一种热冲压工艺制定方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种热冲压工艺制定方法。

背景技术：

热冲压工艺是指在高温环境下，进行冲压变形，然后迅速冷却的冲压工艺，主要用于生产汽车车声所需的高强度零件，与原有的冷冲压相比，热冲压成型工艺具有变形抗力小，板材不易开裂，冲压精度高，冲压变形后回弹量小等优点。冲压温度和变形速率是热冲压成型工艺的两个最关键的工艺参数。如果工艺参数选取得不合理，板料易发生冲压开裂，所以这两个工艺参数对于热冲压变形，具有至关重要的意义。

目前，制定热冲压工艺的方法主要有以下两种：

方法一，钢板完全奥氏体化的最低温度；对于钢板的热冲压，冲压变形温度即为冲压用钢的完全奥氏体化的最低温度。这种方法确定的变形温度，仅仅是冲压变形抗力最小的温度，并非钢板具有最大变形能力的温度。这种方法的应用范围也很狭窄，仅适用于钢铁材料。

方法二，数值模拟方法；对不同的冲压温度和冲压速度，进行组合，测量冲压材料在各种组合条件下的应力应变曲线，以及多个温度下的高温成型极限曲线。然后，在各种变形条件下，使用有限元软件进行冲压变形过程的数值模拟，并将模拟的主应变场计算结果，与高温成型极限曲线进行对比，以确定合理的热冲压工艺参数。这种方法能够发挥出材料的最大变形能力，但是，由于冲压温度和冲压速度的选取范围极大，所以组合条件很多，工作量巨大。如果是复杂形状的零件，计算量也相当巨大，会消耗大量的计算资源和很长计算时间。此外，由于能够测量高温成型极限曲线的设备数量少，所以测试费用较高，测试周期较长。

上述两种方法具有其局限性，方法一不能发挥材料自身的最大变形能力，且仅适用用于钢铁材料。方法二的工作量巨大，耗资耗时。所以，这两种方法均无法快速廉价地确定材料的最佳热成型工艺。

技术实现要素：

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供一种基于加工硬化指数n值和有限元模拟的热冲压工艺制定方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种热冲压工艺制定方法，包括如下步骤：

第1步，利用三维建模软件，建立热冲压成品零件的几何模型，并将该几何模型输入到有限元模拟软件中；

第2步，在有限元模拟软件中选用方程(1)形式的材料本构方程；

σ＝k·εⁿ(1)

式中：所述σ为等效应力，所述ε为等效塑性应变，所述n为加工硬化指数；所述k值为在合理的范围内选取的任意数；k值对本方法的最终判定结果的无影响；

在合理的数值范围内选取数个n值，然后在每一个n值条件下，均进行一次冲压数值模拟，记录每次模拟结果中的等效塑性应变ε的最大值εp；

第3步，将n值作为纵坐标，与之对应的等效塑性应变最大值εp作为横坐标，在二维平面坐标系中画出这些点，并使用方程(2)对这些点进行数值拟合，得到一条曲线，作为判据曲线；

第4步，在合理的范围内选取变形温度和变形速率，使用热模拟试验机进行热模拟拉伸试验，删除每条拉伸应力应变曲线的弹性部分和颈缩后部分，再对剩余曲线进行拟合滤波处理，最后针对每条曲线，使用方程(3)计算材料在各种变形条件下的n-ε曲线；

第5步，将第3步得到的判据曲线，和第4步获得的n-ε曲线，在同一坐标系下进行对比，如果n-ε曲线能够穿过判据曲线，出现在判据曲线右侧，则说明该曲线对应的变形条件能够保证冲压不开裂，如果n-ε曲线不能穿过判据曲线，则说明会发生冲压开裂现象。

进一步地，所述步骤2中n值的个数为4～6个。

进一步地，所述步骤5中，n-ε曲线在坐标系中的位置越高，相应的变形条件的冲压安全裕度就越高。

本发明所述的热冲压工艺制定方法中仅使用gleeble热模拟试验机和较少的计算资源，无需测定高温成型极限曲线，即可准确测定金属材料的最佳热冲压成型工艺参数,最佳温度和最佳变形速率。与传统方法相比，本发明所述的方法适用于所有金属材料，具有试验周期短、试验经费少和试验设备普及率高等优点。

附图说明

图1本发明的理论依据示意图；

图2本发明实施例中冲压件3/4几何模型图；

图3本发明实施例中判据曲线和不同条件下的n-ε曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述方法的理论依据如下：

加工硬化指数n值能够反映板料抵抗局部减薄的能力，n值越大，就意味着，在冲压变形过程中，板料抵抗局部减薄的能力就越强。

举例说明，如果本发明的第3步完成后，拟合得到的判据曲线如图1所示，曲线上的任意一点a，其物理意义是：如果材料的的n值恒为0.2，那么在不发生局部减薄的情况下，冲压完成后(a点)，材料承受的塑性变形为0.19(a点横坐标)。

金属材料的n值会随着塑性应变的增大而逐渐减小，如图1中材料n-ε曲线所示。这就意味着，材料在a点之前的n值均大于0.2，拥有这种力学性能的材料，其抵抗局部减薄能力强于ba曲线，所以在冲压结束后，材料内部产生的最大塑性变形量必然会小于0.19。

与此同时，n-ε曲线能够延伸至判据曲线的右侧，即可认定，该材料不会在a点之前断裂，材料能够承受的塑性变形量大于0.19。

因此，只要材料的n-ε曲线能够延伸至判据曲线的右侧，即可认定，该材料能够承受的塑性变形量大于所需的塑性变形量，冲压过程不会产生开裂；相反，如果材料的n-ε曲线没能延伸至判据曲线的右侧，即可判定，冲压过程会发生开裂。

实施例

本发明提供一种热冲压工艺制定方法，包括如下步骤：

第1步，利用三维建模软件，如ug和catia等，建立冲压件的几何模型(图2)，并将该几何模型输入到有限元模拟软件中；

第2步，在有限元模拟软件中选用方程(1)形式的材料本构方程,选取4个间隔适当的n值，依次进行冲压过程数值模拟，本例选取0.10、0.15、0.20和0.30，依次进行4次模拟，冲压完成后，等效塑性应变场计算结果如表1所示；

σ＝k·εⁿ(1)

表1等效应变场计算结果

第3步，以n值作为纵坐标，计算结果中的等效塑性应变最大值作为横坐标，依次绘制4个点，并使用方程(2)将这4个点拟合成一条曲线，作为判据曲线，判据曲线如图3所示。

第4步，在合理的范围内选取变形温度和变形速率，使用热模拟试验机gleeble进行热模拟拉伸试验，删除每条拉伸应力应变曲线的弹性部分和颈缩后部分，再对剩余曲线进行拟合滤波处理，最后针对每条曲线，使用方程(3)计算材料在各种变形条件下的n-ε曲线；

第5步，将第3步获得的判据曲线和第4步获得的n-ε曲线叠加，在同一坐标系下进行对比，如图3所示：

判断结果表明：

在工艺条件(温度1000℃，变形速率8s^-1)下，其对应曲线因为延伸率不足，该工艺条件无法完成冲压；

在工艺条件(温度1000℃，变形速率0.25s^-1)、(温度600℃，变形速率8s^-1)、(温度700℃，变形速率8s^-1)下，虽然材料的延伸率很大，但是由于n值过低，上述工艺条件也无法完成冲压；

在工艺条件(温度800℃，变形速率8s^-1)、(温度900℃，变形速率8s^-1)下，能够顺利完成冲压，不产生开裂；工艺条件(温度800℃，变形速率8s^-1)的曲线在工艺条件(温度900℃，变形速率8s^-1)的曲线上方，n值更大，所以其工艺条件更优，是最佳工艺参数。

本发明所述的方法，计算和试验过程中的采用的基础量纲需保持一致。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。