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

1、為提高汽車安全性，降低尾氣排放對環(huán)境的污染，高強度鋼熱成形越來越多應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)件制造中。熱成形是一個多物理場耦合作用的過程，熱成形中傳熱相關(guān)問題是影響零件力學性能的關(guān)鍵因素，本文利用WISCO-HUST聯(lián)合實驗室開發(fā)的熱成形實驗生產(chǎn)線，研究了高強度鋼熱成形中接觸熱阻的測定及計算方法；分析了高強度鋼熱成形非均勻冷卻對零件質(zhì)量產(chǎn)生的影響，并提出了零件均勻化冷卻的方案；然后利用相變動力學模型，闡述了沖壓成形后零件力學性能預(yù)測方法，提出了通過

2、優(yōu)化成形工藝參數(shù)實現(xiàn)零件各區(qū)域力學性能定制的方法；最后，針對某汽車B加強板柱，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對零件熱成形過程進行了研究，分析成形中冷卻不均及零件力學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)。通過實驗獲得的板料及平模內(nèi)部測量點溫度變化曲線，利用順序函數(shù)法求解熱成形平模實驗熱

3、傳導(dǎo)反問題，計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，進而計算出接觸熱阻隨時間變化曲線。結(jié)果表明，壓強越高，通過界面的熱流密度越快，且峰值越大；壓強越小，通過界面的熱流密度越平緩；接觸熱阻隨溫度下降而下降，并在馬氏體相變開始溫度附近出現(xiàn)奇點，且壓強越大，奇點幅度越小。在同一壓強下，接觸熱阻隨時間減小，最后達到穩(wěn)定值，且穩(wěn)定值隨著壓強增加而降低。根據(jù)能量守能定律，利用計算所得接觸界面熱流密度，計算出硼鋼WH1300HF在馬氏

4、體相變中所釋放出的相變潛熱，利用相變潛熱隨時間變化曲線計算出馬氏體相變分數(shù)隨溫度變化曲線，進而并標定Koistien-Marburger馬氏體相變模型參數(shù)。
　　熱沖壓成形中，非均勻冷卻會使零件力學性能分布不均勻，甚至會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，而在淬火保壓過程中出現(xiàn)開裂和裂紋等缺陷。本文分析了某汽車前保險杠熱成形過程，由于零件與板料之間存在間隙及其接觸壓強不均，導(dǎo)致零件非均勻冷卻而出現(xiàn)開裂；對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性能的零件，準確預(yù)測零件力學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)熱成形過程中組織轉(zhuǎn)變的特點，完善 Li相變模型，結(jié)合零件冷卻路徑計算各相分數(shù)，進而預(yù)測零件最終力學性能。通過平模實驗，修正計算模型中的關(guān)鍵參數(shù)，提出了通過優(yōu)化成形工藝參數(shù)（保壓時間，保壓壓力和保壓溫度）實現(xiàn)零件各區(qū)域力學性能定制。

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)。本文通過自主研發(fā)的高溫摩擦磨損試驗機，利用平模實驗研究了高強度鋼板的摩擦磨損機制，分析了模具溫度對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程中導(dǎo)致的相變造成的。當模具溫度在馬氏體相變溫度以下時，實驗中板料的主要微觀組織結(jié)構(gòu)為具有較高強度硬度

7、的馬氏體，板料與模具之間的摩擦磨損機制主要磨損機制為磨粒磨損，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，其強度硬度降低，此時的板料與模具之間的摩擦磨損機制主要為粘滯磨損，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

8、并開發(fā)的高強度鋼熱成形實驗生產(chǎn)線，采用近凈坯料優(yōu)化熱成形對B柱零件局部優(yōu)化，使零件用熱成形工藝順利成形。對B柱零件成形后淬火保壓溫度場進行分析。零件各部位冷卻速率不均勻。成形結(jié)束時，零件圓角部位較其他部位溫度略低，但隨著保壓時間增長，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算曲線預(yù)測零件硬度及抗拉強度，基本與實驗結(jié)果吻合。針對另一個 B柱零件在實驗中出現(xiàn)的起皺問題，利用局部優(yōu)先成形方法，使易起皺部位先成形而后再整體成形，解決