高強(qiáng)鋼熱成形接觸導(dǎo)熱和零件力學(xué)性能及工藝優(yōu)化研究.pdf

1、為提高汽車安全性，降低尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染，高強(qiáng)度鋼熱成形越來(lái)越多應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)件制造中。熱成形是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合作用的過(guò)程，熱成形中傳熱相關(guān)問(wèn)題是影響零件力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，本文利用WISCO-HUST聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的熱成形實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線，研究了高強(qiáng)度鋼熱成形中接觸熱阻的測(cè)定及計(jì)算方法；分析了高強(qiáng)度鋼熱成形非均勻冷卻對(duì)零件質(zhì)量產(chǎn)生的影響，并提出了零件均勻化冷卻的方案；然后利用相變動(dòng)力學(xué)模型，闡述了沖壓成形后零件力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法，提出了通過(guò)

2、優(yōu)化成形工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)零件各區(qū)域力學(xué)性能定制的方法；最后，針對(duì)某汽車B加強(qiáng)板柱，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)零件熱成形過(guò)程進(jìn)行了研究，分析成形中冷卻不均及零件力學(xué)性能分布不均的原因，并提出了優(yōu)化解決方法。研究結(jié)果如下：
　　板料與模具之間的接觸熱阻（Thermal Contact Resistance, TCR）是熱沖壓成形工藝中影響傳熱的關(guān)鍵熱物性參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的板料及平模內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)溫度變化曲線，利用順序函數(shù)法求解熱成形平模實(shí)驗(yàn)熱

3、傳導(dǎo)反問(wèn)題，計(jì)算了平模與板料接觸表面熱流密度及模具表面溫度變化曲線，進(jìn)而計(jì)算出接觸熱阻隨時(shí)間變化曲線。結(jié)果表明，壓強(qiáng)越高，通過(guò)界面的熱流密度越快，且峰值越大；壓強(qiáng)越小，通過(guò)界面的熱流密度越平緩；接觸熱阻隨溫度下降而下降，并在馬氏體相變開(kāi)始溫度附近出現(xiàn)奇點(diǎn)，且壓強(qiáng)越大，奇點(diǎn)幅度越小。在同一壓強(qiáng)下，接觸熱阻隨時(shí)間減小，最后達(dá)到穩(wěn)定值，且穩(wěn)定值隨著壓強(qiáng)增加而降低。根據(jù)能量守能定律，利用計(jì)算所得接觸界面熱流密度，計(jì)算出硼鋼WH1300HF在馬氏

4、體相變中所釋放出的相變潛熱，利用相變潛熱隨時(shí)間變化曲線計(jì)算出馬氏體相變分?jǐn)?shù)隨溫度變化曲線，進(jìn)而并標(biāo)定Koistien-Marburger馬氏體相變模型參數(shù)。
　　熱沖壓成形中，非均勻冷卻會(huì)使零件力學(xué)性能分布不均勻，甚至?xí)a(chǎn)生局部應(yīng)力集中，而在淬火保壓過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂和裂紋等缺陷。本文分析了某汽車前保險(xiǎn)杠熱成形過(guò)程，由于零件與板料之間存在間隙及其接觸壓強(qiáng)不均，導(dǎo)致零件非均勻冷卻而出現(xiàn)開(kāi)裂；對(duì)比分析了零件均勻冷卻和非均勻冷卻條件下零件溫

5、度場(chǎng)分布及邊界熱流密度分布，提出了利用模具分塊的方法改善模具與板料之間的接觸的方法。
　　選擇性冷卻技術(shù)可以獲得具有梯度化力學(xué)性能的零件，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)零件力學(xué)性能可以為熱成形生產(chǎn)工藝制定提供可靠依據(jù)。本文依據(jù)熱成形過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，完善 Li相變模型，結(jié)合零件冷卻路徑計(jì)算各相分?jǐn)?shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)零件最終力學(xué)性能。通過(guò)平模實(shí)驗(yàn)，修正計(jì)算模型中的關(guān)鍵參數(shù)，提出了通過(guò)優(yōu)化成形工藝參數(shù)（保壓時(shí)間，保壓壓力和保壓溫度）實(shí)現(xiàn)零件各區(qū)域力學(xué)性能定制。

6、
　　熱成形在高溫完成零件成形導(dǎo)致模具磨損率較高，研究高溫下的板料與模具的摩擦磨損機(jī)理，能為改善接觸條件，減少模具磨損率提供理論依據(jù)。本文通過(guò)自主研發(fā)的高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，利用平模實(shí)驗(yàn)研究了高強(qiáng)度鋼板的摩擦磨損機(jī)制，分析了模具溫度對(duì)板料和模具之間摩擦系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)隨模具溫度降低而減小，摩擦系數(shù)隨溫度的變化主因是由于冷卻過(guò)程中導(dǎo)致的相變?cè)斐傻?。?dāng)模具溫度在馬氏體相變溫度以下時(shí)，實(shí)驗(yàn)中板料的主要微觀組織結(jié)構(gòu)為具有較高強(qiáng)度硬度

7、的馬氏體，板料與模具之間的摩擦磨損機(jī)制主要磨損機(jī)制為磨粒磨損，摩擦系數(shù)處于較低值。隨著模具溫度升高，板料中珠光體和鐵素體含量增加，其強(qiáng)度硬度降低，此時(shí)的板料與模具之間的摩擦磨損機(jī)制主要為粘滯磨損，平均摩擦系數(shù)逐步增大，造成這種差別的主要原因是由于不同的模具溫度導(dǎo)致板料具有不同的微觀組織，從而具有不同的強(qiáng)度硬度值及塑性條件，而材料塑性越高，粘著磨損的傾向越大。
　　由于原始B柱為盒型零件，采用熱成形工藝易起皺，難以成形。利用自主設(shè)計(jì)

8、并開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)度鋼熱成形實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線，采用近凈坯料優(yōu)化熱成形對(duì)B柱零件局部?jī)?yōu)化，使零件用熱成形工藝順利成形。對(duì)B柱零件成形后淬火保壓溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。零件各部位冷卻速率不均勻。成形結(jié)束時(shí)，零件圓角部位較其他部位溫度略低，但隨著保壓時(shí)間增長(zhǎng)，圓角部位的溫度較其他部位高。利用B柱取樣位置的溫度計(jì)算曲線預(yù)測(cè)零件硬度及抗拉強(qiáng)度，基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。針對(duì)另一個(gè) B柱零件在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的起皺問(wèn)題，利用局部?jī)?yōu)先成形方法，使易起皺部位先成形而后再整體成形，解決