靈活的熱成形工藝實現方式

加工車間內的沖壓硬化工藝需要對材料性能進行大量的建模分析。本文詳述了材料和工藝的精確建模分析，以及如何才能及時地完成沖壓模具及工藝的設計。

沖壓硬化工藝是一項相對較新的技術，超高強度鋼通過該工藝可以被加工成各種復雜的形狀。一個被開發出的新材料模型能夠按照可測的相位路徑對材料性能進行量化計算和模擬。對材料和工藝進行精確建?？芍^好處多多，除了可以精確地確定成形件的形狀相較標稱形狀的偏離值以及淬火時間，還能獲得加工完成后材料的屬性以及殘留應力值，同時也大大縮短試制階段的加工時間。

熱成形加工工序

與大多數鈑金成形加工一樣，熱成形工藝同樣也是從卷料開始，然后剪切成板料，最后加工成可用的零部件。第一道工序是開卷和落料，緊接著是板料堆垛，然后材料處理設備一次抓取一張板料，將其放進加熱爐。加熱爐將板料加熱至材料的奧氏體化溫度以上。板料快速轉移到壓力機中，沖壓成形后淬火。然后，成形件從壓力機中移出，通常最后一道工序是激光切邊和鉆孔。

工藝設計及驗證

工藝設計及驗證與模具表面設計和模擬密不可分。一旦工藝經過驗證，下一步就是對淬火和模具表面進行優化，以實現最佳的工藝性能。

淬火及虛擬合模

淬火是熱成形工業中最耗時的一道工序。許多研發工作的重心就是放在如何減少淬火的時間上。雖然通過一些新的淬火工藝也能夠達到相同的目的，但是最常見和最適合的方法是：（1）優化冷卻通道及冷卻液；（2）增加板料和模具之間的接觸面。

板料的熱傳遞效果與實際情況中模具與板料之間的縫隙和壓力密切相關。在熱沖壓操作中，當模具加工完成后會安裝在壓力機上。板料噴上水溶性藍色合模液后完成幾次試沖壓。然后對模具進行手動修磨（合模），使90% 的模具表面都涂有合模液。這樣可以確保只有一小部分板料的熱量通過空氣間隙傳遞。這項工作可能需要投入幾天的人力。

“虛擬合模”可以縮短時間。首先，采用“標稱（CAD）表面”進行模擬。一旦板料的變薄系數計算出來后，新的合模模具面就會自動生成。在新的迭代中，可以利用已經合模區域的幾何尺寸。合模完成后，就可以得到更好的淬火效果。此外，也可以減少空氣冷卻后的變形。

材料模擬的力學屬性

為了獲得有效的變形分析結果，有必要對材料的表現進行精確的模擬。對連續、等溫的冷卻性能的數學描述取決于對相變的正確描述，而后者則依賴于測得的冷卻率。針對每一次模擬增量，對應增量的真實冷卻率就可以得出，然后再用于計算當次增量的相變。類似這樣，任何冷卻路徑都可以包含在內，而且還可以正確地模擬所有可能的淬火及冷卻流程。

除了正確的流變曲線作為相位/相位路徑/溫度以及應變率的函數，材料模型必須能夠反應作為相位及溫度函數的熱應變的演化，這樣才能夠準確計算出成形件由于成形及淬火而導致的形變。在成形件較硬的部分只有馬氏體相變，而在較弱的部分，主要是貝氏體相變。

正確計算淬火后形變可以得到一個關鍵結果是相變塑性值——只有在相變演化時出現的一種塑性變形，而且在所施加的力大大低于名義屈服強度時出現。

由相變塑性導致的應力消除通過Satoh實驗測得，可以在成形件冷卻過程中應力累積時進行。對樣件進行加熱，直到達到所需的最高溫度。熱收縮導致應力的積累，在相變過程中部分應力會消失。新的材料模型采用PAM-STAMP運行，該軟件通過可測量的相位路徑對材料性能進行計算和模擬。

受相變演變的影響，這些屬性有點混亂不清。為了驗證新材料模型，SYSWELD軟件得到了應用，該軟件在對焊接和熱處理產生的熱效應（包括相變和相變發生過程中應變硬化恢復）進行模擬方面可以作為一種參考。它采用了單相模型（per phase model）來計算應力。

圖1 顯示了22MnB5鋼在-50K/s冷卻速率下，有無相變塑性情況時，100%相變到馬氏體過程中累積應力的變化過程。圖2顯示了應力以-7.5K/s 冷卻的釋放情況——在鐵素體、貝氏體及馬氏體相變三種情況下屈服。兩個材料模型——單項模型及相位路徑模型結果一樣。

圖1：Satoh 實驗應力結果（22MnB5 鋼，冷卻速率-50K/s，100% 相變為馬氏體）。

為了對采用“特定加熱”工藝的成形件進行模擬，需要得到鋼板在奧氏體化前的流動應力數據。目前，土耳其At?l?m大學的金屬成形卓越中心正在針對幾種材料計算這些數據。試驗采用B?hr DIL 805成形膨脹計進行。非奧氏體化及其他規格（6MnB6、37MnB4等）的材料數據在驗證研究完成后會錄入沖壓材料庫。需要指出的是，在奧氏體化之前，材料的延伸率限定在0.1之內，而在奧氏體化之后，總延伸率大于0.3（真應變）。

熱成形行業發展趨勢

連續變截面板：連續變截面板（TRB）在汽車行業中的應用越來越廣泛。2014年推出的一些車型如標致308、雷諾Twingo、smart Forfour和沃爾沃XC90等車型都采用了熱沖壓TRB零部件。

“補片”型拼焊板：2014年推向市場的斯巴魯Impreza和菲亞特500X車型采用了“補片”型熱沖壓加強B 柱——一種“點焊”補片型熱沖壓加強拼焊板。在加工中，加厚部分有凹凸不平的褶皺，但是經壓力機沖壓，褶皺均被壓平。

圖2：Satoh 實驗結果（22MnB5 鋼，-7.5K/s 冷卻速率）。

新的鋼種——拼焊板：到目前為止，熱成形行業主要采用的是22MnB5鋼，無涂層或采用AlSi涂層，還有一些采用鋅基涂層，但是用于低端應用。不過，沃爾沃最近開始采用6MnB6鋼（市場上常見的品牌有DUCTIBOR 500、MBW 500或phsultraform 490）。雷諾展示的一款前梁結構件同樣采用了該鋼種。6MnB6鋼板通常與22MnB5鋼板焊接在一起后熱沖壓成形。

鋼鐵市場的其他一些新發展：（1）達到>1800Mpa抗拉強度水平；（2）1000-1300Mpa抗拉水平下擁有較高的延伸率。這些材料也將在At?l?m大學得到深入研究。

逼真的虛擬原型技術

熱成形模擬需要復雜的材料模型，涵蓋機械效應、熱效應以及冶金效應。根據這種需求，新的模型被開發出來，按照該模型可以在可測算的相位路徑上對材料屬性進行量化計算和模擬。不同的材料、焊接工藝（拼焊板點焊、激光焊等）、拼焊方式（可變截面/ 裁焊/ 調質）以及其他工藝類型都可以包含在模型中，進行逼真的虛擬原型。