基于數(shù)值仿真的沖壓成形界面接觸壓力

孫 利，羅益民，高 晶，于忠奇

(1.上海交通大學(xué)上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點實驗室，上海 200240;2.上海航天精密機械研究所，上海 201600)

先進高強鋼具有高的比強度和吸能性等優(yōu)點，在車身結(jié)構(gòu)件上得到大量的應(yīng)用［1］.先進高強鋼板沖壓時，為了增加零件尺寸精度，經(jīng)常采用小模具圓角工藝，將大大增加板料-模具界面接觸壓力，加劇了成形件表面損傷及模具磨損［2-5］.因此，揭示先進高強鋼板成形界面接觸壓力變化規(guī)律，尋求針對成形過程的磨損消減方法具有實際意義.

如何控制先進高強鋼板成形中磨損問題，已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.SK?RE等評價了先進高強鋼板DP600抗表面損傷性能，研究結(jié)果表明:熱鍍鋅板的抗表面損傷性能比裸板的好［6］.ALTAN等采用扭轉(zhuǎn)壓縮試驗對DP600抗表面損傷性能進行了研究，結(jié)果表明:熱鍍鋅板具有良好的抗表面損傷性能［7］.林啟權(quán)等采用方盒拉深方法對高強鋼SPFC590拉深粘模行為進行了研究［8］.康永林等利用平板滑動試驗方法研究了鍍鋅板摩擦行為［9］.侯英苛等采用U形拉彎方法研究了高強鋼板抗表面損傷性能［10］.成形過程板料-模具界面發(fā)生的磨損不僅與鋼板/模具本身特性有關(guān)，也與工藝條件和零件幾何形狀(受力條件)有著密切的關(guān)系.為此，PEREIRA和WANG等［11-12］采用數(shù)值方法研究了有關(guān)影響因素對凹模圓角處界面接觸壓力的敏感性.利用數(shù)值方法獲得這類物理量的可靠性已被學(xué)者們證實［13-14］，這種技術(shù)途徑也是實驗手段的一種有利補充.先進高強鋼板(強度級別600 MPa以上)主要應(yīng)用于車身梁類結(jié)構(gòu)件，常采用小模具圓角半徑彎曲工藝進行沖壓加工.已有研究表明，由于板料在模具圓角區(qū)的彎曲變形作用，使該區(qū)域產(chǎn)生更高的界面接觸壓力，造成此區(qū)是成形磨損最嚴(yán)重的位置.隨著鋼板強度提高，工藝方法及參數(shù)也隨之發(fā)生變化.為此，本文重點關(guān)注彎曲過程工藝參數(shù)對先進高強鋼-凹模界面接觸壓力的影響.

本文采用數(shù)值方法揭示雙相鋼(強度等級范圍600～1 000 MPa)拉伸-彎曲成形條件下板料界面上接觸壓力特征和演化規(guī)律，為雙相鋼沖壓件表面質(zhì)量控制和成形模具設(shè)計提供技術(shù)支持.

1 數(shù)值仿真模型

本研究采用U形件彎曲成形，模具圓角半徑(R)均為5 mm，模具間隙為板料厚度的5%.如圖1所示，是在ABAQUS/Standad模塊中建立的彎曲成形二維平面應(yīng)變有限元模型［15］.

圖1 數(shù)值仿真模型

在數(shù)值模型中，板料為冷軋雙相鋼DP590、DP780和DP980，材料模型假設(shè)為彈塑性材料，材料參數(shù)如表1所示.模具假設(shè)為彈性材料，彈性模量為210 GPa.模擬中，鋼材和工具部件的有限元單元均采用CPE4R和CPE3(少量)類型進行離散，并在鋼板和凹模圓角處對單元網(wǎng)格進行細(xì)分，細(xì)分網(wǎng)格大小為0.03 mm×0.03 mm，實現(xiàn)此處接觸界面壓力的精確計算，此外，法蘭壓邊力和滑動摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)根據(jù)第2節(jié)討論內(nèi)容不同而設(shè)置.

表1 鋼板材料參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼板強度對板材界面接觸壓力的影響

圖2為壓邊力16 MPa下的3種鋼板的接觸壓力分布與演化情況，可以看到:凹模圓角小于R5 mm時，可能導(dǎo)致先進高強鋼沖壓件過早地出現(xiàn)開裂，無法正常壓制;同時預(yù)先模擬計算顯示，對于這3種鋼板而言，所需最小法蘭壓邊力分別為12、14和16 MPa.故本研究取法蘭壓邊力為16 MPa，研究成形穩(wěn)態(tài)階段的板料-模具界面接觸壓力的變化趨勢.從圖2可以看到:在成形穩(wěn)態(tài)階段，3種牌號鋼板接觸壓力與其拉伸強度級別成正比，DP590鋼板的高壓力區(qū)界面接觸壓力為800 MPa，低壓力區(qū)為200 MPa;DP780鋼板分別為1 200和150 MPa;DP980鋼板分別為1 500和150 MPa.這表明，此處的接觸壓力受到塑性變形和摩擦的共同作用，且主要受到板料塑性變形的影響.隨著鋼板強度提高，在凹模入口處板料的彎曲效應(yīng)也越明顯，導(dǎo)致接觸壓力越大.研究還發(fā)現(xiàn):鋼板強度提高造成板料在圓角區(qū)貼膜效果變差，進而引起接觸壓力不連續(xù).由上述現(xiàn)象可以得出:隨著鋼板強度提高，接觸壓力變得越大，將導(dǎo)致更嚴(yán)重的界面磨損發(fā)生，板料表面損傷現(xiàn)象也越明顯.

圖2 鋼板強度對界面接觸壓力的影響

2.2 圓角半徑對板材界面接觸壓力的影響

圖3為在壓邊力12 MPa條件下不同凹模圓角對于DP590界面上接觸壓力的影響情況，可以看到:當(dāng)圓角半徑(R)為8和10 mm時，在成形穩(wěn)定階段鋼板與凹模圓角包覆區(qū)存在接觸壓力為零的區(qū)域，即此時鋼板只在凹模圓角入口處和出口處與變形板料接觸，即在板料流經(jīng)凹模圓角產(chǎn)生彎曲和反彎曲的位置附近產(chǎn)生更大的接觸壓力，且高壓力區(qū)主要由板料流入凹模圓角時彎曲壓應(yīng)力產(chǎn)生的，流出時的反彎曲拉應(yīng)力對界面接觸壓力影響較小，這與模具間隙有一定的關(guān)聯(lián).同時，隨著凹模圓角半徑減小，高壓區(qū)界面接觸壓力將增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于相對模具圓角半徑越小，板料流入凹模圓角區(qū)的彎曲效應(yīng)越強.這說明:小圓角半徑?jīng)_壓工藝，雖然提高了零件的尺寸精度，但卻帶來了更為嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象.

圖3 圓角半徑對板料界面接觸壓力的影響

2.3 壓邊力對板材界面接觸壓力的影響

圖4是壓邊力分別為8，12，16 MPa條件下板料界面上接觸壓力分布和演化情況，鋼板為DP590.從圖4可以發(fā)現(xiàn)，法蘭上壓邊力大小直接影響著界面接觸區(qū)域?qū)挾?，隨著壓邊力的增大，云圖上板料接觸壓力帶寬也隨之增加;在成形穩(wěn)態(tài)階段，法蘭上壓邊力為8 MPa時最大接觸壓力為800 MPa;而壓邊力分別為12和16 MPa時最大接觸壓力均保持在860 MPa水平上，即成形穩(wěn)態(tài)階段法蘭沒有壓緊板料時(8 MPa)最大接觸壓力(800 MPa)略小于壓緊時的接觸壓力(860 MPa)，且壓邊圈一旦壓緊板料(12、16 MPa)后，此最大界面壓力將保持恒定(本研究為860 MPa).在壓邊圈沒有壓緊板料條件下，壓邊力通過摩擦力使板料產(chǎn)生一定的后拽力，在一定程度上影響著板料包覆凹模圓角的大小;而壓緊后壓邊力基本是通過摩擦力來影響低壓區(qū)接觸壓力.本研究表明，壓邊力對高壓區(qū)的寬度和接觸壓力大小幾乎沒有影響，所以對圓角區(qū)成形界面的磨損并不顯著.

圖4 壓邊力對板料界面接觸壓力的影響

2.4 摩擦系數(shù)對板材界面接觸壓力的影響

在板料表面損傷的實驗研究中，通常都以滑動摩擦系數(shù)達到0.3為停止實驗的條件.通常認(rèn)為:當(dāng)滑動摩擦系數(shù)達到0.3以后鋼板與成形模具接觸界面會出現(xiàn)嚴(yán)重的磨粒磨損現(xiàn)象，板料表面出現(xiàn)嚴(yán)重拉傷缺陷.本文僅從摩擦系數(shù)角度研究板料界面接觸壓力的變化，分別取滑動摩擦系數(shù)0.1、0.2、0.3的3個水平進行模擬計算.

圖5為滑動摩擦系數(shù)(μ)分別為0.1、0.2、0.3時板料界面接觸壓力分布和演化情況.從圖5可以看到:與壓邊力影響相類似，隨著滑動摩擦系數(shù)增加，界面接觸壓力區(qū)域呈增大趨勢，而對高壓區(qū)壓力數(shù)值沒有明顯影響.其原因是:在數(shù)值計算中滑動摩擦系數(shù)的增大，僅是增加了板料彎曲過程中后拽力，使板料貼合凹模圓角更加緊密，板料流出凹模圓角區(qū)時反彎曲被延遲發(fā)生.實際上，摩擦系數(shù)增加通常是通過增加模具法蘭表面粗糙度或潤滑條件，這將造成法蘭表面的實際承載面積減少和表面微凸峰增大，這種劣化的表面形貌將造成法蘭表面產(chǎn)生磨粒磨損機會增加.總之，摩擦條件劣化，將產(chǎn)生更嚴(yán)重的材料表面損傷現(xiàn)象.

圖5 摩擦系數(shù)對鋼板界面接觸壓力的影響

3 結(jié)論

1)板料界面接觸壓力主要產(chǎn)生在凹模圓角入口附近，界面接觸壓力高壓區(qū)主要與板料強度和相對模具圓角半徑有關(guān)，材料強度增加和相對模具圓角半徑減小，將明顯增加高壓區(qū)界面接觸壓力，加劇成形磨損發(fā)生.

2)在壓緊的條件下，壓邊力和摩擦系數(shù)主要影響界面接觸壓力區(qū)大小，對其低壓區(qū)寬度產(chǎn)生明顯影響，也對成形界面的磨損產(chǎn)生一定的影響.

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