硼钢B1500HS热冲裁工艺及断裂机理研究

发布时间：2020-04-13 06:00

【摘要】：热冲裁是将高强钢板料加热至奥氏体状态后在模具内进行冲裁和淬火的综合工艺。热冲裁工艺可大幅度改善零件的成形性能及综合力学性能,因而可以用于生产各种具有综合力学性能的精密冲裁零件,如:齿板、薄齿轮、薄链轮、齿条及其他用于传动的板片类零件。这类零件一般利用精冲工艺生产,然后对具有耐磨要求的零件通过渗碳淬火或感应淬火等热处理工艺提高零件传动区域的硬度和耐磨性。热处理会引起精冲零件的形状畸变和尺寸变化,影响零件的形状和尺寸精度。热冲裁工艺替代传统的精冲+热处理工艺,能生产出具有较高硬度和强度的零件,而且可以避免零件在热处理过程中的畸变。为了获得高质量的热冲裁零件,各国学者针对高强度钢的温冲裁和热冲裁工艺进行了相应的研究。目前,有关热冲裁的研究主要是为了解决高强度钢板冲孔和切边困难的问题,有关利用热冲裁工艺生产精密冲裁件的研究成果较少,关于热冲裁过程有限元模型建立及数值模拟的研究成果也不多见。为了探索硼钢热冲裁最优工艺方案,获得最佳工艺技术参数。研究热冲裁零件微观组织及尺寸精度的变化规律和高温冲裁断裂机理及断面微观形貌,分析冲裁温度和模具间隙比对零件断面质量、尺寸形状精度、断裂角和最大冲裁力的影响。采用不同的冲裁温度(450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃)和模具间隙比(25%、20%、18%、16%、14%、12%、10%、8%),利用具有特殊设计结构的冲裁模具对B1500HS钢板进行了热冲裁试验。根据测试得到的温度曲线和硼钢持续冷却转变(CCT)曲线,分析了冲裁温度对热冲裁件组织转变和力学性能的影响;利用Zeta-20型三维形貌仪测试并分析了冲裁温度和模具间隙比对热冲裁件断面质量、尺寸精度和断裂角的影响;根据测试得到的热冲裁过程中载荷变化曲线,分析了冲裁温度和模具间隙比对最大冲裁力的影响;利用场发射Nova NanoSEM 450型高分辨扫描电镜和JXA-8230电子探针对热冲裁件断面微观形貌进行观察分析。研究结果表明:当冲裁温度一定时,零件的直径随着模具间隙比的减小而增大,模具间隙比一定时,随着冲裁温度的升高,零件的直径尺寸误差值出现“负增长—正增长—负增长”的波动趋势,零件在冲裁温度为450～500℃、650～700℃和750～800℃时的温度区间内具有较高的冲裁精度;零件的显微硬度随冲裁温度的升高而增大,在冲裁温度为650～800℃时,零件的组织为完全马氏体组织,显微硬度值约为550 HV;随着冲裁温度的升高,剪切区光亮带宽度增大,撕裂带宽度减小,断裂角减小,最大冲裁力减小;冲裁温度为450～600℃时,断裂形式主要是韧性断裂,伴随局部脆性断裂,冲裁温度为650～800℃时,断裂形式为韧性断裂,存在大量的细小等轴韧窝。在冲裁温度为750～800℃的温度区间内,可获得形状尺寸精度高、断面垂直度好、光亮带较宽、综合机械性能优良、耐磨性能好的零件。高温下剪切区力态的分布及变化是研究热冲裁机理的基础,断裂准则和断裂阀值的选择和确定是准确预测热冲裁断裂的前提。为了深入探索硼钢热冲裁断裂机理,分析热冲裁过程中剪切区的应力及应变分布与变化规律,研究静水应力、等效应力、等效应变、材料流动对裂纹产生位置的影响,确定最优的断裂准则及断裂阀值,准确地预测高温冲裁断裂结果。利用Deform V11.0建立了高温热冲裁有限元模型,通过“回归拟合—计算—预测—修正”的计算方法准确地预测了不同冲裁温度下不同断裂准则(Normalized CockroftLatham断裂准则、Brozzo断裂准则、Freudenthal断裂准则、Oyane断裂准则、RiceTraccy断裂准则)的断裂阀值。利用求得的断裂阀值对高温热冲裁过程进行模拟计算,得到了冲裁裂纹产生的位置及断口形状。模拟结果与试验结果的对比表明:基于Oyane断裂准则和Brozzo断裂准则预测的结果与试验结果较吻合;刃口处材料的静水应力达到最大值时,在凹模和凸模刃口处产生裂纹;通过“回归拟合—计算—预测—修正”方法求得的断裂阀值具有较佳的可靠性和实用性。利用板料成形极限曲线和断裂极限曲线的测试值和理论计算值能够准确的预测相应断裂准则下的断裂阀值,为断裂阀值的获得提供高效便捷途径。另外,硼钢高温成形极限值为板料热冲压成形性能评估并利用有限元技术测试冲压工艺提供了理论依据和数据参考。硼钢B1500HS在高温完全奥氏体状态下发生变形,其应变状态无论在成形极限图的左边还是右边都符合0角度缩颈,这与M-K凹槽失稳简化模型一致。另外,本构方程在很大程度上影响着成形极限图的预测精度。利用包括变形激活能和变形温度的双曲正弦形式修正的Arrhenius模型,并结合Logan-Hosford屈服准则和Von Mises屈服准则预测硼钢B1500HS热成形极限值。对不同条件下(包括不同的变形温度600～900℃,不同的平均应变速率0.1s-1～10s-1,不同的初始不均匀度f0为0.997-0.999)硼钢B1500HS的热成形极限值进行理论计算,并且硼钢B1500HS高温热成形极限图计算结果与试验测试值能够很好的吻合。理论计算结果表明,随着材料不均匀度的降低,硼钢热成形极限曲线下降,并且初始不均匀度f0=0.997时,硼钢热成形极限应变值预测精度最高;随着成形温度的升高,热成形极限曲线上升;随着平均应变速率的增大,硼钢热成形极限曲线稍微升高。
【图文】：

热冲压,硼钢,高强度,尺寸精度

别可达１５００邋ＭＰａ、ＨＶ邋４８０，而且尺寸精度高，基本没有回弹丨７＿｜（）１。部分汽车工逡逑业己经利用热冲压工艺进行实际生产具有复杂形状、尺寸精度高、综合性能好的逡逑汽车安全结构件，，如图１．１所示。逡逑Ｉ逡逑

几何形状,热冲压,成形原理

到设有冷却系统的模具内进行高温冲压成形并在模具内部进行保压淬火冷却至逡逑室温，在一定的冷却速度下，使成形件的微观组织由奥氏体转变成马氏体，最终逡逑得到的零件具有高强度、硬度、成形精度及良好综合性能〃３＿１５］，如图１．２所示。逡逑Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ逡逑Ｊ逦Ｗ邋？邋Ｂ邋丨邋Ａ邋Ｍ逡逑ｃｏｏｌｉｎｇ邋逦逡逑Ｍｒ邋Ｉ逡逑Ｆｅｒｒｉｔｅ＋Ｐｅａｒｌｉｔｅ逡逑图１．２热冲压成形原理［１５】逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｈｏｔ邋ｓｔａｍｐｉｎｇ＂５】逡逑根据热冲压的工艺过程，可分为两类：直接热冲压成形工艺和间接热冲压成逡逑形工艺。直接热冲压工艺是将硼钢板加热到奥氏体化温度，保温一定的时间，使逡逑板料完全奥氏体化，然后通过机械手等装置将加热的板材快速转移到模具中并在逡逑高温下快速成形，随后在模具内保压冷却淬火，最终得到综合力学性能良好、尺逡逑寸精度高的零件，这种方式主要用于生产制造几何形状不是非常复杂的零件，汽逡逑车车身大部分的零件都是通过直接热冲压成形。间接热冲压成形工艺，是先将板逡逑料在室温下模具内成形，使板料的几何尺寸达到零件最终尺寸的９０％？９５％。然逡逑后再将部分成形的零件加热至完全奥氏体状态
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG161

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