異種板材成對液壓成形的材料變形行為研究

劉 偉，劉 鋼，崔曉磊，武 永

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱150001; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001)

異種板材成對液壓成形的材料變形行為研究

劉 偉1，2，劉 鋼1，2，崔曉磊2，武 永2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱150001; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001)

通過應(yīng)力分析了異種板材配對液壓成形過程板材的變形行為和相互作用，采用DC04、DP450兩種板材組成3種配對方案，通過數(shù)值模擬和實驗獲得了3組配對方案中板材的法蘭流入量、試件高度和壁厚分布.研究發(fā)現(xiàn)，強度低的板材先發(fā)生變形，并帶動強度高的板材變形，而后者阻礙前者變形，兩個板材總體上趨于協(xié)同變形，數(shù)值模擬和實驗結(jié)果證明了力學(xué)分析結(jié)論的正確性.

液壓成形;異種板材;變形行為;數(shù)值模擬;高強鋼;摩擦力

隨著高強鋼等高強度輕量化材料的逐步應(yīng)用，以及采用“以空代實”的輕量化結(jié)構(gòu)的日益需要，汽車、飛機、高速列車等運載工具對輕量化、高強度空腔結(jié)構(gòu)件的需求愈加迫切［1-3］.

板材成對液壓成形技術(shù)由德國最早提出［4-5］.如圖1所示，該工藝將兩張板坯疊放在模具里，合模并施加合模力，然后向兩板坯之間充入高壓液體，使板材在液體壓力下分別貼模，從而成形出空腔曲面零件，所成形的板坯可以是周邊預(yù)先焊接的或未焊接的.該工藝的優(yōu)點在于可以一次成形兩個不同形狀的零件或一個復(fù)雜截面形狀的空腔零件，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省模具費用，特別適合用于制造汽車車身的橫梁、A/B/C柱、懸臂、排氣系統(tǒng)和油箱等零件［6-8］.

板材成對液壓成形工藝如果采用周邊預(yù)先焊接的板坯，則可以一步得到封閉的空腔零件，但由于焊縫的約束經(jīng)常導(dǎo)致雙板相互變形的受限，很難成形復(fù)雜形狀零件，也不能充分發(fā)揮材料的性能［9-11］.相反，如果采用周邊未焊接的板坯，則可以通過變化壓邊力實現(xiàn)法蘭處板材的流動控制，從而同時提高雙板的成形性，實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的成形［12-13］.因此，在此基礎(chǔ)上，一種“液壓預(yù)成形-修邊-激光焊接-液壓整形”的工藝將焊接工序安排在預(yù)成形和整形之間，實現(xiàn)了復(fù)雜件成形焊接一體化［14］.

圖1 板材成對液壓成形工藝示意圖

在板坯未焊接情況下，當(dāng)采用不同板材配對時，由于材料性能的差異導(dǎo)致板材的流動行為不同并相互影響.然而，類似的研究鮮有報道.因此，本文采用未焊接的DC04、DP450兩種板材配對，以半球形件為研究對象，探討異種板材成對液壓成形的板材相互影響規(guī)律、流動特性和變形行為.

1 力學(xué)分析

板材成對液壓成形時，板材在液體壓力的作用下產(chǎn)生拉深和脹形變形，法蘭區(qū)域板材作為變形區(qū)向模具型腔內(nèi)流動，受力情況如圖2所示.

圖2 法蘭區(qū)的摩擦應(yīng)力示意圖

在法蘭區(qū)域，徑向應(yīng)力可以通過理想變形徑向應(yīng)力σr和摩擦作用的徑向應(yīng)力σm疊加而求得.當(dāng)液體壓力在法蘭區(qū)內(nèi)邊緣處產(chǎn)生的拉應(yīng)力σP足夠大，板料被拉入模具型腔需滿足式(1)時:

其中，根據(jù)微分平衡條件和塑性方程可以求得σr和σm:式中:β為中間主應(yīng)力影響系數(shù);σs為材料的屈服強度;μD為板材與下模的摩擦系數(shù);μB為板材與上模的摩擦系數(shù);PFL為板材法蘭區(qū)單位面積上的壓邊力;t為板材厚度;FCL為合模力.

對于異種板材成對液壓成形，兩板之間由于接觸和滑動會產(chǎn)生相互摩擦力.設(shè)兩板中強度較低的為A板，強度較高的為B板，A板在相對較低的液體壓力下就可以被拉入模具型腔，且拉入量大于B板，作用在兩塊板材上的摩擦應(yīng)力是不同的.

對于A板滿足式(1)時，有

其中

對于B板滿足式(1)時，有

其中

式(5)和式(7)中:μS為兩板之間的動摩擦系數(shù).

當(dāng)兩板未發(fā)生相對滑動前，σm，A=σm，B，由式(2)可知

因此，由式(8)可知，在相同的液體壓力作用下，由于A板強度較低，首先滿足變形條件被拉入模具型腔.隨著A板進入模具型腔，A板受到B板的摩擦力方向與A板的運動方向相反，即A板受到摩擦阻力.由式(5)可知，A板需要更大的液壓力維持繼續(xù)變形.與此對應(yīng)，B板受到A板的摩擦力方向和B板的運動方向相同，即B板受到有益摩擦力.而由式(7)可知，B板發(fā)生變形所需的力由于“有益摩擦”而有所減小.這說明:當(dāng)力學(xué)性能不同的A、B兩板成對液壓成形時，強度較低的A板首先發(fā)生變形，并帶動強度較高的B板開始變形，而B板阻礙A板繼續(xù)變形.總體變形行為可以表述為:A板和B板趨于協(xié)同變形.

2 數(shù)值模擬

采用上、下各一個半球形件構(gòu)成一個成形對，建立研究對象和數(shù)值模型，如圖3所示.其中，模具型腔的直徑為100 mm，圓角半徑為6 mm，板材直徑為170 mm.板材采用B-T殼單元離散，本構(gòu)關(guān)系采用各向異性指數(shù)強化模型(Type36)，接觸模型采用面-面接觸類型:FORMING_ONE_ WAY_SURFACE_TO_SURFACE，設(shè)定摩擦系數(shù)μ=0.08.

為了便于觀察各板材的變形行為和相互影響，采用A板(材料DC04)和B板(材料DP450)兩種力學(xué)性能差別較大的板材，性能參數(shù)如表1所示.其中，DC04板厚為1 mm，DP450板厚為1.17 mm.材料密度為 7.83 g/cm3、楊氏模量207 GPa、泊松比0.3.

圖3 有限元網(wǎng)格模型

表1 DC04和DP450板材力學(xué)性能參數(shù)

按照圖4的曲線設(shè)定階梯型加載路徑，分別對三組板材配對液壓成形過程進行數(shù)值模擬，包括二組相同板材配對和一組異種板材配對，得到圖5所示的3組板材配對組合下的法蘭流動情況.其中，A板的流入量從第1組的20.5 mm減小為第3組的13.3 mm，流入量減少35%;相反，B板的流入量從第2組的2.7 mm增加為第3組的3.3 mm，流入量增加22%，如表2所示.

圖4 液體壓力－合模力加載曲線

表2的數(shù)值模擬結(jié)果說明:異種板材成形時，兩板材之間有相對滑動摩擦力，A板材由于模具和B板的雙重摩擦阻力作用，流入量減小;B板的摩擦條件因A板給它的有益摩擦作用的存在而發(fā)生了改善，從而使得其流入量提高.

圖5 不同板材配對法蘭流動情況

表2 三組板材配對的法蘭流入距離

3 實驗研究

實驗采用2 000 kN板材液壓成形機，最大合模力為1 000 kN，整個成形過程可實現(xiàn)自動控制.實驗?zāi)＞呷鐖D6所示，實驗過程將兩張板坯置于上下模具之間，使用丁腈橡膠O型密封圈實現(xiàn)板材與模具間以及上下模具間的密封，液體充液口充入板材中間，同時通過控制合模力的大小來防止液體的泄露.

圖6 成形實驗裝置

實驗研究采用與數(shù)值模擬相同的研究方案和加載路徑以及板材尺寸，并測量成形試件法蘭流入距離和試件高度，測量結(jié)果如表3所示.比較發(fā)現(xiàn):第1組和第3組中A板的法蘭流入量由22.6 mm減少到11.5 mm，試件高度由62.1 mm減少到48.1 mm;第2組和第3組中B板的法蘭流入量由2.7 mm增加到到3.1 mm，試件高度由18.0 mm增加到21.6 mm.實驗測量的法蘭流入量變化和數(shù)值模擬比較接近，同時證明了理論分析結(jié)果的正確，表明摩擦力的作用對板材變形的影響規(guī)律.

表3 不同板材配對的成形試件法蘭流入距離和試件高度

分別沿3組成形試件的中心對稱面剖分，如圖7所示.沿半球形件中心點到法蘭邊緣取等弧長的22個測量點分別測量壁厚，以各測點為橫坐標(biāo)，壁厚為縱坐標(biāo)，繪制出的壁厚分布曲線見圖8.

圖7 3組板材配對的成形試件

圖8 成形件的壁厚分布曲線

圖8的壁厚分布表明:相對于第1組，第3組中的A板壁厚減薄較小;從而證明了B板對A板的摩擦阻力作用使A板變形量減小;而B板在第2組和第3組兩種配對條件下的壁厚變化都很小，實際測量厚度變化并不明顯.

4 結(jié)論

1)理論分析表明:異種板材成對液壓成形時，隨著液體壓力的增大，強度低的板材先發(fā)生變形，兩板材之間發(fā)生相對滑動產(chǎn)生摩擦力，強度低的板材帶動強度高的板材變形，強度高的板材阻礙強度低的板材變形，兩板材趨于協(xié)同變形.

2)通過3組板材配對的數(shù)值模擬和實驗研究，在分析法蘭流入量、成形件高度以及壁厚分布基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn):與同種板材配對相比，異種板材配對時，強度高的板材(A板)法蘭流入量從20.5 mm減小到13.3 mm，流入量減少35%，成形試件高度由62.1 mm降低到48.1 mm;強度高的板材(B板)法蘭流入量從2.7 mm增加到3.3 mm，流入量增加22%，成形試件高度由18.0 mm增加到21.6 mm.

3)數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果比較接近，驗證了理論分析結(jié)論，所發(fā)現(xiàn)的異種配對時板材的相互影響及變形行為，為不同材料、復(fù)雜形狀空腔零件成對液壓成形提供了理論依據(jù).

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Hydroforming behavior of double sheets of different materials

LIU Wei1，2，LIU Gang1，2，CUI Xiao-lei2，WU Yong2
(1.National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China; 2.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

The deformation behaviors between blanks are much different when two kinds of material sheets are hydroformed.The behaviors and interactioin effect of two blanks were analyzed by stress method.Three pairs of blanks of material DC04 and DP450 were used for the hydroforming of double hemispheres by numerical simulations and experiments.The blank flow-in，the height of forming parts and the thickness distribution were investigated and the results proved that the stress analysis was correct.The study shows that the blank with lower strength will be formed before the blank with higher strength，and the former will drive the latter to be deformed.However，the latter will restrain the deformation of the former.As a result，there is a certain synergy deformation between the two blanks.

sheet hydroforming;different sheets;deformation behavior;numerical simulation;high strength steel;friction

TG394 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)06-0092-05

2012-10-18.

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(No.50905041);載運工具與裝備教育部重點實驗室開放基金資助項目(09JD18);教育部博士點基金資助項目(20092302120079).

劉 偉(1977-)，男，博士，講師;

劉 鋼(1971-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

劉 偉，E-mail:liuw@hit.edu.cn.

(編輯 呂雪梅)