超高強(qiáng)度硼鋼板熱沖壓成形技術(shù)

前言第1章緒論11.1引言11.2超高強(qiáng)度硼鋼板及其應(yīng)用31.3超高強(qiáng)度硼鋼板沖壓成形工藝4第2章超高強(qiáng)度硼鋼板材料性能測(cè)試62.1超高強(qiáng)度硼鋼板熱力學(xué)性能測(cè)試62.1.1測(cè)試裝置62.1.2測(cè)試步驟72.2超高強(qiáng)度硼鋼板成形性能測(cè)試82.2.1測(cè)試裝置82.2.2測(cè)試方法82.3超高強(qiáng)度硼鋼板相變測(cè)試102.3.1測(cè)試方法102.3.2相變判斷11第3章超高強(qiáng)度硼鋼板材料性能及其理論模型143.1超高強(qiáng)度硼鋼板的物理性能143.1.1常溫物理性能143.1.2高溫物理性能143.2超高強(qiáng)度硼鋼板的力學(xué)性能163.2.1常溫力學(xué)性能163.2.2高溫力學(xué)性能173.3超高強(qiáng)度硼鋼板的本構(gòu)模型193.3.1基于井上勝郎模型的本構(gòu)模型203.3.2基于動(dòng)態(tài)回復(fù)的本構(gòu)模型233.4超高強(qiáng)度硼鋼板的成形性能283.4.1常溫成形性能283.4.2高溫成形性能283.4.3超高強(qiáng)度硼鋼板熱沖壓成形極限預(yù)測(cè)模型303.5超高強(qiáng)度硼鋼板的焊接性能363.5.1焊接接頭的力學(xué)性能分析373.5.2焊接接頭宏觀形貌分析373.5.3焊點(diǎn)的金相分析383.6本章小結(jié)39第4章超高強(qiáng)度硼鋼板熱成形過(guò)程中的相變、機(jī)理及控制414.1形變奧氏體的擴(kuò)散相變熱力學(xué)分析414.2鐵素體相變分析454.2.1變形溫度對(duì)形變誘導(dǎo)鐵素體相變的影響494.2.2應(yīng)變速率對(duì)形變誘導(dǎo)鐵素體相變的影響504.2.3變形后冷卻速率對(duì)形變誘導(dǎo)鐵素體相變的影響504.2.4應(yīng)變量對(duì)形變誘導(dǎo)鐵素體相變的影響504.3貝氏體相變分析534.4馬氏體相變分析564.4.1馬氏體相變形核功564.4.2馬氏體相變動(dòng)力學(xué)模型584.5熱沖壓工藝參數(shù)對(duì)硼鋼板相變的影響614.5.1冷卻速率對(duì)硼鋼板相變的影響614.5.2保溫溫度對(duì)硼鋼板相變的影響634.6本章小結(jié)72第5章超高強(qiáng)度硼鋼板熱沖壓的數(shù)值模擬745.1熱沖壓常用數(shù)值模擬軟件概述745.2考慮開模溫度場(chǎng)分布的熱沖壓開模變形仿真755.2.1熱沖壓工藝的耦合分析方法概述765.2.2考慮開模溫度場(chǎng)分布的熱沖壓開模變形仿真方法775.2.3回彈變形的熱力耦合分析流程795.2.4基于Dynaform的B柱的熱沖壓成形過(guò)程仿真815.2.5帶有溫度歷程的開模變形仿真方法875.3熱沖壓開模變形仿真模型的驗(yàn)證955.4本章小結(jié)97第6章超高強(qiáng)度硼鋼板的熱沖壓成形與開模變形986.1成形工藝參數(shù)對(duì)熱沖壓工藝的影響986.1.1板料成形初始溫度對(duì)熱沖壓工藝的影響996.1.2沖壓速度對(duì)熱沖壓工藝的影響1006.1.3板料厚度對(duì)熱沖壓工藝的影響1026.1.4保壓條件對(duì)熱沖壓工藝的影響1026.2熱成形開模變形的原因及規(guī)律1036.2.1熱脹冷縮及相變膨脹對(duì)變形影響分析1036.2.2熱沖壓B柱開模變形的原因及規(guī)律1056.3本章小結(jié)111第7章熱沖壓成形零件的尺寸控制112Ⅴ7.1熱沖壓成形零件的尺寸控制技術(shù)1127.1.1零件接觸壓力的影響1127.1.2模具溫度分布的影響1157.1.3模具型面補(bǔ)償?shù)挠绊?217.2本章小結(jié)123第8章熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)1248.1熱沖壓模具簡(jiǎn)介1248.2熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1268.2.1熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1268.2.2熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)1268.2.3熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化1278.3熱沖壓模具熱平衡設(shè)計(jì)1358.3.1熱沖壓模具熱平衡分析1358.3.2熱沖壓成形工藝傳熱數(shù)學(xué)模型的建立方法1368.3.3熱沖壓成形工藝傳熱數(shù)值分析方法1398.4本章小結(jié)144參考文獻(xiàn)146后記1512100433B

本書為機(jī)械工業(yè)出版社《制造業(yè)高端技術(shù)系列》之一。本書共分為8章，主要包括緒論，超高強(qiáng)度硼鋼板材料性能測(cè)試方法，超高強(qiáng)度硼鋼板材料性能及其理論模型，超高強(qiáng)度硼鋼板熱成形過(guò)程中的相變、機(jī)理及控制，超高強(qiáng)度硼鋼板熱沖壓的數(shù)值模擬，超高強(qiáng)度硼鋼板的熱沖壓成型與開模變形，熱沖壓成形零件的尺寸控制，熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

熱沖壓零件外形和工序設(shè)計(jì)

采用冷沖壓工藝的零件，其外形設(shè)計(jì)自由度相對(duì)較大，并可以通過(guò)3-5道工序來(lái)成形所需外形、尺寸的零件。鋼板熱沖壓原則上只能一道沖壓成形，因此零件的外形設(shè)計(jì)要充分考慮其工藝特點(diǎn)。對(duì)于沖壓深度很深、成形難度很大的中通道類零件，可以先采用冷沖壓進(jìn)行預(yù)成形，然后再進(jìn)行熱沖壓，但設(shè)備投資和零件價(jià)格會(huì)相對(duì)較高。

熱沖壓熱沖壓模具

與冷沖壓模具及傳統(tǒng)意義上的熱沖壓模具不同，鋼板熱沖壓新技術(shù)所需的模具具有其特殊性，核心技術(shù)體現(xiàn)在：

1.由于車身沖壓件裝配精度要求較高，模具型面設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮鋼板的熱脹冷縮效應(yīng)，并采取有效補(bǔ)償方案，同時(shí)模具型面不能設(shè)計(jì)冷沖壓模具中常用的拉深筋；

2.冷卻水的流動(dòng)方式等；

3.基于加工工藝性，特別是鉆孔工藝性的模具分塊及其精密裝配技術(shù)；

4.模具冷卻水泄漏的有效解決方案。

全球范圍內(nèi)能成功設(shè)計(jì)、制造鋼板熱沖壓模具的廠家不超過(guò)20家，而且實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保護(hù)和封鎖。國(guó)內(nèi)能夠接觸到這類模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的人極少，不具備這類模具的設(shè)計(jì)能力。國(guó)內(nèi)僅有的4條鋼板熱沖壓產(chǎn)線所使用的熱沖壓模具全部從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴。

熱沖壓毛坯定位

對(duì)冷沖壓而言，常常采用定位銷對(duì)毛坯進(jìn)行定位。對(duì)熱沖壓來(lái)說(shuō)，熱態(tài)毛坯在重力作用下的變形撓度很大。為最大限度避免毛坯在沖壓之前過(guò)早地與模具表面接觸以減小溫降、提高熱沖壓成形性，需要設(shè)計(jì)專門的支撐機(jī)構(gòu)來(lái)支撐毛坯。

熱沖壓鋼板熱沖壓CAE分析

鋼板熱沖壓新技術(shù)領(lǐng)域的CAE分析可以拆分為熱沖壓過(guò)程分析（預(yù)測(cè)零件的熱沖壓可制造性）、保壓淬火過(guò)程分析（預(yù)測(cè)零件的組織和力學(xué)性能）和回彈分析（預(yù)測(cè)零件的成形精度）。在這一領(lǐng)域各廠家也分別以企業(yè)技術(shù)秘密（KNOW-HOW）的形式，實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保護(hù)和封鎖，見諸報(bào)道的都是分析的結(jié)果，而不是過(guò)程。在沖壓過(guò)程的CAE分析中，需要準(zhǔn)確的材料性能參數(shù)，如彈性模量、泊松比、高溫狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼板摩擦特性等，這些參數(shù)和冷沖壓狀況是完全不同的。

熱沖壓熱沖壓工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

熱沖壓零件的影響因素眾多，毛坯形狀、加熱溫度、爐內(nèi)保溫時(shí)間、鋼板開始沖壓的溫度、沖壓速度、保壓時(shí)間、冷卻速度等因素都會(huì)對(duì)零件熱沖壓的成形性和成形質(zhì)量產(chǎn)生直接影響 。

硼鋼板在高溫奧氏體狀態(tài)下的變形行為及其馬氏體相變研究對(duì)掌握同步淬火熱沖壓成形核心技術(shù)具有重要意義。通過(guò)硼鋼板的高溫單拉試驗(yàn)及TEM等試驗(yàn)分析其高溫變形機(jī)制，建立高溫下硼鋼板的動(dòng)態(tài)回復(fù)動(dòng)力學(xué)模型及相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系式。據(jù)此，結(jié)合金屬塑性失穩(wěn)理論對(duì)硼鋼板的熱成形極限進(jìn)行理論研究，并通過(guò)高溫成形極限試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，獲得適用于硼鋼板高溫奧氏體狀態(tài)下的成形極限理論；深入分析造成高溫下硼鋼板獨(dú)特塑性失穩(wěn)方式的影響機(jī)制。結(jié)合材料測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)，分析不同變形工藝條件（加熱工藝、變形溫度、變形量、應(yīng)變率、冷卻速率等）對(duì)硼鋼板馬氏體相變溫度、馬氏體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)、馬氏體形貌等的影響，根據(jù)馬氏體相變熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)對(duì)其進(jìn)行深入分析。對(duì)變形后的硼鋼板試件再進(jìn)行常溫單拉試驗(yàn)和硬度測(cè)定等試驗(yàn)，研究不同工藝條件對(duì)熱變形后的硼鋼板再變形能力、強(qiáng)度以及硬度等的影響。

硼鋼板在高溫奧氏體狀態(tài)下的變形行為及其馬氏體相變研究對(duì)掌握同步淬火熱沖壓成形核心技術(shù)及其機(jī)理具有重要意義。本項(xiàng)目基于硼鋼板的高溫拉伸試驗(yàn)及TEM 等試驗(yàn)分析其高溫變形機(jī)制，建立了高溫下硼鋼板的動(dòng)態(tài)回復(fù)動(dòng)力學(xué)模型及相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系式。據(jù)此，結(jié)合金屬塑性失穩(wěn)理論對(duì)硼鋼板的熱成形極限進(jìn)行理論的研究，并通過(guò)高溫成形極限試驗(yàn)，獲得適用于硼鋼板高溫奧氏體狀態(tài)下的成形極限理論；深入分析了造成高溫下硼鋼板獨(dú)特塑性失穩(wěn)方式的影響機(jī)理。結(jié)合材料測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)，研究了不同變形工藝條件（加熱工藝、變形溫度、變形量、應(yīng)變率、冷卻速率等）對(duì)硼鋼板馬氏體相變溫度、馬氏體轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)、馬氏體形貌等的影響，根據(jù)馬氏體相變熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)對(duì)其進(jìn)行了深入分析。對(duì)變形后的硼鋼板試件進(jìn)行常溫單拉試驗(yàn)和硬度測(cè)定等試驗(yàn)，研究了不同工藝條件對(duì)熱變形后的硼鋼板再變形能力、強(qiáng)度以及硬度等的影響規(guī)律性。項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外核心期刊發(fā)表署名本課題資助的論文11篇，其中SCI收錄7篇，單獨(dú)EI收錄4篇，出版“金屬板材熱輔助塑性成形理論”專著一本（計(jì)劃2014年上半年）。 另外，課題組申請(qǐng)中標(biāo)2014年國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目一項(xiàng)：《熱沖壓硼鋼板基因的選擇性表達(dá)及其在力學(xué)性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用》（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：51375346）。