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原文传递高强钢热成形接触导热和零件力学性能及工艺优化研究

论文题名：	高强钢热成形接触导热和零件力学性能及工艺优化研究
关键词：	汽车工业;零件结构;高强钢;热成形技术;力学性能;工艺优化
摘要：	为提高汽车安全性，降低尾气排放对环境的污染，高强度钢热成形越来越多应用在汽车结构件制造中。热成形是一个多物理场耦合作用的过程，热成形中传热相关问题是影响零件力学性能的关键因素，本文利用WISCO-HUST联合实验室开发的热成形实验生产线，研究了高强度钢热成形中接触热阻的测定及计算方法；分析了高强度钢热成形非均匀冷却对零件质量产生的影响，并提出了零件均匀化冷却的方案；然后利用相变动力学模型，阐述了冲压成形后零件力学性能预测方法，提出了通过优化成形工艺参数实现零件各区域力学性能定制的方法；最后，针对某汽车B加强板柱，利用有限元数值模拟技术对零件热成形过程进行了研究，分析成形中冷却不均及零件力学性能分布不均的原因，并提出了优化解决方法。研究结果如下：　　板料与模具之间的接触热阻（Thermal Contact Resistance, TCR）是热冲压成形工艺中影响传热的关键热物性参数。通过实验获得的板料及平模内部测量点温度变化曲线，利用顺序函数法求解热成形平模实验热传导反问题，计算了平模与板料接触表面热流密度及模具表面温度变化曲线，进而计算出接触热阻随时间变化曲线。结果表明，压强越高，通过界面的热流密度越快，且峰值越大；压强越小，通过界面的热流密度越平缓；接触热阻随温度下降而下降，并在马氏体相变开始温度附近出现奇点，且压强越大，奇点幅度越小。在同一压强下，接触热阻随时间减小，最后达到稳定值，且稳定值随着压强增加而降低。根据能量守能定律，利用计算所得接触界面热流密度，计算出硼钢WH1300HF在马氏体相变中所释放出的相变潜热，利用相变潜热随时间变化曲线计算出马氏体相变分数随温度变化曲线，进而并标定Koistien-Marburger马氏体相变模型参数。　　热冲压成形中，非均匀冷却会使零件力学性能分布不均匀，甚至会产生局部应力集中，而在淬火保压过程中出现开裂和裂纹等缺陷。本文分析了某汽车前保险杠热成形过程，由于零件与板料之间存在间隙及其接触压强不均，导致零件非均匀冷却而出现开裂；对比分析了零件均匀冷却和非均匀冷却条件下零件温度场分布及边界热流密度分布，提出了利用模具分块的方法改善模具与板料之间的接触的方法。　　选择性冷却技术可以获得具有梯度化力学性能的零件，准确预测零件力学性能可以为热成形生产工艺制定提供可靠依据。本文依据热成形过程中组织转变的特点，完善 Li相变模型，结合零件冷却路径计算各相分数，进而预测零件最终力学性能。通过平模实验，修正计算模型中的关键参数，提出了通过优化成形工艺参数（保压时间，保压压力和保压温度）实现零件各区域力学性能定制。　　热成形在高温完成零件成形导致模具磨损率较高，研究高温下的板料与模具的摩擦磨损机理，能为改善接触条件，减少模具磨损率提供理论依据。本文通过自主研发的高温摩擦磨损试验机，利用平模实验研究了高强度钢板的摩擦磨损机制，分析了模具温度对板料和模具之间摩擦系数的影响，发现摩擦系数随模具温度降低而减小，摩擦系数随温度的变化主因是由于冷却过程中导致的相变造成的。当模具温度在马氏体相变温度以下时，实验中板料的主要微观组织结构为具有较高强度硬度的马氏体，板料与模具之间的摩擦磨损机制主要磨损机制为磨粒磨损，摩擦系数处于较低值。随着模具温度升高，板料中珠光体和铁素体含量增加，其强度硬度降低，此时的板料与模具之间的摩擦磨损机制主要为粘滞磨损，平均摩擦系数逐步增大，造成这种差别的主要原因是由于不同的模具温度导致板料具有不同的微观组织，从而具有不同的强度硬度值及塑性条件，而材料塑性越高，粘着磨损的倾向越大。　　由于原始B柱为盒型零件，采用热成形工艺易起皱，难以成形。利用自主设计并开发的高强度钢热成形实验生产线，采用近净坯料优化热成形对B柱零件局部优化，使零件用热成形工艺顺利成形。对B柱零件成形后淬火保压温度场进行分析。零件各部位冷却速率不均匀。成形结束时，零件圆角部位较其他部位温度略低，但随着保压时间增长，圆角部位的温度较其他部位高。利用B柱取样位置的温度计算曲线预测零件硬度及抗拉强度，基本与实验结果吻合。针对另一个 B柱零件在实验中出现的起皱问题，利用局部优先成形方法，使易起皱部位先成形而后再整体成形，解决了起皱问题。
作者：	王超
专业：	材料加工工程
导师：	张宜生
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文