矩形盒基于不同板坯形狀的拉深模擬及回彈應(yīng)變分析

曾亮華 鄂大辛

(1.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院；2.北京理工大學(xué))

矩形盒基于不同板坯形狀的拉深模擬及回彈應(yīng)變分析

曾亮華1鄂大辛2

(1.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院；2.北京理工大學(xué))

利用雙相鋼DP600對(duì)矩形盒進(jìn)行矩形板坯和切角板坯的拉深模擬，指出，應(yīng)變狀態(tài)及斷裂方式隨著板坯形狀改變而改變。經(jīng)分析比較發(fā)現(xiàn)，矩形板坯在側(cè)壁上極易產(chǎn)生回彈變形，而切角板坯在側(cè)壁上基本不發(fā)生回彈，故切角板坯能獲得更大成形深度的同時(shí)還具有更好的形狀穩(wěn)定性。

矩形盒 高強(qiáng)度鋼板 模擬 回彈分析

0 前言

近些年來(lái)高強(qiáng)度鋼板隨著碰撞標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能排放標(biāo)準(zhǔn)的提高而被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。準(zhǔn)確地把握高強(qiáng)度鋼板的成形表現(xiàn)尚待進(jìn)一步研究，尤其卸載回彈，是高強(qiáng)度鋼板成形的一個(gè)典型成型缺陷且難于避免，它直接影響著成形件的精度。矩形盒作為典型的非回轉(zhuǎn)對(duì)稱件，拉深時(shí)其曲邊法蘭對(duì)角線上的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)與汽車覆蓋件有諸多相似之處[1]。因此，在尚未把握高強(qiáng)度鋼板對(duì)汽車覆蓋件的成形表現(xiàn)規(guī)律之前，先采用有限元模擬方法在不同板坯形狀 (矩形板坯和切角板坯)下對(duì)雙相鋼DP600進(jìn)行矩形盒的拉深模擬。主要研究?jī)煞N板坯斷裂點(diǎn)的應(yīng)變履歷、曲邊法蘭對(duì)角線上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變規(guī)律的異同，并初步探討回彈前后特征區(qū)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變變化，為生產(chǎn)實(shí)踐提供一定參考。

1 有限元建模及模擬用材料

利用 so lidwo rks軟件建立凸、凹模及壓料板的三維模型：凸模 72mm×36mm×20mm，轉(zhuǎn)角半徑rc=3mm，凸、凹模肩圓角半徑 rp=rd=1.5 mm，模具間隙δ=0.3 mm，矩形板坯尺寸為108mm×72mm×0.2 mm，切角 C值從0mm～36mm。拉深條件：采用倒裝模具結(jié)構(gòu)，凹模下行工作，壓邊力 FH=10 kN，摩擦系數(shù)為0.125。DP600的主要性能參數(shù)為：σs=325mPa，σb=654mPa，K=1003mPa，r=0.9，n=0.24，延伸率為25.1％。簡(jiǎn)化后的切角板坯模型如圖1所示。

圖1 切角板坯有限元模型

2 拉深成形分析

2.1 成形極限對(duì)比分析

矩形板坯角端由于具有幾乎不變形的“變形死區(qū)”[2]，拉深成形過(guò)程中材料流動(dòng)受到四個(gè)曲邊法蘭角端的影響，成形深度較小。切角后曲邊法蘭的徑向和周向流動(dòng)阻力得到緩解，有利于板坯成形。圖2中列出的成形極限 (FLD)圖顯示：矩形板坯拉深至6.731mm時(shí)在凸模肩處產(chǎn)生斷裂，短直邊法蘭由于面積較小使得單位面積上受到的壓邊力較大，故其起皺比長(zhǎng)直邊法蘭?。煌ㄟ^(guò)模擬發(fā)現(xiàn)最佳切角值 C=24mm時(shí)成形深度最大為9.048mm，比矩形板坯增大了34.4％。同時(shí)在凹?？谔幃a(chǎn)生斷裂，且曲邊法蘭由于切除了一部分變形死區(qū)材料而未出現(xiàn)嚴(yán)重起皺現(xiàn)象。模擬中發(fā)現(xiàn)：若切角值 C繼續(xù)增大時(shí)，會(huì)因直臂部分材料補(bǔ)給不足而會(huì)提前產(chǎn)生斷裂，致使成形深度減小。從 FLC上看，切角板坯斷裂時(shí)更多的節(jié)點(diǎn)位于拉 -壓變形區(qū)，節(jié)點(diǎn)受到更大的周向壓縮作用。

圖2 成形極限圖

2.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)變分析

由 FLD圖(圖2)可知，兩種板坯斷裂點(diǎn)產(chǎn)生位置不同表明其斷裂形式亦不同。斷裂點(diǎn)的應(yīng)變履歷對(duì)比圖3顯示，矩形板坯受到兩向不等拉伸作用，且εr＞ε θ＞0，并隨拉深行程逐漸增大；切角板坯的εr＞0、ε θ＜0，拉深過(guò)程中一直保持εr≤|ε θ|。在 h＜6mm時(shí)，εr Q＜εrJ。根據(jù)塑性變形體積不變?cè)瓌t知矩形板坯最終因板坯減薄嚴(yán)重而先產(chǎn)生斷裂，根據(jù)應(yīng)變Lode參數(shù)切角板坯因εt≈0而傾向于剪切斷裂。

圖3 斷裂點(diǎn)的應(yīng)變履歷對(duì)比圖

曲邊法蘭對(duì)角線是矩形盒拉深變形的特征區(qū)，其上的材料流動(dòng)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系比較復(fù)雜[3]，板坯形狀改變，曲邊法蘭應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也將發(fā)生變化。為研究?jī)煞N板坯斷裂時(shí)曲邊法蘭對(duì)角線上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變情況，在Dynaform中直接按圖4選取曲邊法蘭角對(duì)角線上的單元節(jié)點(diǎn)，將其對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的徑向和周向應(yīng)變值以成形極限曲線形式畫(huà)出 (周向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，徑向應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo))，如圖5所示。

圖4 曲邊法蘭對(duì)角線上的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格圖

圖5 曲邊法蘭對(duì)角線上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)變對(duì)比圖

由圖5可以看出，兩種板坯從凹?？诘酵鼓＜绲拇蠖鄶?shù)節(jié)點(diǎn)都處于拉—壓變形區(qū)，在側(cè)壁某節(jié)點(diǎn)處開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槭艿嚼?-拉變形作用。矩形板坯從凹?？诘絺?cè)壁某處 (節(jié)點(diǎn)5)達(dá)到徑向拉應(yīng)變的最大值、周向壓應(yīng)變的最小值，凸模肩(節(jié)點(diǎn) 8)處達(dá)到徑向和周向兩向拉應(yīng)變最大值，在靠近盒底 (節(jié)點(diǎn)9和10)處兩向不等拉伸作用有所減弱。切角后凹?？?(節(jié)點(diǎn)1)處的應(yīng)變絕對(duì)值增大，在斷裂點(diǎn) (節(jié)點(diǎn)4)處達(dá)到εr和 |ε θ|的最大值，隨后的節(jié)點(diǎn)εr依次減小，|ε θ|亦減小并在凸模肩附近ε θ變?yōu)槔瓚?yīng)變。盒底材料由于變形小，兩種板坯靠近盒底(節(jié)點(diǎn)10)處的應(yīng)變值相仿。在凸模肩 (節(jié)點(diǎn) 8)處，矩形板坯受到的兩向不等拉伸作用明顯大于切角板坯，故矩形板坯在此產(chǎn)生斷裂。

3 回彈應(yīng)變對(duì)比分析

將兩種板坯模擬后的 dynain文件導(dǎo)入到 Dynaform中，設(shè)置與成形模擬相同的參數(shù)進(jìn)行回彈模擬。并按圖4(a)、(b)取出回彈后節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值，探討曲邊法蘭對(duì)角線上節(jié)點(diǎn)應(yīng)變回彈前后的變化情況，如圖6所示。圖6(a)顯示，矩形板坯凹?？谔?節(jié)點(diǎn)1～4)受到材料周向壓縮作用較大，回彈后εr和ε θ明顯減小且減小量隨節(jié)點(diǎn)逐漸增大；形成側(cè)壁后由于幾乎只受到徑向拉伸作用，轉(zhuǎn)角側(cè)壁上(節(jié)點(diǎn)5～8)，回彈后的εr亦減小明顯而ε θ基本不變。凸模肩靠近盒底處 (節(jié)點(diǎn)9和10)的應(yīng)變值與回彈前相仿。矩形板坯拉深得到的矩形盒周向是個(gè)完全封閉的連續(xù)體，故卸載后

book=25,ebook=154疏松及非金屬夾雜物等。為此，制訂了以下工藝措施來(lái)加以改善。

利用系數(shù)達(dá)到2.24 t/(m3·d)。

4 結(jié)語(yǔ)

安鋼兩座2000 m3級(jí)高爐雖然煤比已經(jīng)穩(wěn)定在130 kg/t左右，但距離設(shè)計(jì)煤比200 kg/t和國(guó)內(nèi)外噴煤先進(jìn)技術(shù)指標(biāo)還有很大差距，還有很大的提升空間，需要在以下四個(gè)方面加大努力。

1)精料是高爐提高煤比、降低焦比的基礎(chǔ)。在富氧噴煤條件下，一定要保證原燃料質(zhì)量尤其是強(qiáng)度和粒度。

2)加強(qiáng)高爐標(biāo)準(zhǔn)化操作，保證高爐長(zhǎng)期穩(wěn)定順行。采用上下部調(diào)劑與中部調(diào)劑相結(jié)合，保持煤氣流的合理分布；在日常生產(chǎn)中加強(qiáng)冷卻壁的檢查與維護(hù)等措施，為高爐的正常穩(wěn)定生產(chǎn)和大煤量噴吹打下良好基礎(chǔ)。

3)高爐實(shí)行合理的強(qiáng)化冶煉，要充分利用高頂壓、合理富氧、高風(fēng)溫等技術(shù)措施，有利于提高煤粉置換比，提高噴煤比。

4)要保證噴吹用煤能保質(zhì)保量穩(wěn)定的供應(yīng)，盡量不改變合理的無(wú)煙煤煙煤配比，有利于提高煤比和保證高爐穩(wěn)定順行。

[1]劉國(guó)穎，何寶，趙麗.提高高爐噴煤比的經(jīng)濟(jì)效益及措施分析.冶金經(jīng)濟(jì)與管理，2009(4)：26-27.

[2]陳秀清，馬政峰，白興利，等.安鋼2200 m3高爐噴煤生產(chǎn)實(shí)踐.河南冶金，2008，16(2)：34-36.

[3]郭可中，李肇毅.推進(jìn)精料技術(shù) 大力提高高爐噴煤.鋼鐵，2001，36(12)：6-10.

[4]張新紅，吳鏗.新臨鋼5號(hào)高爐提高噴煤比操作實(shí)踐.山西冶金，2006，29(3)：39-41.

[5]K.Yamaguchi，H.Ueno，K.Tamura.M aximum Injection Rate of Pu lverized through Tuyeres w ith Consideration of Coal into B last Furnace Unburnt Char.ISIJ Int，1992，32(6)：716-724.

[6]徐萬(wàn)仁，吳鏗，張龍來(lái)，等.高爐大噴煤時(shí)煤粉利用率的研究.鋼鐵，2006，41(4)：10-14.

[7]Eduardo O sório，M aria de Lourdes Ilha Gomes，Antnio C.F. V ilela et al.Evaluation of petro logy and reac tivity of coal b lends for use in pulverized coal injection(PC I).International Journal of Coal Geo logy，2006，68(1)：14-29.

[8]丁汝才，吳鏗，尹曉瑩，等.首秦1號(hào)高爐降低燃料比和提高噴煤比的工業(yè)實(shí)踐.鋼鐵，2009，44(3)：18-23.

1)控制硫含量，包括鐵水預(yù)處理、優(yōu)化廢鋼資源等，優(yōu)化與完善脫硫后鋼水的鈣處理工藝，控制好M nS夾雜在鋼水中的形態(tài)，避免Ⅱ類(長(zhǎng)條狀)M nS出現(xiàn)；適當(dāng)增加LF處理后軟吹時(shí)間，促進(jìn)各類夾雜物的上浮與排除。凡是30mm以上的探傷板都進(jìn)行 LF (VD)處理，精煉處理后鋼水w(S)小于0.006％[3]。

2)扇形段離線整備時(shí)要求內(nèi)外弧對(duì)弧偏差控制在 ±0.15mm，1～6段開(kāi)口度控制在 ±0.3 mm，7～12段輥縫值偏差控制在 ±0.5 mm。

3)鑄坯實(shí)行冷送模式，有利于氫等元素的擴(kuò)散，減少氣體含量。保證鑄坯加熱時(shí)間和加熱品質(zhì)，以促進(jìn)鑄坯偏析元素的擴(kuò)散，減輕偏析。適當(dāng)降低預(yù)熱段溫度，避免鑄坯在加熱過(guò)程中產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。

4)采用高溫大壓下軋制方式，增強(qiáng)變形滲透，破碎鑄坯原有的內(nèi)部組織中粗大的柱狀晶或枝晶，改變或減輕偏析和疏松，充分壓合顯微氣孔。

5)軋后堆垛緩冷，減輕鋼板斷面帶狀組織，降低鑄坯中心偏析級(jí)別。

逐步采取上述措施后，鋼板超聲波探傷批次性不合的問(wèn)題得到了解決，探傷合格率明顯提高，由以前的 80％提高到了目前的95％以上。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)海洋工程用鋼板的檢測(cè)表明：由于中心偏析，使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生了微裂紋缺陷，從而導(dǎo)致了超聲波探傷不合格。通過(guò)在煉鋼、連鑄、加熱、軋制等工序采取一系列措施，可以明顯改善該缺陷。

1)鋼板中引起超聲波探傷不合格的內(nèi)部缺陷是鋼板厚度中心珠光體帶狀組織中的微裂紋，連鑄板坯的中心線偏析被保留到鋼板組織中是鋼板中微裂紋形成的內(nèi)部條件；

2)鑄坯冷送有利于氫元素?cái)U(kuò)散，減輕偏析，可明顯提高探傷合格率；

3)高溫大壓下軋制可以改變或減輕偏析和疏松；

4)軋制后對(duì)鋼板進(jìn)行堆垛緩冷，有利于減輕鋼板斷面帶狀組織，降低鑄坯中心偏析級(jí)別，提高探傷合格率。

5 參考文獻(xiàn)

[1]安守勇，趙展鵬，郭弘.60kg級(jí)高強(qiáng)度鋼板探傷不合的原因分析及改進(jìn)措施.寬厚板，2009，15(1)：5-6.

[2]崔風(fēng)平，趙乾，唐愈等.鑄坯內(nèi)部缺陷對(duì)鋼板分層形成的影響.中國(guó)冶金，2008(2)：17-18.

[3]胡根榮.提高厚規(guī)格鋼板探傷合格率的研究.江西冶金，2008，28(4)：19-20.

DEEP DRAW ING SIM ULAT ION AND SPR ING BACK STRA IN ANALYSIS O F RECTANGULAR CASE BASE ON D IFFERENT BLANK SHAPE

Zeng L ianghua1E Daxin2(1.Zhuhai Co llege of Beijing Institute of Techno logy；2.Beijing Institute of Techno logy)

By d raw ingSim u lation of rectangu lar case w ith rectangu lar b lank and sheared b lank to dual phase steel DP600，this paper points out that the strain state and fracture mode changesw ith the b lank shape.By comparison it is also found that the rectangu lar b lank is ap t to rebound on the side wall while the sheared b lank basically does not.Thus the sheared blank can get greater fo rming dep th and better shape stability.

rectangu lar case high strength steel simu lation sp ring back analysis

＊聯(lián)系人：曾亮華，碩士，助教，廣東.珠海(519085)，北京理工大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)械與車輛學(xué)院；

2010—5—24