热冲压成型--CAE分析实例，干货满满！

图 1 热冲压生产工艺路线及量产线

2 有限元分析

2.1 模型搭建 图 2 是某汽车顶盖前边梁加强板，零件整体尺寸为 1781 mm×575 mm×275 mm，零件整体结构细长，并且两端不规则，局部拔模角度较小。该零件厚度为1.2 mm，材质选用 HS1300T/950Y进行冲压数值模拟，HS1300T/950Y 高强板的密度为 7370 kg/m³，膨胀系数为 1.3×10−5 K−1，弹性模量为 105 GPa，泊松比为0.3，体积热容为 4.37 mJ/(mm3·K)，20 ℃下的热传导系数为 20 W/(m2·K) ， 950 ℃ 下的热传导系数为75 W/(m2·K)，库伦摩擦因数为 0.35，抗拉强度为666 MPa，伸长率为 19%。

在 UG 中对该零件进行工艺模面补充，通过 IGS格式导入软件，并应用软件默认尺寸精度对产品和工艺模面进行自适应网格划分。如图 3 所示。

图 3 零件工艺补充和有限元网格划分

2.2 有限元模拟实施路线通过分析，该零件成形所需工艺路线为：板料加热（加热温度超过亚共析钢奥氏体化临界温度以上，使其充分奥氏体化、零件成形（定义模具工具体及其运动方式）、淬火（均匀快速冷却使奥氏体转变为均匀板条状马氏体）、激光切割落料（由于淬火后零件硬度较高只能通过激光切割实现产品最终结构）。图 4 为工艺模拟实施路线。

图 4 有限元模拟工艺路线

该零件模拟分析中对冲压速度分别设置为 50，100，150，200，250 mm/s，研究冲压速度对成形的影响，根据初始成形温度对热冲压件力学性能的研究表明，板料初始成形温度为 750~850 ℃时，钢板的抗拉强度和硬度会明显提高，所以设置钢板加热温度为 900~930 ℃，板料转移时间设置为 3 s；分别设置保压力为 500，800，1000，1500 kN，研究压力对冷却速率的影响，由于冷却时需要保证马氏体转变初始温度（大约 200 ℃），所以设置板料最终温度为 85 ℃。2.3 有限元模拟过程和成形结果分析模型采用单动模具拉延类型，冲压过程中凸模、凹模设置为刚体，板料为三维可变形实体，通过反算功能计算零件展开初始板料尺寸，并将单边扩大5 mm 作为料片尺寸。图 5 所示为冲压开始阶段各个工具体的位置状态，由于加热后板料较软，凸模的最高点与最低点落差较大，所以板料转移至凸模时会产生位置偏移和倾斜，需要在凸模的 4 个方向增加板料定位约束，如图 5 所示。

图 5 冲压初始阶段

顶盖前边梁加强板较窄侧位于零件最低点，并且存在轻微转角，所以零件在到底前 10 mm 时出现剧烈褶皱，如图 6 所示；并在到底前 3 mm 出现叠料，

如图 7 所示。该结果是因为最低点翻折成形时与旁边台阶出现叠料，所以需要对此处模面优化的同时增加压边圈，用来拖料，控制材料的流动

因为板料尺寸较小，增加压边圈后起不到拖料的作用，所以需要相应的增大板料尺寸，如图 8 所示，压边圈通过间隙调节，设置压边圈与凹模的间隙为1.0~1.1 倍料厚，取值 1.26 mm，控制较窄处板料流动，使板料均匀流出，从而解决叠料问题。

增加压边圈后叠料起皱问题得以解决，零件成形过程如图 9 所示，分别为板料重力状态（便于板料定位设计）、凸模接触板料、到底前 30 mm 状态、到底前 10 mm 状态、到底前 3 mm 状态（无明显起皱）、到底状态（无开裂现象）。优化数值模拟结果显示，顶盖前边梁加强板成形性良好，其厚度和减薄分布如图 10—11 所示，厚度分布集中在 1.18~1.21 mm 附近，减薄最大不超过 5%，厚度整体分布均匀。由于增加了压边圈拖料，所以加热后的板料转移到压边圈上时，与压边圈接触的板料最先进行热传导，当压机速度为 200 mm/s 时，凹模下降到与压边圈接触需要 1.6 s 左右，接触压边圈的板料温度冷却较早，比未接触压边圈的板料温度低 100 ℃左右，如图 12 所示；随着凹凸模闭合，零件整体冷却速率基本一致，当零件成形保压淬火阶段结束时，零件温度基本降到 260 ℃左右，与压边圈接触的位置板料温度在 140 ℃左右，如图 13 所示。零件的不均匀冷却会导致马氏体转变不均匀，从而导致零件部分区域强度较低，所以根据板料温度变化规律，应当适当提高压机快降速度，保证凹模与压边圈快速闭合，同时当板料放置在压边圈时可以降低压边圈上冷却水流速，当成形淬火阶段再提高冷却水流速，这样就能保证零件整体冷却的均匀性。成形仿真结果如图 14—16，成形后零件马氏体转变率平均达到 98%以上，抗拉强度平均不低于 1400 MPa，维氏硬度平均不低于 HV475，模拟结果 均满足超高强钢热冲压工艺的国家标准要求[15]。结合仿真模拟工艺进行零件试制，模拟分析的目 的是为了生产加工应用，通过模拟分析选择最优生产 工艺，才能为现场生产提供有力依据，零件最终试制 结果如图 17 所示。

3 、结论

试验表明，顶盖前边梁加强板热成形工艺需要增加拖料体，以控制材料流动，并且需要对冷却水流速度进行智能调节，才能保证冷却的均匀性，提高零件的整体性能，分析表明经过该热成形分析方法，可达到性能要求，并满足批量化生产，为同类型零件热成形分析提供了技术指导。