前立柱加强件热成形机理及工艺研究

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超高强度钢板在汽车车身上的应用,不仅是实现汽车工业的轻量化的重要途径,而且还能显著提高汽车碰撞强度与安全性能。然而,采用传统冲压的方式超高强度钢板成形性能差,极易产生开裂、起皱等缺陷,并且由于回弹导致的零件尺寸精度差以及模具磨损严重等缺点,致使无法满足超高强度钢板的加工工艺要求。超高强度硼钢热冲压成形技术就是在这种背景下发展起来的。热冲压成形技术是集冲压成形、传热以及组织相变为一体的新工艺,能够克服超高强度钢板在传统冷成形方式下的缺陷。此成形工艺过程原理是将可淬火硼钢经带有保护性气氛的加热炉加热至奥氏体化温度,并保温一段时间使其充分奥氏体化,快速放置带有冷却系统的模具中冲压成形,保压定形并淬火,喷丸去氧化皮,激光切割涂油防锈处理,得到达到1200Mpa及以上强度的零部件。与传统冲压成形工艺相比,热冲压成形工艺具有回弹小,成形件强度高特点,能大大提高汽车零部件的精度与使用质量。   本课题研究选用BR1500HS超高强度钢为实验材料,对材料的高温塑性流变行为及淬火工艺进行研究分析,从而为某种轿车前立柱加强件提供针对性的理论支撑,进而为实际生产做进一步指导。   首先对材料进行高温状态的热拉伸试验,得到温度为600℃、700℃、800℃,以及应变速率为1 s-1、0.1 s-1和0.01 s-1条件下的BR1500HS超高前度钢板真实应力—应变曲线。通过分析(在变形温度一定时,应力水平随应变速率的升高而升高;在应变速率一定时,应力水平随变形温度的升高而降低)曲线,识别了材料的高温流变应力与变形温度、应变速率以及应变之间的关系:当应变速率一定时,应力水平随变形温度的升高而降低,当变形温度一定时,应力水平随应变速率的升高而升高,但变形温度对流变应力的影响高于应变速率影响;材料在变形温度为700℃以上时发生动态回复,部分抵消了加工硬化效应,使材料高温真应力—应变曲线斜率降低,后段趋于平稳。   通过高温拉伸实验的结果,建立了基于Norton-Hoff模型的高温流变应力本构模型。使用该理论模型绘制的曲线与9组实验所得真实应力—应变曲线的相比,除873 K(600℃),应变速率为0.1和0.01 s-1条件下的两条曲线差异较为明显之外,其余实验条件下的计算结果与实验结果基本吻合,从而进一步说明所建立的材料模型能够比较真实的描述BR1500HS超高强度钢的高温过程流变行为。   为了能够实际取得成形过程中BR1500HS的基本工艺参数,本文对BR1500HS超高强度钢进行二因子四水平的正交淬火实验,试验结束后通过力学性测试及金相组织分析,对试验工艺进行最优化分析。结果表明BR1500HS奥氏体温度略高于850℃,而要想获得均匀化的奥氏体组织必须加热到850℃以上并经过一定时间的保温。随着温度的升高以及加热保温时间的延长,将会促进晶粒的进一步长大进而导致材料基本力学性能的降低。通过对不同热处理工艺后的材料力学性能进行比较以及金相组织的观察,结果表明BR1500HS超高强度钢板最佳淬火工艺为:900~950℃条件下4~8 min的保温时间。   最后,设计开发了轿车前立柱的加强件热成型模具及工装,将实验所得最佳淬火工艺应用于该件的实际生产工艺之中。通过对成形后的工件进行了综合力学性能检测以及金相组织分析,结果表明,工件材料的强度、硬度等力学性能均达到了产品的质量要求,零件采取的试制工艺方案和具体工艺参数是合理且适用的。
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