TRIP600高強(qiáng)度鋼板成形U型件回彈控制研究

趙仕宇

(寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建 福安 355000)

TRIP600高強(qiáng)度鋼板成形U型件回彈控制研究

趙仕宇

(寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建 福安 355000)

針對(duì)高強(qiáng)度鋼板沖壓成形過(guò)程中普遍存在的精度問(wèn)題，以U型件為研究對(duì)象，在分析TRIP600高強(qiáng)度鋼板材料性能的基礎(chǔ)上，分別研究了U型件成形時(shí)壓邊力和拉深筋的工作圓角半徑對(duì)回彈的影響。結(jié)果表明，TRIP600高強(qiáng)度鋼板在成形U型件時(shí)，回彈隨著壓邊力的增加而發(fā)生有限減?。焕罱罟ぷ鲌A角半徑越大，回彈值越大。

高強(qiáng)度鋼板；沖壓成形；回彈；拉深筋

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車(chē)進(jìn)入了千家萬(wàn)戶(hù)，由汽車(chē)帶來(lái)的能源消耗、安全性等問(wèn)題，已成為了亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。高強(qiáng)度鋼板具有較高的比強(qiáng)度，能有效地兼顧減輕車(chē)身重量，降低燃料消耗以及提高汽車(chē)安全性能等多方面的要求，因此受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，也對(duì)其展開(kāi)了深入研究[1～3]。高強(qiáng)度鋼板分為傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼板（HSS）和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）。目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼板的品種和質(zhì)量與國(guó)外差距不大[4]。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板中雙相（DP）鋼板、相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼板由于具有優(yōu)良的綜合特性，成為了目前研究關(guān)注的熱點(diǎn)。相比DP鋼板，TRIP鋼板開(kāi)發(fā)時(shí)間較短，在研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等方面明顯落后，但TRIP鋼板具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，良好的塑性和成形性能，是為滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)對(duì)高強(qiáng)度、高塑性新型鋼板需求而開(kāi)發(fā)的鋼材新品種[5～6]，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

汽車(chē)零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，變形不易控制，特別是成形過(guò)程中由回彈引起的成形精度問(wèn)題極為突出。目前的理論研究與實(shí)踐中，還難以對(duì)回彈進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，如何有效地控制高強(qiáng)度鋼板的回彈是業(yè)界關(guān)注的問(wèn)題。本文在分析TRIP高強(qiáng)度鋼板成形特性的基礎(chǔ)上，以類(lèi)U型件為研究對(duì)象，研究成形過(guò)程中壓邊力、拉深筋對(duì)回彈的影響。

1 TRIP600鋼板性能及模擬模型建立

1.1 TRIP鋼板性能

TRIP高強(qiáng)度鋼板多用于需高強(qiáng)度、高抗碰撞吸收能且成形要求較為嚴(yán)格的汽車(chē)零件，其微觀組織主要由鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體三相組織組成（圖1所示），其中殘余奧體的含量在5%～15%，強(qiáng)度范圍是600MPa～800MPa[1]。TRIP鋼中殘存奧氏體應(yīng)變誘發(fā)使TRIP鋼中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而具有高的延伸率，同時(shí)相變引起的體積膨脹伴隨著局部加工硬化指數(shù)增加，使得變形很難集中在局部區(qū)域?？傊?，TRIP鋼板具有高強(qiáng)度、高塑性的同時(shí)還具備極佳的抗疲勞性能[7]；具有優(yōu)良的拉深翻邊性能和彎曲性能[8]；具有良好的成形性和焊接性[9]。本文研究所采用的材料為寶鋼生產(chǎn)的TRIP600鋼板，厚度1.2mm，其成形極限圖如圖2所示，材料的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 TRIP鋼微觀組織

圖2 TRIP600成形限圖

表1 TRIP600高強(qiáng)度鋼板材料參數(shù)[3]

1.2 U型件有限元模型的建立

在Dynaform板料成形有限元數(shù)值模擬軟件中建立模型，U型件截面幾何尺寸如圖3（a）所示，零件數(shù)值模擬模型如圖3（b）所示，坯料尺寸為240mm×70mm×1.2mm。采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)其進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小為2mm；材料模型選用針對(duì)薄板金屬成形分析而提出的，既考慮材料厚向異性對(duì)屈服面的影響，又考慮材料平面內(nèi)的各向異性對(duì)屈服面影響的3參數(shù)Barlat模型；單元類(lèi)型選擇Belytschko-Tsay殼單元，厚向積分點(diǎn)個(gè)數(shù)為7。其他主要工藝參數(shù)為：摩擦系數(shù)取0.125，模具間隙1.32mm，沖壓速度 5 000mm·s-1，壓邊力取 48 000 N。

圖3 零件截面尺寸和數(shù)值模擬模具模型圖

2 回彈影響因素分析

回彈是影響高強(qiáng)度鋼板成形質(zhì)量精度的主要問(wèn)題，也是板料成形研究的焦點(diǎn)?；貜椏刂品椒ㄓ?種[10]，第一種是工藝控制法，即通過(guò)工藝優(yōu)化手段，使板料發(fā)生充分的塑性變形抑制回彈；第二種是模型補(bǔ)償法，通過(guò)在特定工藝條件下，預(yù)測(cè)回彈量的大小，然后修正模具形狀，使回彈后的形狀恰好符合設(shè)計(jì)要求；第三種是過(guò)程控制法，通過(guò)控制沖壓成形的壓邊力、模具溫度等手段減小回彈，這種方法效率較低，在工業(yè)上很少應(yīng)用。本文選擇第一種方法進(jìn)行研究。

在汽車(chē)覆蓋件成形中廣泛采用設(shè)置拉深筋來(lái)提高成形質(zhì)量，它是調(diào)節(jié)和控制壓料面作用力的一種最有效和實(shí)用的方法，在成形中主要起增大進(jìn)料阻力，調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力分布，降低對(duì)壓料面加工工藝要求等作用。拉深筋類(lèi)型主要有半圓形筋、矩形筋、三角形筋和拉延檻等，根據(jù)零件成形情況，本文選擇生產(chǎn)中常用的半圓形拉深筋進(jìn)行研究，并在有限元軟件中建立相應(yīng)的真實(shí)拉深筋模型。

2.1 壓邊力對(duì)回彈的影響

零件的壓邊面積為10 640 mm2，TRIP600高強(qiáng)度鋼板的單位壓邊力取值范圍是3～4.5MPa[11]，即零件的壓邊力為31 920～47 880 N，分別取32 000 N、40 000 N、48 000 N進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)束后的回彈值分別為4.62mm、4.159mm、4mm，回彈值隨著壓邊力的增加而減小，但減小趨勢(shì)變緩，因此，通過(guò)增加壓邊力可以減小回彈，但改變量有限。

圖4 壓邊力對(duì)回彈的影響

2.2 拉深筋工作圓角半徑R對(duì)回彈的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，拉深筋工作圓角半徑取3t～5t較為合適（t為板料厚度），因此，令R分別為3 mm、4mm、5mm、6mm進(jìn)行分析。其模擬結(jié)束后的成形極限圖如圖5所示，成形厚薄分布圖如圖6所示，回彈值如圖7所示。

圖5 成形極限圖

圖6 變薄率分布圖

圖7 回彈值分布圖

從圖5可知，當(dāng)R=3mm時(shí)，零件上部分節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值超過(guò)了破裂成形極限線(xiàn)，零件出現(xiàn)破裂，因此未進(jìn)一步分析其減薄率和回彈值。當(dāng)R=4、5、6mm時(shí)，零件沒(méi)有出現(xiàn)破裂和破裂趨勢(shì)，但是零件上各節(jié)的最大應(yīng)變值離破裂成形極限線(xiàn)的距離有差異。R=5mm時(shí)零件各節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)變值點(diǎn)離破裂成形極限線(xiàn)的距離較大，且零件與壓料面接觸區(qū)域除有部分出現(xiàn)拉伸不足現(xiàn)象外，零件沒(méi)出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，成形質(zhì)量較好。R=4mm，6mm時(shí)，零件各節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)變值點(diǎn)離破裂成形極限線(xiàn)的距離較小，且零件與壓料面接觸區(qū)域除有部分出現(xiàn)拉伸不足現(xiàn)象外，零件還出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，零件成形質(zhì)量呈先變好后變差的趨勢(shì)。

圖6為R=4、5、6mm的變薄率分布圖。當(dāng)R=4mm時(shí)，零件的最大減薄率為21.774%；當(dāng)R=5mm時(shí)，零件的最大減薄率為19.319%；當(dāng)R=6mm時(shí)零件的最大減薄率為22.48%，零件的減薄率呈現(xiàn)先減小后增加現(xiàn)象。這是由于板料流經(jīng)拉深筋時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲、回復(fù)、彎曲的反復(fù)變形，隨著拉深筋工作圓角半徑增加，拉深筋的金屬流動(dòng)阻力減小，且隨著拉深筋高度的增大，拉深筋阻力也有增大的趨勢(shì)，在兩者相互作用下，使得板料經(jīng)過(guò)拉深筋時(shí)金屬的流動(dòng)阻力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

圖7為拉深筋工作圓角半徑R=4、5、6mm的回彈值分布圖。當(dāng)R=4mm時(shí)，零件的最大回彈值為1.599mm；當(dāng)R=5mm時(shí)，零件的最大回彈值為2.058mm；當(dāng)R=6mm時(shí)，零件的最大回彈值為2.803mm。拉深筋的工作圓角半徑越小時(shí)，坯料通過(guò)拉深筋時(shí)產(chǎn)生的塑性變形越多，零件成形后的回彈值越小，成形精度越高，成形后零件的回彈值呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)。

從圖5～圖7的分析結(jié)果可知：拉深筋工作圓角半徑較大時(shí)坯料經(jīng)過(guò)拉深筋時(shí)產(chǎn)生的塑性變形較少，回彈值較大；拉深筋工作圓角半徑較小時(shí)，坯料塑性變形較大，零件易出現(xiàn)破裂及破裂趨勢(shì)，且零件的變薄率呈先變小再變大趨勢(shì)。因此，高強(qiáng)度鋼板沖壓成形采用半圓形拉深筋控制回彈，應(yīng)綜合考慮零件的沖壓成形質(zhì)量選擇合適的拉深筋工作圓角半徑。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于有限元數(shù)值模擬方法，研究了TRIP高強(qiáng)度鋼板成形U型件時(shí)壓邊力、半圓形拉深筋工作圓角半徑變化對(duì)成形質(zhì)量、變薄率、回彈的影響，得出以下結(jié)論：

（1）TRIP600高強(qiáng)度鋼板成形時(shí)通過(guò)調(diào)整壓邊力，控制回彈的能力有限；

（2）成形類(lèi)U型件成形時(shí)半圓形拉深筋工作圓角半徑增大，回彈值呈線(xiàn)性增加；

（3）變薄率和零件成形后各節(jié)點(diǎn)中最大應(yīng)變值離破裂成形極限線(xiàn)的距離，出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。

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Study on Springback Controlof U-form Sheet Form ing in TRIP600

ZHAOShi-yu
(Ningde Vocationaland TechnicalCollege，DepartmentofMechanicaland Electrical Engineering，F(xiàn)u'an Fujian 355000，China)

To study the accuracy in the forming processofhigh strength steel,based on the analysisofmaterial property of TRIP600,a U-form componentwas used to study the influence of blankholder force and working radius of drawbead on springback in forming process.The result showswhen TRIP600 is used in U-form sheet forming,springback gets restricted decrease with the increase of blankholder force,and the bigger ofworking radius of drawbead the bigger of springback.

high strength steel；stamping forming；springback；drawbead

TG386

B

1672-545X（2014）04-0243-03

2014-01-05

福建省教育廳A類(lèi)項(xiàng)目(編號(hào)：JA12453)

趙仕宇（1978—），女，貴州遵義人，碩士，講師，主要研究方向：板料成形工藝，模具CAD/CAM。