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独家!高功用轿车部件热冲压技能的开发

文章出处:daxin989 人气:发表时间:2021-03-28 14:46

独家!高功用轿车部件热冲压技能的开发
 
作为统筹高强度特性和形状冻住性的办法,热冲压技能自2000年前后一直是轿车轻量化的办法之一,且其运用规模继续扩展,图1是热冲压技能的概要。一般,经过淬火进步钢板强度,钢板在加热炉加热为奥氏体域的温度(Ac3以上)后,送往冲压机,进行冲压成形。在淬火开端前完结成形,并经过模具的散热急冷,进行淬火。现在遍及的是1500MPa级的资料。更高强度的1800MPa级资料也正在用于实践构件。往后,与高强度钢板冷成形技能相比,在热冲压中有或许进一步高强度化。
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可是,轿车部件的功用不只取决于资料强度,并且还依据所需求的功用,寻求构件结构的高功用化技能也在不断发展。典型的例子是冷成形用料的拼焊技能。它能够由异钢种、异厚度材拼焊,使成形部件具有高功用。热冲压工艺流程包括加热和冷却,所以提出了运用热处理的灵活性,经过不同热处理条件操控,制造不同部位、强度不同部件的技能。构成了包括运用异钢种、异厚度拼焊资料的“组合功用”综合制造技能。
另一方面,由于其包括热过程,因而,加热、运送和冷却各个环节都有时刻束缚,与冷冲压相比,存在生产率低的问题。惯例上,一般是采纳缩短冲压工序冷却时刻的对策,组合功用法也有冷却速度慢的部位,存在生产率低的问题。此外,以为还有必要应对冲压后的温度散布和特性差的影响以及确保构件形状精度等问题。
 
 
1 高功用化的实验(组合功用)
1.1 实验办法
在热冲压构件高功用化的各种组合功用法中,对仅运用热处理的部分加热模具的强度差施工法,进行了作用验证实验。实验装置由压力机、加热模具(上冲头)和加热器操控单元构成。实验模具运用宽80mm、高60mm、长700mm的帽形构件成形用模具。在上侧冲头的断面内,装入了筒形加热器和热电偶,在冲头纵向分割成三块,每块之间选用隔热办法,每块能够单独部分加热。加热器操控配线等经过模具反面连接操控单元。此外,作为热冲压用的模具资料运用常用的SKD61。
实验用料运用了板厚1.6mm的1500MPa级热冲压用镀锌钢板。坯料尺度宽226mm×长700mm,成形后的凸缘宽15mm。
部分加热的温度条件是,将中心块的模具温度加热到280℃并坚持30s,旨在添加淬火时的剩余奥氏体,以创建一个软化部分。此外,为了比较构件形状和硬度,还施行了无模具加热并坚持15s的惯例热冲压施工法。实验中的模具温度用装备在模具内的热电偶测定,模具外表和成形品的温度情况由压力机旁边面的热成像仪测定。
1.2 实验成果
在加热炉将坯料加热到950℃,运送到冲压机,在约700℃冲压成形,在部分加热模具内坚持,脱模后成形品的温度散布情况示于图2。加热模具部的笔直壁部位约为200-250℃,不加热模具部分为显着不同的温度情况。
 
笔直壁中心部的纵向硬度散布显现,在不加热的模具条件下,1500MPa级资料热冲压后,一般取得均匀的硬度,约为450HV。而在中心部用加热的模具坚持时,中心部的硬度下降到约350HV,清楚地看到了高温坚持的特性差。距鸿沟不加热部位一侧约50mm是加热部和不加热部鸿沟的硬度过渡区域。
测定了成形部件的形状,比较与规划形状的差异,其成果示于图3。上段(a)是无模具加热坚持15s模具淬火部件;下段(b)是部分加热模具坚持30s部件的成果,示出了各个平面(顶板、凸缘面)与旁边面(笔直壁面)。无模具加热时,误差规模在0-0.5mm,加热模具时,笔直壁中心呈膨胀情况,特别是膨胀大的壁下部,误差为3mm。此外,顶板和凸缘两头部分为下垂的情况。在这种部分温度经历不同的施工法中,为了确保部件形状精度,需求构筑温度散布、冷却经历引起的形状改变的猜测技能、构件断面结构和模结构的规划技能。
 
2 直接水冷模具的点评
2.1直接水冷模具冷却系统
作为热冲压办法特征的模具中的淬火,依赖高温成形品外表与内部水冷模具外表之间的触摸热传递。可是,像轿车部件那样杂乱形状面上构成的构件中,由于构件内产生的板厚散布、模具制造精度等的影响,模具与成形品外表的触摸有触摸杰出的部位,也有在模具与成形品之间产生空隙,触摸不良或触摸不到的部位。在空隙部位由于空气层的隔热,与触摸杰出部位相比,冷却速度降低,淬火时刻成为瓶颈。因而,作为不只选用触摸传热并且选用流体制冷剂传热办法的冷却办法,规划了从模具直接喷冷却水,冷却成形品的直接水冷施工法。
图4是该施工法的模具结构。图中示出了用上下模具夹在中间的高温坯料的情况。最大的特征是在连接成形品的模具外表设有称为微图形(MP)的凹凸形状,即使是模具封闭情况也能够确保制冷剂的活动途径。还恰当装备了将冷却水从模具内部引入MP加工面的喷水孔,将高温成形品与冷却水界面产生的蒸汽以及剩余冷却水从MP加工面排出的吸水孔,构成成形品外表整体根本掩盖的冷却流路网。
 
板厚为1.4mm钢板,用惯例模具冷却到淬火结束(200℃以下)需求约10s,而选用上述冷却系统冷却到常温(水温邻近)只需求2.5s。运用该特征的高生产率热冲压施工法能够量产部件。可是,由于存在模具面形状导致MP加工规模的约束,有模具结构导致的喷水孔和吸水孔的加工方位受限,虽然能够快速冷却,但不能安稳取得均匀的温度经历和温度散布。这有时也会影响形状精度,为使温度散布均匀,需求使冷却才能与低冷速侧相匹配。
在此,为了研讨调整冷却速度杂乱的异厚度、异强度部件恰当的冷却规划条件,以短时刻冷却难度高的厚材为对象,制备直接水冷模具,再次承认了冷却特性和形状操控的方向。
2.2实验办法
图5是构件模拟模具的形状。不对称的M形横截面、高度和宽度渐变部结合,是保险杠和立柱的横截面形状要素。冷却面的MP加工用蚀刻加工成0.5mm深度凹槽,留下3mm直径的圆形触摸面。别的,为了避免凸状的棱线部分滑动和咬合,不加工MP。喷水孔和吸水孔以30mm的距离装备在MP加工面上,喷水和吸水以错开半个距离的格子状装备。实验用料是板厚2.6mm的1500MPa级热冲压用镀锌钢板,坯料是宽235mm、长495mm的矩形板。坯料加热为炉温950℃,在炉中坚持5min,成形开端时的温度约为750℃,成形速度 40mm/s,成形载荷3000kN的条件下,进行冲压。喷水设定为抵达下死点的同一时刻开端,在下死点坚持中继续喷水的条件下进行了实验。二手冲床回收
 
2.3 实验成果
2.3.1温度散布和冷却才能
图6是直接水冷条件和脱模时的温度散布。在模具冷却中,坚持5s,顶板部有大规模300℃的高温。但直接水冷时在该坚持时刻满意惯例热冲压温度指标200℃以下。图中最下段示出的单面(下)的直接水冷中,M形棱线部残留高温部位,该部位在结构上仅设有喷水喷嘴,邻近没有吸水孔的部位,以为是制冷剂的滞留的原因。关于流量,从双面直接水冷的坚持时刻2s的温度散布看,初期的冷却规模向外扩展。MP流路内核算的冷却水充溢时刻是喷水后0.05s,但在高温部位估计因蒸汽滞留等,冷却规模扩展需求时刻。
 
图7是提取脱模时的最低温部位和最高温部位,绘制的温度与坚持时刻的联系。图7(a)是模具冷却与双面直接水冷的比较。直接水冷的高温部位存在与模具冷却的低温部重叠的区域。即使是板厚2.6mm的条件,也是3s抵达200℃以下,低温部位抵达常温,能够承认直接水冷的急冷作用。图7(b)是双面直接水冷的流量条件的比较。低温部位与流量无关,高温部位由于流量减少违背冷却开端点。该成果显现,直接水冷时的局部性热传递特性受冷却水的抵达规模以及抵达后的冷却时刻影响。冷却水的抵达规模与喷水流速有关,因而,猜测稍大区域的平均温度是能够经过喷水流速与热传递系数相关来核算。可是,在冷却水抵达时差显着的厚材冷却时,需求考虑冷却水的过渡性扩散特性。
 
2.3.2 形状精度
图8是各冷却办法坚持5s的成形品形状的测定成果。图中最上段的模具冷却,从上面开端第2、3段的双面直接水冷的条件下,在顶板部两头发现飞溅倾向,但相对CAD形状,取得±0.5mm以内的精度。从上面开端第4段的单面(上)的直接水冷中,凸缘有飞溅倾向。最下段的单面(下)的直接水冷中,凸缘下垂的倾向显著,相对CAD形状,精度均扩展±0.5-1mm。该形状改变的起点是构件断面的棱线R邻近,没有观察到壁部翘曲,所以推测是引起上下面不同的MP加工规模的平板部和棱线部的温度经历差的影响。因而,就形状精度而言,减小温度经历差的双面直接水冷占优势。
 
往后,厚构件快速冷却时的形状规划,为了对应异厚度构件的部分直接水冷后的形状猜测和模具规划,有必要考虑再现温度经历差导致的热收缩和相变行为的CAE技能。此外,该技能与上面所述的组合功用部件的形状猜测共通。
3 相变CAE办法的运用研讨
3.1热冲压办法和CAE技能
热冲压办法的特点是加工温度高、加工载荷低。受成形过程中模具触摸导致的温度散布影响,成形性不一定高。因而,研讨了结合传热与成形的CAE法,安装了一般剖析求解的热冲压成形核算功用。此外,对淬火后的功用,实践运用了基于CCT图和相变核算的硬度猜测通用剖析工具。
对于形状精度猜测,在遍及形状冻住性杰出的热冲压中,根本没有研讨。实践的热冲压构件,由于从成形到冷却,构件内的温度经历不同,导致形状精度产生改变。并且,在上述的组合功用法和直接水冷法中,产生更极点的温度经历差,所以现在有必要建立为猜测形状精度的考虑相变的CAE技能。在此,经过实验取得了关于相变具体资料的物性数据,并正在运用安装了准确反映这些数据的资料模型,用单独开发的剖析办法验证热成形后的形状精度猜测。经过验证能够证明,热冲压相变CAE技能能够准确猜测热冲压时的相变行为。
3.2 构件剖析
运用相变核算办法,经过以U型弯曲实验为对象,经过形状猜测验证,承认能够再现实践热冲压的现象。因而,经过高功用化,追寻杂乱热经历的热冲压构件,经过核算,提取实践构件取得的核算精度、运用问题等。
作为核算对象,挑选了部分加热模具的帽形组合功用构件,图9是核算模型。模型由分隔的上模(冲头)、矩形坯料、垫和下模(模具)组成。温度条件基于实验的实测温度,坯料的初始温度为700℃,冲头中心加热部恒定为330℃,两侧不加热部的初始温度为120℃,下模部分的初始温度为60℃。核算分为成形、冷却、加热坚持和空冷三道工序施行。成形工序的成形速度为40mm/s(成形时刻1.5s)。冷却和加热坚持工序是在模具封闭情况坚持30s,然后,进行了空冷到20℃的核算。在考虑相变的情况下,核算到空冷后,用不考虑温度的回弹剖析求出终究形状。
 
是冷却及加热坚持后的温度散布核算成果。基于惯例的成形剖析的知识,经过传热设定,取得与图2的实验相同的温度散布,图11是笔直壁的硬度散布。可承认模具的不加热部分和加热部分的纵向中心邻近的硬度根本能够再现。模具块鸿沟邻近的温度改变以及硬度改变行为是杂乱的,正在进行运用点评。这种温度鸿沟部分的核算,模具间、坯料间的热移动和向系统外散热的平衡有很大影响,需求进一步完善CAE的传热特性、热传递境地条件设定。
 
选用组合功用法时,由于热应变等形状精度产生改变,以为这种相变CAE办法能够有效用于其猜测,图12是终究形状的核算成果。能够再现加热部、不加热部产生的断面开闭,顶板和凸缘的翘曲等特征。经过该CAE办法,清楚了在变形量的核算精度中,平衡再现从成形到坚持工序的相变和相变结束后热收缩的影响是不可缺少的。由于不能充分把握实践构件的模具温度、构件各部的具体温度散布和温度经历的差异,往后,将经过优化这些核算条件,来把握温度经历再现的精确条件。
 
4 结语
为了轿车的轻量化和确保安全性,热冲压构件的高功用化是必不可少的,往后将进一步推进组合功用法等运用技能的选用。此外,还需求开发为用于大规模量产的高生产率技能。关于支撑其开发规划的相变CAE技能、资料模型以及要素核算办法根本完结,需求经过采集面向杂乱的热冲压过程中的现象再现的实践数据,以建立适用点评技能。
往后还应该尽快建立高功用热冲压构件的剖析、点评和规划试制技能,并适应见机行事的轿车车身的变革。
 

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