压时间、冷却速度及模具冷却水管的结构分布设计等，因此如何在工艺及模具设计阶段优化工艺设计参数，是提高热冲成形效率，降低研发成本的重点。热冲压数值模拟技术正逐渐应用于钣金热冲压工艺的工业研究，通过热冲压工艺模拟，可提前预测成形缺陷，获得成形裂纹、厚度减薄率、温度变化、马氏体组织转变时间及转变量等各种冲压结果，指导热冲工艺的设计。 一些通用及钣金成形专用软件已开始尝试应用于热冲压工艺的模拟计算，但多数软件主要用于钣金的冷冲压成形，尽管部分专用钣金成形软件已可以实现热条件下的冲压成形分析，但该类软件均只能考虑板料自身在热条件下的拉伸性能，并不能考虑热冲过程中发生的淬火热处理组织转变、随温度及压力变化引起的摩擦系数和传热系数的变化关系，保压时间的长短对热冲压零件的最终硬度影响等方面，因此无法真实的反映热冲压工艺参数对成形性能和成形结果的影响。 DEFORM热冲压成形技术可考虑热冲压工艺过程的种种影响因素，对于薄板、中等厚度板、厚板均具有优异的模拟计算能力。其热冲工艺模拟，通过耦合热-冲压变形-组织转变而实现真正意义上的热冲成形。通过计算获得成形厚度减薄率、成形吨位、组织转变、硬度、最佳保压时间、应力应变、板料及模具温度变化，从而优化热冲工艺参数及模具冷却水管结构设计，达到良好的经济效益。

图3 钣金冲压成形模拟

3.1 DEFORM热冲压材料性能

钣金材料热冲性能包含材料在热条件下的拉伸应力应变曲线、与温度相关的弹性杨氏模量及泊松比、与温度相关的热导率、热膨胀系数及热容、热应变率及各向异性特性、奥氏体及马氏体组织热流变应力性能等材料性能参数。

图4 热冲材料随温度变化的拉伸流变应力曲线（左）及奥氏体组织流变应力曲线

图5 材料随温度变化的热导及热容性能曲线

热冲成形工艺要先进行板料的加热奥氏体化，再在冲压过程中实现奥氏体向马氏体或其他组织的转变，DEFORM具有奥氏体化阶段的碳原子及铁原子的扩散

机制模型、奥氏体向马氏体晶格切边转化模型、奥氏体向珠光体等TTT冷却转化模型，能够实现热冲压条件下板料从表面到内部的马氏体转化过程。

3.2 DEFORM热冲压工艺参数

模具与冲压板料件的摩擦和导热是影响热冲压结果的重要因素，由于热冲压过程的复杂性，模具与板料间的热传递系数会随着冲压过程板料所受到的界面压力而产生较大变化，热传递系数会影响板料冷却速度计算的准确性。模具与板料间的摩擦系数对其拉伸成形结果有较大影响，其会随着成形温度的变化而发生改变。DEFORM能够考虑热冲压过程中因压力及温度变化而造成的传热系数和摩擦系数的改变，从而更加准确地实现热冲压工艺模拟。

图6 随压力变化的热传递系数 图7 随温度变化的摩擦系数 3.3 热冲压工艺模拟应用

DEFORM热冲压工艺模拟，获得冲压件的厚度减薄、淬火温度随时间变化曲线、板料应力应变云图、冲压形状尺寸、马氏体组织转变时间及转变量、热冲硬度、模具冷却水管分布及温度变化等结果，评估冲压工艺参数、冷却保压时间、模具水管结构设计等。 3.3.1 热冲压模型及成形结果

图8 筒形件热冲压结构模型（1/8模型）

图9 成形后应力分布云图及厚度方向各层应力分布曲线

图10 成形零件个部位厚度减薄尺寸

3.3.2 热冲压过程组织转变量及分布

图11 淬火过程不同时刻马氏体组织转变量

图12 零件不同位置及厚度方向马氏体组织转变量分布

3.3.3 热冲压模具温度场分布

图13 热冲淬火过程不同时刻凸模温度场分布

4 结论

金属热冲压工艺在汽车等行业得到愈来愈广泛的应用，DEFORM模拟技术可很好地模拟钣金热冲压成形工艺的各种现象，实现热冲压件的工艺优化，指导模具结构设计。DEFORM可作为现在及今后新热冲材料、新热冲压行业零件的成形工艺设计和研发的优秀仿真分析平台。