CN107363142B - 复合金属板的热冲压成型控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合金属板的热冲压成型控制方法，具体地说是一种提高复合金属板的高温热冲压成型效率和精度的热冲压成型控制方法，包括如下步骤：建立复合金属板的有限元模型，并对该有限元模型进行优化使其符合要求；根据建好的复合金属板的有限元模型，修正要加工成型件的模具的有限元模型；利用符合了要求的模具有限元模型铸造出实体模具，利用实体模具对复合金属板进行热冲压。利用此方法可以提高复合金属板的热冲压成型件的一次合格率，提高此类材料的成型加工效率和精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合金属板的热冲压成型控制方法，具体的说是一种提高复合金属板的高温热冲压成型效率和精度的热冲压成型控制方法。
背景技术
化工行业中使用的大型反应容器要求其材料既要有较强的耐蚀性能，又要有较高的机械强度。一般使用的板材厚度都较大，通常在60-80mm，甚至在100mm以上，如果全部使用不锈钢作为原料来制造这些大型反应容器的话，成本非常高。因此，工业上常用异种材质的双层复合金属板(由一层不锈钢和一层碳钢复合而成)代替不锈钢来制造此类反应容器。这种复合金属板是使用一种特殊的方法把一层不锈钢和一层碳钢焊合在一起，后期的加工和成型过程中不会发生分离，始终能保持一体(复合金属板的生产方法不在本发明讨论范围内)。用此种复合金属板生产出来的反应容器不仅具有不锈钢的耐蚀效果，同时又具备很高的机械强度，且成本低廉。
但是复合金属板的冲压成型是一个难点，尤其是厚度较厚的复合金属板，必须使用热冲压方式成型，成型后冷却过程中由于热胀冷缩、相变等的影响，致使成型件发生较大变形，成型精度较低，直接影响到反应容器的后期加工。例如，反应炉容器的顶盖尺寸较大，一般直径数米(如图8所示)，一般都是先等分成若干块部件，然后分别对每一块部件成型，最后将所有成型后的部件(如图9所示)依次拼接焊接成一个大型顶盖。如果每块成型件的精度较差，在拼装焊接过程中不同成型件之间存在台阶，无法实现同种材质的金属焊接在一起，将影响耐蚀性能和强度。目前，这类厚复合金属板的热冲压一次成品率几乎为零，一般都需要在高温下(900℃左右)热冲压后，再反复在中温(400℃-500℃)下冲压矫正几次才能勉强达到设计尺寸要求，有的甚至会因为无法矫正到要求形状而报废。因此有效地提高厚复合金属板的高温热冲压成型精度显得十分重要。
以往的专利当中有介绍如何对高强度钢做热冲压的方法，但一般都是针对单一材质的钢板，且厚度较薄，通常小于10mm。没有相关专利研究过复合厚金属板的热冲压成型加工问题。在专利文献1中，提供了一种超高强度钢热冲压成型工艺及成型模具，热冲压成型工艺在超高强度钢板料热冲压成型之前，将参与冲压的模具中与超高强度钢板料接触的部件加热，使这些部件的表面温度达到超高强度钢的马氏体点温度以上，再将加热到完全奥氏体化后的超高强度钢板料放置于模具中冲压成型，热冲压模具闭合后，对模具进行冷却，利用与成型构件相接触的模具部件对成型构件进行淬火。专利文献1避免了成型件表面及内部产生裂纹、消除了构件成型回弹、保证了产品精度及质量。该方法使成型件在模腔内淬火冷却，对于较薄的构件的成型比较适合。但是对于厚度太大的构件，在上下模闭合的模腔里淬火冷却到低温的方式就不适用了。这是由于构件的厚度较厚，其成型时候的板材内外的冷却速度差异较大，导致成型件表面及内部产生裂纹，而且厚度太大的构件在冷却时的成型回弹力较大，该回弹力有可能损坏闭合的模具。
专利文献
专利文献1：CN101439382A
发明内容
本发明的成型对象是厚度比较大的金属板，一般厚度都大于60mm，而且是两层不同金属材质复合而成的复合金属板，其在成型时的板材内外的冷却速度差异较大，热胀冷缩需要释放很大的应力，很难保成型精度。
本发明的目的在于，提供一种复合金属板的热冲压成型控制方法，该方法可提高复合金属板的高温热冲压成型效率和精度。
本发明涉及的复合金属板的热冲压成型控制方法，包括以下步骤：
(1)根据现有热冲压模具，建立现有热冲压模具的有限元模型，根据由该现有热冲压模具所制造出的实际成型件的原料尺寸，建立所述复合金属板的有限元模型，划分所述复合金属板的有限元模型的网格，在所述复合金属板的有限元模型中输入预先得到的所述复合金属板的各材料的材料性能参数，利用所述现有热冲压模具的有限元模型和输入有所述材料性能参数的所述复合金属板的有限元模型，模拟所述复合金属板的热冲压成型和冷却过程，根据由所述材料性能参数得到的总应变，模拟得到冷却后的第一模拟成型件尺寸，将所述第一模拟成型件尺寸与所述实际成型件的尺寸进行对比，在误差小于或等于第一阈值的情况下，所述复合金属板的有限元模型符合要求，在所述误差超过第一阈值的情况下，对所述复合金属板的有限元模型的网格进行细化，再次进行模拟，直到所述误差小于或等于所述第一阈值；
(2)根据要加工的成型件的设计尺寸，建立新热冲压模具的有限元模型，结合符合了要求的所述复合金属板的有限元模型，模拟所述复合金属板的热冲压成型和冷却过程，模拟得到冷却后的第二模拟成型件尺寸，将所述第二模拟成型件尺寸与所述设计尺寸进行对比，在误差小于或等于第二阈值的情况下，所述新热冲压模具的有限元模型符合要求，在所述误差超过第二阈值的情况下，修改所述新热冲压模具的有限元模型，再次进行模拟，直到所述误差小于或等于所述第二阈值；
(3)利用符合了要求的所述新热冲压模具的有限元模型铸造出实体模具，利用所述实体模具对所述复合金属板进行热冲压。
根据本发明可以应对不同材质、不同厚度的金属板的成型需求，提高复合金属板的热冲压成型件的一次合格率，有效提高复合金属板的高温热冲压成型效率和精度，快速加工出符合精度要求的产品。
附图说明
图1是示出建立复合金属板的有限元模型的流程图。
图2是示出修正要加工成型件的新热冲压模具的有限元模型的流程图。
图3是示出利用实体模具进行冲压成型的流程图。
图4A是示出划分网格前的复合金属板的有限元模型的示意图，图4B是示出划分网格后的复合金属板的有限元模型的示意图。
图5是示出预设模具的示意图。
图6是示出模拟得到的第二模拟成型件尺寸与设计要求尺寸间的误差与模具修正次数的关系的图。
图7是示出冲压冷却后成型件的示意图。
图8是示出反应炉容器的顶盖的示意图。
图9是示出将顶盖等分后的部件的示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。但是，本申请的技术范围不限定于如下实施方式，还包括权利要求书所记载的发明及其等同发明。
(1)建立复合金属板的有限元模型，并对该有限元模型进行优化使其符合要求
图1是示出建立复合金属板的有限元模型的流程图。下面结合图1对建立复合金属板的有限元模型的流程进行说明。
首先，测得不同材质的材料在不同温度下的力学性能、线膨胀系数、导热系数和比热容(S11)。在本实施例中，发明人以某种总板厚为105mm的复合金属板为研究对象，该复合金属板由厚度为5mm的SUS304不锈钢和厚度为100mm的Q345R钢板复合而成。利用SHIMADZU万能拉伸试验机对SUS304和Q345R两种材料进行不同温度下的拉伸试验，测得材料的载荷位移曲线，并计算出不同温度下的流动应力曲线和对应的力学性能参数。此外，分别测得SUS304和Q345R在不同温度下的导热系数、线膨胀系数和比热容。将该预先测得的不同材质的材料在不同温度下的力学性能、线膨胀系数、导热系数和比热容作为复合金属板的各材料的材料性能参数,该材料性能参数的具体实例在如下的表1中示出。另外，该材料性能参数还可以包括材料的密度等已知的常规参数。
表1
然后，根据现有热冲压模具，建立现有热冲压模具的有限元模型(S12)，并将热冲压模具定义为刚体，即不可变形。再根据由该现有热冲压模具所制造出的实际成型件的原料尺寸，建立复合金属板的有限元模型(S12)，该复合金属板的有限元模型如图4A所示。并如图4B所示，对复合金属板的上下层金属分别划分有限元网格，并在复合金属板的有限元模型中输入预先得到的复合金属板的各材料的材料性能参数(S13)。两层不同金属材料的金属板之间接触面设置为结合状态，使复合金属板发生变形时上下层金属板一起变形，并在变形过程中不发生脱开。在图4A、图4B中，上层表示Q345R钢板，下层表示SUS304不锈钢板。
然后，利用现有热冲压模具的有限元模型和输入有材料性能参数的复合金属板的有限元模型，模拟复合金属板的热冲压成型和冷却过程(S14)。具体来说，在900℃温度下对复合金属板进行热冲压模拟，得到热冲压后的成型件，然后继续模拟成型件从高温喷水快速冷却到室温的过程，预测得到成型冷却后的尺寸。冷却过程的变形模拟需要考虑材料热胀冷缩、相变对尺寸的影响。与变形相关的总应变假设为由热应变
弹性应变
塑性应变
相变应变
和相变塑性
构成，则总应变可以由如下公式(1)计算：
其中，热应变
弹性应变
塑性应变
相变应变
和相变塑性
是通过将上述的材料性能参数输入到有限元模型中而自动计算求得的。
也就是说，根据由材料性能参数得到的总应变，模拟得到冷却后的第一模拟成型件尺寸(S14)。
接下来，为了验证建立的复合金属板的有限元模型的精度，将模拟得到的第一模拟成型件尺寸和现有模具的实际冲压成型件尺寸进行对比(S15)，在步骤S16中，若两者间误差在设定范围内(例如，设定为1％)，则认为复合金属板的有限元模型的精度符合要求。如果模拟精度不够，则对复合金属板的有限元模型进行优化，如网格尺寸大小进行合理细化(S17)，并返回到步骤S14，再次进行模拟。并重复优化、模拟、对比的过程，直到两者间误差在设定范围内。
本实施例中，对复合金属板的有限元模型进行了细化，发现板材的厚度方向的有限元网格尺寸对模拟精度影响较大，厚度方向网格越细，精度越高，但是网格过于细化又会导致模拟时间比较冗长。因此，本例中复合金属板的不锈钢层厚度方向的网格大小为其厚度的1/3,碳钢层厚度方向的网格大小为其厚度的1/7，如图4B所示。
(2)根据建好的复合金属板的有限元模型，修正要加工成型件的新热冲压模具的有限元模型
图2是示出修正要加工成型件的新热冲压模具的有限元模型的流程图。下面结合图2对修正要加工成型件的新热冲压模具的有限元模型的流程进行说明。
首先，根据要加工的成型件的设计尺寸，先预设建立一个新热冲压模具的有限元模型(S21)，新热冲压模具的有限元模型的实例在图5示出，并将模具定义为刚体，即不可变形。结合前面建立的符合了要求的复合金属板的有限元模型，在900℃温度下对复合金属板进行热冲压模拟，得到热冲压后的成型件，然后继续模拟成型件从高温喷水快速冷却到室温的过程(具体模拟过程同前面所述)，模拟得到成型冷却后的第二模拟成型件的尺寸(S22)。
然后，将模拟得到的第二模拟成型件尺寸和成型件的设计要求尺寸进行对比(S23)，在步骤S24中，若两者间误差在设定范围内(例如，设定为1％)，则说明使用该新热冲压模具进行热冲压后的成型件满足精度要求，该新热冲压模具的有限元模型符合要求。如果两者间误差超出设定范围内(例如，设定为1％)，则认为该新热冲压模具冲压出来的成型件不满足要求。则计算机自动对新热冲压模具的有限元模型的3D形状做优化修正(S25)，例如：若模拟得到的第二模拟成型件尺寸大于设计要求，则把新热冲压模具尺寸缩小相应的量，若模拟得到的第二模拟成型件尺寸小于设计要求，则把新热冲压模具尺寸放大相应的量。然后返回到步骤S22，再次执行冲压和冷却过程模拟，再次将模拟得到的第二模拟成型件尺寸和成型件的设计要求尺寸进行对比。重复修正、模拟、对比的过程，直到模拟得到的第二模拟成型件尺寸和成型件的设计要求尺寸之间的误差在设定范围内，则认为该新热冲压模具的有限元模型符合要求。本实施例中，新热冲压模具形状经4次后修正，冲压冷却后的成型件尺寸与设计要求的尺寸误差小于1％，满足要求,如图6所示。
(3)利用符合了要求的新热冲压模具的有限元模型铸造出实体模具，利用实体模具对复合金属板进行热冲压
图3是示出利用实体模具进行冲压成型的流程图。下面结合图3对利用实体模具进行冲压成型的流程进行说明。
根据前面步骤输出的新热冲压模具3D尺寸，铸造出所需的实体模具(S31)。将复合金属板在真空炉中预热到900℃(S32),并预热模具到适当温度(S33)。把模具固定到液压机上，利用吊机将复合金属板放到模具中进行热冲压，然后移除上模，喷水急冷后至室温(S34)。冲压成型冷却后的成型件如图7所示。测量成型冷却后的成型件实际尺寸，并与设计要求尺寸作对比(S35)。在步骤S36中，若成型件尺寸满足误差要求(例如，设定为1％)，则判为合格品。如果有一定误差，则将该成型件放回真空炉加热到450℃左右(S37)，然后返回到步骤S34，再进行中温冲压来矫正其形状，喷水冷却后再测量其尺寸，并与设计要求尺寸作对比，直到其误差满足要求为止。
经过实际验证，利用此方法可以让复合金属板的热冲压成型件的一次合格率(不需要进行中温冲压矫正)超过70％。大大提高了此类材料的成型加工效率和精度。只有部分成型件一次冲压后不满足要求，需要进行中温冲压矫正来修正其形状，其主要原因是复合金属板本身材料性能的波动性和喷水冷却过程中的不确定因素。
此外，可以对不同材质的金属板进行性能测试，完善材料数据库。数据库里材料的种类越全，则可以应对更多不同材质、厚度的复合金属板的热冲压加工。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种复合金属板的热冲压成型控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据现有热冲压模具，建立现有热冲压模具的有限元模型，根据由该现有热冲压模具所制造出的实际成型件的原料尺寸，建立所述复合金属板的有限元模型，划分所述复合金属板的有限元模型的网格，在所述复合金属板的有限元模型中输入预先得到的所述复合金属板的各材料的材料性能参数，利用所述现有热冲压模具的有限元模型和输入有所述材料性能参数的所述复合金属板的有限元模型，模拟所述复合金属板的热冲压成型和冷却过程，根据由所述材料性能参数得到的总应变，模拟得到冷却后的第一模拟成型件尺寸，将所述第一模拟成型件尺寸与所述实际成型件的尺寸进行对比，在误差小于或等于第一阈值的情况下，所述复合金属板的有限元模型符合要求，在所述误差超过第一阈值的情况下，对所述复合金属板的有限元模型的网格进行细化，再次进行模拟，直到所述误差小于或等于所述第一阈值；
(2)根据要加工的成型件的设计尺寸，建立新热冲压模具的有限元模型，结合符合了要求的所述复合金属板的有限元模型，模拟所述复合金属板的热冲压成型和冷却过程，模拟得到冷却后的第二模拟成型件尺寸，将所述第二模拟成型件尺寸与所述设计尺寸进行对比，在误差小于或等于第二阈值的情况下，所述新热冲压模具的有限元模型符合要求，在所述误差超过第二阈值的情况下，修改所述新热冲压模具的有限元模型，再次进行模拟，直到所述误差小于或等于所述第二阈值；
(3)利用符合了要求的所述新热冲压模具的有限元模型铸造出实体模具，利用所述实体模具对所述复合金属板进行热冲压。
2.如权利要求1所述的复合金属板的热冲压成型控制方法，其特征在于，
所述复合金属板的各材料的材料性能参数包括各层板的材料所对应的不同温度下的抗拉强度、弹性模量、导热系数、比热容以及线膨胀系数。
3.如权利要求1所述的复合金属板的热冲压成型控制方法，其特征在于，
所述总应变按如下公式计算：
其中，
为总应变；
为热应变；
为弹性应变；
为塑性应变；
为相变应变；
为相变塑形。
4.如权利要求1所述的复合金属板的热冲压成型控制方法，其特征在于，
所述第一阈值为1％。
5.如权利要求1所述的复合金属板的热冲压成型控制方法，其特征在于，
所述第二阈值为1％。
6.如权利要求1所述的复合金属板的热冲压成型控制方法，其特征在于，
所述复合金属板为包含两层不同金属材料的金属板，
在建立所述复合金属板的有限元模型时，所述两层不同金属材料的金属板之间接触面设置为结合状态。
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