高强钢板22MnB5热成形的一步逆成形有限元方法
李晓达;张向奎;胡平;刘伟杰
【摘 要】在高强钢板热冲压产品及模具设计的早期,缺少一个仅仅根据产品的形状以及少量的模具信息就能快速评估出热冲压件可成形性的工具,能对后续的产品及模具设计起到指导作用.针对以上问题,提出并实现了高强钢板22MnB5热成形的一步逆成形有限元方法,用来快速评价高强钢板22MnB5在高温奥氏体状态下的可成形性.并以某汽车B柱的加强板为例进行计算,将其模拟结果与热冲压实验结果进行对比.结果表明:模拟结果与实验值基本一致,证实了高强钢板22MnB5热成形的一步逆成形有限元方法的有效性.%In the initial phase of hot stamping product
and die design for high-strength steel sheet, there is a lack of a tool which
can quickly simulate the formability of hot stamping work piece only
according the shape of the work piece and little die information, which will
play a guiding role for subsequent product and die design. In view of the
above problems, One-step inverse forming FEM (Finite Element Method)
for hot forming of high-strength steel sheet 22MnB5 was proposed and
implemented, which could quickly evaluate the formability of high-strength steel sheet 22MnB5 in the state of austenitic at high temperature.
高强钢的冷冲压成型
精益生产、绿色生态
高性能润滑剂可提供一种更高性能的膜以保护金属免于断裂、压裂或被焊接到模具上。好的润滑剂还能够减少摩擦热量，使金属流动不间断并能控制起皱或断裂。
汽车工业的迅猛发展为国民经济和社会发展发挥了重要作用。但受能源短缺、环境污染等问题的影响，
该行业发展之矛盾也日益凸显。展望未来，该行业的发展只有建立在自然、生态、节能、安全等背景下，
其发展才可持续。
在此背景下，汽车轻量化以及高强钢的应用成为了重要发展方向。但受高强钢板材强度的提高，传统
的冷冲压工艺在成型过程中容易产生破裂现象，无法满足高强度钢板的加工工艺要求。在无法满足成型条
件的情况下，目前国际上逐渐研究超高强度钢板的热冲压成形技术。该技术是综合了成形、传热以及组织
相变的一种新工艺，主要是利用高温奥氏体状态下，板料的塑性增加，屈服强度降低的特点，通过模具进
行成形的工艺。但是热成型需要对工艺条件、金属相变、CAE分析技术进行深入研究，目前该技术被国外
厂商垄断，国内发展缓慢。
据调查统计，部分汽车品牌高强钢的应用不断扩大，有些车型的车身框架高强度钢的应用已达90%。
一、高强钢特点及成型问题分析
根据美国钢铁学院能量部的研究，即使高强度钢降低部分数值其拉伸还是要比传统的冷板困难得多。
高强钢的延展率只有普通钢材的一半 (如下图1)
同时，当材料被冲压成形时，会变硬，不同的钢材，变硬的程度不同（如下图2）。一般高强度低合金
钢只略有20MPa增加，不到10％。注意：双相钢的屈服强度有140MPa增加，增加了40％多！金属在成形
过程中，会变得完全不同，完全不像冲压加工开始之前。 这些钢材在受力后，屈服强度增加很多。材料较
高的屈服应力加上加工硬化，等于流动应力的大大增加。因此，开裂、回弹、起皱、工件尺寸、模具磨损、
微焊接磨损（如下图3）等成为了高强钢成型过程中的问题焦点。
高强钢屈服强度 普通高强钢HSS 210Mpa 30KSI 比低碳钢含更多的碳和锰
Ａ Ｔ＆Ｍ飙 界
先进高强度钢板的冲压和焊接
先进高强度钢板的成分、组织和性能与普通软钢板都有差别，因此其加工性能也不尽相
同。随着高强度钢板在汽车上的应用日益扩大，对其应用技术的研究也在不断深入，已经积累
了一定的经验。为了高强度钢板的扩大应用，现介绍其冲压和焊接的有关技术供参考。
１冲压技术
在进行钢板的冲裁时，必须克服钢板的剪切强
度：在进行钢板的冲压成形时，必须克服钢板的屈服
强度。高强度钢板的剪切强度和屈服强度比普通软钢
板高很多，必然对其冲裁和冲压成形带来困难。这些
困难大都可以通过改进零件的设计、优化毛坯形状、
优选工模具材料和其表面处理、适当增大模具圆角以
及采用辊压等新成形工艺得到解决。
１．１折弯
在折弯软钢板时，工件折弯圆角内径由凹模开口
宽度而不是凸模圆角半径决定。与此相反，在折弯高强
度钢板时，工件圆角内径与凹模开口宽度没有大的相关
性。因此，在折弯高强度钢板时，凹模的开口宽度可适
当加大，以减小折弯力和模具磨损，而对工件的折弯圆
角内径没有大的影响。高强度钢板的折弯性能在钢板的
纵向和横向上差别较大，设计折弯工艺时应注意。
１．２冲压
冲压力随着钢板强度的提高而增大。一般来说，
在冲压高强度钢板时，需要较大的压边力，以防止起
皱。冲压高强度钢板时，模具表面的高应力对模具材
料及其表面处理带来极大挑战，计算机数字模拟技术
对合理选择模具材料及其表面处理有很大帮助。
１．３辊压成形
先进高强度钢板比较适合辊压成形，采用辊压成 ■张随编译
形可以生产出断面和外形更为复杂的零件。为此，专
门开发了辊压成形用高强度钢板。试验表明，采用辊
压工艺可以获得极小的折弯半径。
１．４扩孑Ｌ翻边
高强度钢板的扩孔翻边能力比软钢板差，因此尽
可能优化工艺就变得更为重要。例如，为了使冲孔时
的毛刺位于承受拉应力较小的孔内侧，冲孔的方向应
与翻边方向相反；为了得到更高的翻边高度，可以在
冲孔之前预成形；推荐使用比加工低碳钢钢板时更大
高强度钢板冲压成形仿真与优化
随着工业技术的不断进步，钢板冲压成形技术在制造业中扮演着至关重要的角色。尤其是高强度钢板的冲压成形，其在汽车、航空航天等领域的应用日益广泛。而如何通过仿真与优化，提升高强度钢板冲压成形的质量和效率，成为了制造业界的一个热点话题。
首先，钢板冲压成形的仿真技术为制造业带来了巨大的便利。传统的冲压成形往往需要通过试验和调整来得到最佳的成形工艺参数。然而，这种方式不仅耗费大量的时间和人力资源，而且试验结果容易受到环境和人为因素的干扰，导致成形效果不理想。而仿真技术的出现，可以通过计算机模拟和虚拟实验，在模型的基础上进行多次迭代与优化，极大地减少了试验的数量和时间成本。利用仿真技术可以预测钢板的变形、应力分布等成形结果，为制造工程师提供了宝贵的决策依据，优化冲压工艺参数，提高成品的质量。
其次，钢板冲压成形仿真还能够有效解决高强度钢板成形过程中面临的一些问题。由于高强度钢板具有较高的强度和韧性，往往在冲压成形过程中产生较大的应力和应变。这种情况下，很容易出现板料断裂、变形不均匀等问题。利用仿真技术，可以通过模拟钢板的应力分布，找到易发生变形和断裂的部位，进而优化模具结构和工艺参数，减少不良情况的发生。仿真技术还可以预测冲压损伤区域和局部变形情况，指导制造工程师进行局部加强和设计改进，提高产品的使用寿命和安全性。
此外，高强度钢板冲压成形仿真与优化还能够提高生产效率和降低成本。在传统的冲压成形工艺中，往往需要通过试验和猜测调整工艺参数，以求达到所需成形效果。这种方式需要不断的实际操作和调试，导致生产周期长、效率低。而仿真技术可以通过模拟不同的工艺参数和模具结构，给出最佳的冲压工艺方案。采用仿真优化的工艺方案可以减少试验次数和调试过程，提高生产效率，降低生产成本。
然而，高强度钢板冲压成形仿真与优化也存在一些挑战和难点。首先，高强度钢板的材料性质十分复杂，其塑性行为和应变硬化特性都具有一定的非线性。因此，在建立模型时需要考虑更多的材料参数，如应变硬化曲线等。其次，冲压成形过程中的摩擦和热传导等因素对成形结果具有很大的影响，需要综合考虑模型中的非线性因素。此外，由于高强度钢板的成形过程受到很多复杂的力学因素和工艺因素的影响，模型的建立和仿真分析也需要耗费较多的时间和计算资源。
