B550CL高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合成形損傷開(kāi)裂研究

姜志遠(yuǎn)，劉郁麗，楊 合，龍嬋娟，萬(wàn)蘭鳳，薛 峰

(1.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安 710072;2.上海梅山鋼鐵有限公司 技術(shù)中心，南京 210000;3.上海寶鋼車(chē)輪有限公司，上海 200941)

輪輻作為車(chē)輪的重要組成部件，其結(jié)構(gòu)、材料和制造質(zhì)量不僅直接關(guān)系到汽車(chē)的制動(dòng)性和平穩(wěn)性等安全性能，而且對(duì)汽車(chē)減輕自重、降低油耗以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源有重要影響.高強(qiáng)鋼用于汽車(chē)輪輻的生產(chǎn)，可有效降低汽車(chē)的整體質(zhì)量，提高汽車(chē)的操控性能，在降低成本、減少油耗和提高安全性方面有明顯優(yōu)勢(shì)［1］.輪輻的沖壓成形由多步工序組成，主要包括:落料、拉深、沖孔、反拉深、翻邊、切邊、整形等［2］.實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常采用反拉深-翻邊復(fù)合工序以提高生產(chǎn)效率和簡(jiǎn)化模具.由于高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高、反拉深模具形狀復(fù)雜以及翻邊變形量較大，使得翻邊過(guò)程中中心孔附近材料容易出現(xiàn)開(kāi)裂.因此，研究反拉深-翻邊復(fù)合工序中的高強(qiáng)鋼輪輻損傷開(kāi)裂具有重要意義.

針對(duì)輪輻沖壓成形及相關(guān)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的研究成果.ABE等［3］利用剛塑性有限元模型，對(duì)低碳鋼輪輻沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)成形后的壁厚分布進(jìn)行了優(yōu)化.TAN等［4］提出了兩工步?jīng)_壓的方法來(lái)優(yōu)化壁厚分布，并研究了模具工藝參數(shù)對(duì)局部增厚量的影響規(guī)律.高蔚然等［5］采用Auto-Form軟件平臺(tái)，建立了DP600高強(qiáng)鋼輪輻拉深、反拉深等成形工序的有限元模型，獲得了不同工序的壁厚變化情況和回彈分布規(guī)律.MORI等［6］采用試驗(yàn)結(jié)合模擬的方法研究低碳鋼輪輻成形過(guò)程，分析了不同成形條件對(duì)成形過(guò)程中擠痕的影響并提出了防止擠痕出現(xiàn)的措施.紀(jì)蓮清等［7］采用 ADINA 軟件對(duì)4J×12型12A1鋼制輪輻中心孔翻邊過(guò)程進(jìn)行仿真研究，獲得了其等效應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律;邱曉剛等［8-9］采用DYNAFORM軟件研究了微型車(chē)輪SAPH440鋼制輪輻翻邊成形件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并研究了材料參數(shù)對(duì)翻邊成形的影響.FRACZ等［10］采用數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)，對(duì)比研究了不同沖頭形狀薄鋼板翻邊成形的壁厚分布情況.張立玲等［11］采用全量理論，對(duì)平面板料圓孔翻邊過(guò)程進(jìn)行了理論研究，并推導(dǎo)了應(yīng)力應(yīng)變解析式.

上述文獻(xiàn)從不同方面進(jìn)行了輪輻成形的試驗(yàn)、理論及模擬研究，但針對(duì)高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序的損傷開(kāi)裂問(wèn)題研究較少.為了解決新材料B550CL用于反拉深-翻邊時(shí)的損傷開(kāi)裂問(wèn)題，本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，采用ABAQUS/Explicit軟件平臺(tái)，建立了輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序成形過(guò)程三維彈塑性有限元模型，并將耦合了韌性斷裂準(zhǔn)則的子程序通過(guò)vumat接口嵌入有限元軟件，應(yīng)用所建立的模型，研究獲得了輪輻成形過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變、壁厚與損傷分布規(guī)律.

1 B550CL高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序有限元模型的建立

1.1 高強(qiáng)鋼B550CL材料模型

本文所使用的高強(qiáng)鋼材料為梅鋼新研發(fā)的材料B550CL，其力學(xué)性能尚不明確，因此，首先對(duì)該材料進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，獲得了其基本力學(xué)性能參數(shù)，如表1所示.

表1 高強(qiáng)鋼B550CL力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果，得到高強(qiáng)鋼B550CL的彈性段和塑性段的本構(gòu)方程為

為了更好地描述高強(qiáng)鋼輪輻翻邊開(kāi)裂這一缺陷，需要選擇合適的韌性斷裂準(zhǔn)則，文獻(xiàn)［12-15］介紹了不同類(lèi)型斷裂準(zhǔn)則在金屬成形領(lǐng)域的應(yīng)用.本文采用C-L韌性斷裂準(zhǔn)則，并將耦合了韌性斷裂準(zhǔn)則的子程序通過(guò) Vumat接口嵌入Abaqus有限元軟件，在后處理模塊中便可以得到材料的損傷值、應(yīng)力三軸度等相關(guān)結(jié)果.式(2)為C-L準(zhǔn)則的表達(dá)式.

1.2 輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序有限元模型建立

以寶鋼車(chē)輪有限公司某型號(hào)輪輻成形過(guò)程為例，其反拉深-翻邊前的截面形狀尺寸如圖1(a)所示，板料厚度為4.6 mm;最終成形件截面形狀尺寸如圖1(b)所示.根據(jù)圖1(a)建立反拉深-翻邊前輪輻的幾何模型，采用實(shí)體單元建模并用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的模具形狀尺寸，將其適當(dāng)簡(jiǎn)化，建立高強(qiáng)鋼B550CL用于某型號(hào)輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序的模具幾何模型，采用殼單元建模并用R3D4單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格.為了避免翻邊孔開(kāi)裂，實(shí)際生產(chǎn)中將中心孔翻邊沖頭設(shè)計(jì)成如圖2所示形狀，即:反拉深-翻邊復(fù)合工序的翻邊成形是一個(gè)多次復(fù)合翻邊的過(guò)程;初次翻邊的凸模是柱狀凸模1，二次翻邊的凸模為錐狀凸模2，最后在拋物線凸模3的作用下成形出最終形狀，完成翻邊過(guò)程.

圖1 高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序前后外形尺寸

圖2 中心孔翻邊沖頭

將模具和板料進(jìn)行裝配，得到高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序有限元模型，如圖3所示.為了保證模型的穩(wěn)定性，采用較低的加載速度，模擬時(shí)上模芯的加載速度設(shè)為v=17 mm/s;模具與板料間摩擦采用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦系數(shù)μ=0.15;下模芯活動(dòng)套的壓邊力根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，設(shè)為5 MPa.通過(guò)對(duì)圖3中高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序模型的分析可以發(fā)現(xiàn)，翻邊和反拉深成形在整個(gè)變形過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行、相互影響，且翻邊成形貫穿于整個(gè)變形過(guò)程，這使得復(fù)合工序的變形十分復(fù)雜.

圖3 高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序三維有限元模型

1.3 有限元模型的可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建模型的可靠性，采用上述模擬條件，試制了輪輻反拉深-翻邊復(fù)合成形件.將圖1(b)中的3個(gè)特征尺寸(翻邊高度H、輪輻高度L、輪輻外徑D)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示.從表2可以看出，輪輻模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差很小，且均符合成形工藝要求.因此，本文建立的模型是可靠的，可以進(jìn)行相關(guān)的模擬研究.

表2 高強(qiáng)鋼輪輻復(fù)合工序模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 成形過(guò)程應(yīng)力分布規(guī)律

由于輪輻為回轉(zhuǎn)體零件，其應(yīng)力應(yīng)變分布沿周向變化不大，基本沿徑向呈帶狀分布，如圖4所示.因此，選取圖4所示的輪輻截面的一半研究反拉深-翻邊復(fù)合工序中材料在厚向和徑向的變形規(guī)律.

圖4 輪輻截面示意圖

應(yīng)力三軸度對(duì)材料的損傷和斷裂起重要作用，金屬板料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部的空穴在拉應(yīng)力的作用下增大、擴(kuò)大，直至一定數(shù)量的空穴聚集在一起形成裂紋.應(yīng)力三軸度為正值時(shí)，材料處于拉應(yīng)力狀態(tài)，有利于材料內(nèi)部空穴長(zhǎng)大，材料易發(fā)生斷裂.圖5是成形后輪輻截面應(yīng)力三軸度分布圖，圖中給出輪輻不同成形區(qū)域示意圖.由圖5可以看出，翻邊成形區(qū)域大部分處于拉應(yīng)力狀態(tài)，因此，當(dāng)應(yīng)力集中時(shí)容易產(chǎn)生開(kāi)裂等缺陷.

圖5 應(yīng)力三軸度分布與變形區(qū)示意圖

圖6是成形后輪輻截面等效應(yīng)力分布圖，可以看到，中心孔翻邊區(qū)域的應(yīng)力集中明顯，而這一區(qū)域處于拉應(yīng)力狀態(tài)區(qū)，因此，很容易產(chǎn)生裂紋.等效應(yīng)力的最大值位于翻邊孔口處.

圖6 等效應(yīng)力分布

根據(jù)文獻(xiàn)［16］，翻邊成形時(shí)孔口區(qū)的周向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，使這一方向變形最為劇烈.圖7是成形后輪輻截面周向應(yīng)力分布圖.從圖7可以看出，材料在翻邊孔口區(qū)附近均受到較大的拉應(yīng)力，使得這一區(qū)域材料沿周向的流動(dòng)比較劇烈，加速了裂紋的產(chǎn)生.周向應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在翻邊孔口處.

圖7 周向應(yīng)力分布

圖8為反拉深-翻邊復(fù)合工序孔口區(qū)材料的等效應(yīng)力和周向應(yīng)力變化趨勢(shì)圖.從圖8可以看到，等效應(yīng)力和周向應(yīng)力在整個(gè)成形過(guò)程中相差不大，即翻邊成形的最大主應(yīng)力為周向應(yīng)力;在成形的初期，柱狀凸模和板料作用，使得中心孔發(fā)生變形，應(yīng)力急劇上升，這一階段主要發(fā)生切向變形，因此，等效應(yīng)力幾乎與周向應(yīng)力一致;隨著變形過(guò)程的進(jìn)行，厚向應(yīng)力和徑向應(yīng)力增大，導(dǎo)致等效應(yīng)力和周向應(yīng)力產(chǎn)生了差別;而隨后錐狀凸模和拋物線凸模作用時(shí)，材料應(yīng)力變化相對(duì)平緩.

圖8 復(fù)合工序成形過(guò)程應(yīng)力變化

2.2 成形過(guò)程應(yīng)變分布規(guī)律

圖9為成形后輪輻截面等效應(yīng)變分布圖，可以看到，材料在翻邊成形區(qū)域的變形程度比其他區(qū)域更大.說(shuō)明這部分材料的流動(dòng)較為劇烈，較大的變形容易引起材料轉(zhuǎn)移時(shí)局部發(fā)生材料增厚或減薄等缺陷.最大等效應(yīng)變出現(xiàn)于翻邊孔口區(qū).

圖9 等效應(yīng)變分布

材料的周向應(yīng)變反應(yīng)了這一方向的變形程度，當(dāng)材料的周向應(yīng)變過(guò)大時(shí)，容易發(fā)生沿周向的開(kāi)裂.圖10為成形后輪輻截面周向應(yīng)變的分布圖，可以看到，相對(duì)于其他區(qū)域，翻邊區(qū)材料在周向上發(fā)生了更為明顯的伸長(zhǎng)變形，較大的伸長(zhǎng)變形容易引起材料在厚度方向的過(guò)度減薄，從而引起材料的開(kāi)裂.最大周向應(yīng)變出現(xiàn)于孔口區(qū).

圖10 周向應(yīng)變分布

圖11為反拉深-翻邊復(fù)合工序孔口區(qū)材料的等效應(yīng)變和周向應(yīng)變變化趨勢(shì)圖.從圖11可以看出，在柱狀凸模作用初期材料的變形較為劇烈，使得等效應(yīng)變和周向應(yīng)變急劇上升;當(dāng)柱狀凸模完全進(jìn)入中心孔，材料便不再發(fā)生明顯的變形，使得1～3 s這一時(shí)間段幾乎沒(méi)有進(jìn)一步的變形發(fā)生;隨著錐狀凸模進(jìn)入中心孔，二次翻邊成形開(kāi)始，材料繼續(xù)發(fā)生變形，等效應(yīng)變和周向應(yīng)變持續(xù)增加，但此階段的變形相比柱狀凸模作用時(shí)更為平穩(wěn);最后，在拋物線凸模的作用下，完成翻邊成形，此階段材料變形量不大，變形也最為平穩(wěn).圖11中等效應(yīng)變和周向應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)成形過(guò)程中相差不大，說(shuō)明材料的周向應(yīng)變是翻邊成形時(shí)的最大主應(yīng)變，翻邊變形區(qū)域附近主要發(fā)生材料的周向流動(dòng).

圖11 復(fù)合工序成形過(guò)程應(yīng)變變化

2.3 成形過(guò)程損傷分布規(guī)律

將耦合韌性斷裂準(zhǔn)則的子程序通過(guò)Vumat接口嵌入ABAQUS中，在軟件后處理模塊中便可以得到反拉深-翻邊復(fù)合工序成形件的損傷值分布.圖12為成形后輪輻截面損傷值分布圖，可以看到，相對(duì)于整個(gè)成形件，輪輻在翻邊變形區(qū)損傷值較大.最大損傷值出現(xiàn)于翻邊孔口區(qū)及附近區(qū)域，其值為2.85.按照子程序的定義，損傷值超過(guò)2時(shí)材料發(fā)生開(kāi)裂，說(shuō)明實(shí)際情況下這一區(qū)域可能出現(xiàn)裂紋.結(jié)合前面的應(yīng)力應(yīng)變分析及模具形狀特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)翻邊變形區(qū)在整個(gè)成形過(guò)程中，始終承受拉應(yīng)力而產(chǎn)生了較大的伸長(zhǎng)變形;同時(shí)，成形末期，由于輪輻上的凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)材料流動(dòng)有較強(qiáng)的限制作用，使得翻邊變形區(qū)的材料得不到來(lái)自其他區(qū)域材料的補(bǔ)充，而這一區(qū)域材料流動(dòng)又十分劇烈，因此，容易產(chǎn)生材料的開(kāi)裂.

圖12 損傷值分布

2.4 成形過(guò)程壁厚分布規(guī)律

圖13為成形后輪輻截面從翻邊區(qū)到輪輻外緣的壁厚分布規(guī)律.從圖13可以看出，輪輻成形件在大部分區(qū)域發(fā)生了材料的減薄，但在翻邊成形區(qū)的減薄更為明顯;壁厚最小值是位于孔口區(qū)的3.16 mm，減薄率為31%.說(shuō)明這一區(qū)域在翻邊成形時(shí)減薄嚴(yán)重，可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)度減薄而影響輪輻的使用，或?qū)е铝慵膱?bào)廢.

圖13 壁厚分布

3 結(jié)論

1)基于ABAQUS/Explicit平臺(tái)，建立了B550CL高強(qiáng)鋼用于輪輻成形時(shí)反拉深-翻邊復(fù)合工序三維有限元模型，并通過(guò)試制輪輻驗(yàn)證其可靠性.

2)采用所建模型，模擬獲得了B550CL高強(qiáng)鋼輪輻復(fù)合成形過(guò)程中材料的應(yīng)力應(yīng)變分布變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)翻邊成形的孔口區(qū)是變形時(shí)應(yīng)力最為集中、變形量最大的區(qū)域，使得這一區(qū)域容易發(fā)生開(kāi)裂.

3)采用所建模型，模擬獲得了B550CL高強(qiáng)鋼輪輻復(fù)合成形過(guò)程中材料的損傷和壁厚分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)翻邊成形的孔口區(qū)的損傷值過(guò)大，實(shí)際成形過(guò)程可能出現(xiàn)開(kāi)裂;同時(shí)這一區(qū)域也存在壁厚過(guò)度減薄的現(xiàn)象，有可能影響輪輻的正常使用甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢.

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