DC01鋼板極限拉深比數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究

陳繼平，羅遠(yuǎn)震，宋新力，賈 偉，錢健清，李勝祗

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

DC01鋼板極限拉深比數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究

陳繼平，羅遠(yuǎn)震，宋新力，賈 偉，錢健清，李勝祗

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

對不同厚度的DQ級深沖鋼板DC01的極限拉深，采用有限元軟件PAM-STAMP 2G進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過Swift平底沖杯試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)計(jì)算深沖鋼板的極限拉深比。結(jié)果顯示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的DC01鋼板極限拉深比和根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計(jì)算出的極限拉深比最大偏差僅為2.08%，模擬數(shù)值誤差較小，表明采用PAM-STAMP 2G有限元軟件對板料極限拉深比進(jìn)行數(shù)值模擬具有較高的可靠性和精度。

鋼板；數(shù)值模擬；極限拉深比；Swift平底沖杯試驗(yàn)

拉深是板料沖壓成形工藝之一，在機(jī)械制造、儀器儀表、家用電器、汽車及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。極限拉深比(limit drawing ratio，LDR)是板料的重要成形性能參數(shù)，是進(jìn)行拉深工藝制定和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，也是評價板料拉深成形性能的主要指標(biāo)[2-3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對板料極限拉深比的研究主要集中在極限拉深比的預(yù)測計(jì)算及其影響因素，如凸凹模形狀尺寸、潤滑方式、壓邊力、摩擦系數(shù)、板料厚度、板料材料特性參數(shù)等對LDR值的影響[4-5]，而對不同厚度的DQ級深沖鋼板DC01在拉深成形過程中極限拉深比的變化規(guī)律研究較少[6-7]。

有限元數(shù)值模擬可設(shè)置與實(shí)際接近的拉深成形虛擬環(huán)境，能比較方便、快速、清晰地顯示深沖鋼板的拉深特性和成形情況，且能節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，但拉深成形數(shù)值模擬結(jié)果是否真實(shí)可靠還需試驗(yàn)來驗(yàn)證[8-10]。鑒于此，筆者通過不同厚度DC01深沖鋼板的Swift平底沖杯試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，以期為拉深成形工藝參數(shù)的制定提供理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)。

1 Swift平底沖杯試驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料為DQ級深沖鋼板DC01，厚度分別為0.6，1.0，1.2，1.5 mm，其化學(xué)成分及基本力學(xué)性能參數(shù)分別如表1，2。其中：Rp0.2為屈服強(qiáng)度；Rm為抗拉強(qiáng)度；A80為伸長率；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；r為厚向異性指數(shù)；Δr為平面各向異性指數(shù)。潤滑劑為凡士林。

試驗(yàn)設(shè)備：NHB-30A多功能板料成形試驗(yàn)機(jī)，最大成形力300 kN，最大壓邊力100 kN，凸模行程0～150 mm，當(dāng)板料發(fā)生失穩(wěn)時，成形力下降，試驗(yàn)機(jī)自動停止。試驗(yàn)所用凸模、凹模和壓邊圈的材料為45號鋼，硬度HRC 60。

表1 DC01鋼板的化學(xué)成分(w/%)Tab.1 Chemical compositions of DC01 steel sheet(w/%)

表2 DC01鋼板的力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of DC01 steel sheet

1.2 試驗(yàn)方法

采用國標(biāo)GB/T 15825.3—2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法第3部分：拉深與拉深載荷試驗(yàn)》[11-12]中的Swift平底沖杯試驗(yàn)測試深沖鋼板DC01的極限拉深比。Swift平底沖杯試驗(yàn)示意圖如圖1。圖中Dd凹模內(nèi)徑；rd為凹模圓角半徑；dp為凸模直徑；rp為凸模圓角半徑。試驗(yàn)?zāi)＞甙凑諊覙?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸選定，模具尺寸如表3。

試驗(yàn)過程中將試驗(yàn)板料壓置到凹模與壓邊圈之間，通過凸模拉深成形，測定拉深杯體底部圓角附近壁部不產(chǎn)生破裂時允許使用的最大試樣直徑D0max，用D0max與凸模直徑dp之比表示極限拉深比。

表3 Swift平底沖杯試驗(yàn)所用模具尺寸Tab.3 Die and punch dimensions of Swift deep drawing cup experiment

試驗(yàn)板料按規(guī)定的直徑級差分組，組數(shù)不少于2，每組有效試樣數(shù)量為6，相鄰兩級試樣的直徑級差為1.25 mm，各級試樣的外徑偏差不大于0.05 mm。在試驗(yàn)板料面向凹模一側(cè)涂潤滑劑，另一面不加潤滑。施加的壓邊力應(yīng)滿足：不允許壓邊圈下面的板料起皺，但應(yīng)保證板料能夠在凸模的拉深力作用下發(fā)生流動和拉深變形。本試驗(yàn)過程中壓邊力保持恒定為60 kN，重復(fù)試驗(yàn)時的壓邊力偏差保持在±5%以內(nèi)。凸模運(yùn)動速度為4 mm/s，環(huán)境溫度設(shè)置為(23±5)℃。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型的建立和參數(shù)設(shè)置

根據(jù)Swift平底沖杯試驗(yàn)的模具參數(shù)在UG中建立凸模和凹模以及壓邊圈的幾何模型，轉(zhuǎn)換成IGES文件導(dǎo)入有限元數(shù)值模擬軟件PAM-STAMP 2G進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模擬時采用圖2所示的簡化模型。

有限元模擬中DC01鋼板材料模型參數(shù)中的應(yīng)變硬化指數(shù)n和厚向異性指數(shù)r均來自拉伸試驗(yàn)測得的力學(xué)性能參數(shù)，彈性模量E、泊松比ν和密度ρ參考文獻(xiàn)[13]中低碳深沖SPCE鋼板，具體如表4。板料與沖頭之間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.12，凸模直徑為50 mm，凹模圓角半徑為5 mm，網(wǎng)格采用自適應(yīng)網(wǎng)格，最大更新倍數(shù)4，凸模速度為100 mm/s。

試驗(yàn)所用DC01鋼板經(jīng)過多道次熱軋和冷軋及退火處理，晶粒擇優(yōu)取向形成纖維織構(gòu)，具有明顯的各向異性，對板料的變形行為如在拉深成形過程中的起皺和凸耳等具有顯著影響，很大程度上也影響板料成形數(shù)值模擬的精度[14-15]。目前，板料各向異性屈服條件中應(yīng)用較多的是Hill系列屈服準(zhǔn)則[16]。其中：Hill48屈服準(zhǔn)則適用于正交各向異性材料，對屈服表面的描述比較粗略，不能精確地預(yù)測材料的變形行為；Hill79準(zhǔn)則可用于面內(nèi)各向異性，但不含剪切應(yīng)力分量，不能表征主方向與各向異性主軸不重合時一般的變形；Hill90屈服準(zhǔn)則是含剪應(yīng)力分量的平面應(yīng)力屈服準(zhǔn)則，可較好地描述金屬板料的變形行為；Hill93屈服準(zhǔn)則只有在應(yīng)力主軸和各向異性主軸平行的情況下才可使用[17-18]。綜上所述，文中采用比較準(zhǔn)確描述板料各向異性特性的Hill90屈服準(zhǔn)則。

2.2 數(shù)值模擬過程與結(jié)果分析

利用軟件PAM-STAMP 2G對DC01深沖鋼板的極限拉深比進(jìn)行數(shù)值模擬，板料直徑的選取沒有一定的標(biāo)準(zhǔn)，只能在模擬中進(jìn)行試錯，逐漸縮小板料直徑的范圍。如果所取直徑的板料成形后沒有出現(xiàn)破裂，則在下一次模擬時增加板料直徑；如果在拉深完成后板料出現(xiàn)破裂，下一次模擬時就減小板料直徑。通過調(diào)整板料直徑，最終得到某一條件下板料拉深后不破裂時的最大拉深板料直徑。

限于篇幅，分析最接近拉深杯體底部圓角附近壁部不產(chǎn)生破裂時的板料拉深模擬結(jié)果。從Swift平底沖杯試驗(yàn)中可知，試驗(yàn)板料的臨界直徑為103 mm，為保證板料不被拉破，選取直徑為102.6 mm，厚度為1.5 mm的板料進(jìn)行Swift平底沖杯試驗(yàn)的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖3。

表4 DC01鋼板材料模型參數(shù)Tab.4 Material model parameters of DC01 steel sheet

深沖鋼板成形極限FLD曲線的最低點(diǎn)，即平面應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)FLD0(設(shè)該點(diǎn)的變形量為y)，通常用Keeler經(jīng)驗(yàn)公式y(tǒng)=(23.3+14.13t)n/0.21(適用厚度小于2.54 mm的低碳鋼板，t為板料厚度，mm)來表示。PAM-STAMP 2G仿真有限元軟件根據(jù)Keeler經(jīng)驗(yàn)公式和DC01板料的基本性能數(shù)據(jù)，估算和構(gòu)建板料拉深成形過程中的成形極限曲線FLD，并根據(jù)板料的數(shù)值模擬計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，將板料成形質(zhì)量劃分為不同層次，如安全區(qū)域、破裂臨界區(qū)域和起皺傾向區(qū)域等[19]。

從圖3(a)，(b)可看出，板料拉延比較充分，邊緣處有起皺現(xiàn)象，沒有破裂點(diǎn)，即板料完全可以沖壓成功。從圖3(c)，(d)可看出：邊緣處最厚，圓角處減薄最厲害，杯形件的最大厚度為1.742 mm，位于邊緣位置，板料較原始厚度增加了16.16%；最小厚度為1.177 mm，位于杯形件的圓角部，板料減薄率為21.51%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證用更大直徑的板料進(jìn)行拉深是否會引起破裂，把板料直徑增加到103.6 mm進(jìn)行Swift平底沖杯拉深成形數(shù)值模擬，結(jié)果如圖4。從圖4(a)可看出，板料拉延比較充分，邊緣處有起皺現(xiàn)象，杯形件的圓角部有臨近破裂點(diǎn)，但是還沒有破裂。從圖4(b)，(c)可看出：最大厚度為1.749 mm，位于杯形件的邊緣位置，板料較原始厚度增加了16.57%；最小厚度為1.162 mm，位于圓角部，板料減薄率為22.55%。

對比圖(3)，(4)發(fā)現(xiàn)，最大厚度較前一直徑板料有所增大，最小厚度較前一直徑板料有所減少，但不能說明103.6 mm是板料沖壓后不破裂的最大直徑。為此，進(jìn)一步增加板料的直徑到104.0 mm進(jìn)行Swift平底沖杯拉深成形數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5。

從圖5可以看出，杯形件的圓角部位出現(xiàn)了破裂點(diǎn)，此處厚度為1.119 mm，減薄率為25.38%。采用數(shù)值模擬獲取板料極限拉深比LDR時，選取板料直徑為102.6，103.2，103.6，拉深完成后出現(xiàn)了破裂邊緣區(qū)域，板料圓角部位沒有出現(xiàn)破裂，選取直徑為104.0 mm板料拉深后，在拉深杯體底部圓角附近的壁部出現(xiàn)破裂。根據(jù)Swift平底沖杯試驗(yàn)測試極限拉深比的原理，可選用前一個拉深后不破裂的板料直徑103.6 mm作為最大板料直徑來計(jì)算極限拉深比LDR值。同理，在其他板料厚度的條件下，按類似方法進(jìn)行模擬，得出拉深時板料不破裂的最大直徑，進(jìn)而計(jì)算出該條件下的LDR值。DC01鋼板Swift平底沖杯試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果如表5。

從表5可以看出，在材料參數(shù)、厚度、工藝參數(shù)大體相同的情況下，平底沖杯試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬得到的極限拉深比LDR最大偏差僅為2.08%，采用2種方法得到的LDR值相差較小。由此可見，用有限元數(shù)值模擬方法分析圓筒件拉深成形過程以及獲取極限拉深比LDR值是可靠、有效的。

表5 DC01鋼板Swift平底沖杯試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果Tab.5 Swift deep drawing cup experiment and numerical simulation results of DC01 steel sheet

3 結(jié) 論

通過Swift平底沖杯試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬對DQ級深沖鋼板DC01的極限拉深比進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：在材料參數(shù)、工藝參數(shù)大體相同的情況下，平底沖杯試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬得到的極限拉深比最大偏差僅為2.08%，最小偏差為0.58%；由PAM-STAMP2G有限元軟件數(shù)值模擬得到的DC01鋼板極限拉深比，其模擬誤差較小，表明該方法具有很高的精度和可靠性，可為拉深成形工藝參數(shù)的制定提供理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)。

[1]王殊尋，李二玲，鄧沛然，等.SUS304不銹鋼極限拉延比的研究[J].熱加工工藝，2014,43(13):106-108.

[2]周小紅.圓筒件再拉深性能的預(yù)測[J].鍛壓技術(shù)，2010,35(5):52-55.

[3]王東哲，楊曦，何丹農(nóng)，等.圓筒件極限拉延比影響因素研究[J].鍛壓機(jī)械，2000,25(3):30-32.

[4]田德新，吳青松，祝洪川，等.壓邊力對IF鋼極限拉深比的影響[J].物理測試，2014,32(4):24-27.

[5]陳繼平，錢健清，李勝祗.摩擦系數(shù)對圓筒形件拉深成形性能的影響[J].鍛壓技術(shù)，2011,36(5):36-38.

[6]Wang W R,He C W,Zhao Z H,et al.The limit drawing ratio and formability prediction of advanced high strength dual-phase steels[J].Materials and Design,2011,32(2):3320-3327.

[7]陳繼平，錢健清，李勝祗.應(yīng)變硬化指數(shù)對圓筒形件拉深性能的影響[J].重型機(jī)械，2012(1):22-25.

[8]王斯凡，龔紅英，王斌，等.DP780鋼無凸緣圓筒件極限拉深系數(shù)及網(wǎng)格劃分方式研究[J].熱加工工藝，2014,43(13):144-146.

[9]陳繼平，錢健清，李勝祗.圓筒形件拉深成形的數(shù)值模擬研究[J].重型機(jī)械，2005(3):24-27.

[10]邰阿媛，王會廷，閻軍.梯溫充液拉深成形數(shù)值模擬分析[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014,31(4):353-357.

[11]王麗英，薛永平.拉深試驗(yàn)測試分析[J].物理測試，2011,29(5):20-22.

[12]張文瑞，曹陽根，楊尚磊，等.DC06鋼極限拉深系數(shù)測定[J].鍛壓技術(shù)，2014,39(2):41-45.

[13]田亮.汽車覆蓋件沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2005:42-43.

[14]張飛飛，陳劼實(shí)，陳軍，等.各向異性屈服準(zhǔn)則的發(fā)展及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證綜述[J].力學(xué)進(jìn)展，2012,42(1):68-80.

[15]史艷莉，吳建軍.各向異性屈服準(zhǔn)則的發(fā)展及應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2006,31(1):99-103.

[16]程萬軍，何忠保，王學(xué)寰，等.各向異性屈服準(zhǔn)則在拉深工藝中的應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報，2001,8(2):55-56.

[17]倪向貴，王宇，吳恒安，等.用于板料成形數(shù)值模擬的各向異性本構(gòu)模型研究[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2000,30(6):700-706.

[18]倪向貴，吳恒安，王宇，等.各向異性本構(gòu)關(guān)系在板料成形數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報，2003,20(2):231-235.

[19]李瀧杲，王書恒，徐巖.金屬板料成形有限元模擬基礎(chǔ)-PAMSTAMP2G(Autostamp)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008:58-62.

責(zé)任編輯：何莉

Numerical Simulation and Experimental Study of Limit Drawing Ratio of DC01 Steel Sheet

CHEN Jiping,LUO Yuanzhen,SONG Xinli,JIAWei,QIAN Jianqing,LI Shengzhi
(School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China)

The limit drawing ratio(LDR)of steel sheet DC01 with different thicknesses was studied by numerical simulation using finite element software PAM-STAMP 2G.The LDR of the steel sheet were also calculated with data measured by Swift deep drawing cup experiment.The LDR of Swift deep drawing cup experiment and numerical simulation were compared and analyzed.Results show that the maximum deviation of LDR between the experiment and numerical simulation for DC01 steel sheet with various thicknesses is only 2.08%,the simulation numerical error is small.It is indicated that PAM-STAMP 2G software has high reliability and accuracy for LDR simulation of steel sheet.

steel sheet;numerical simulation;limit drawing ratio;Swift cup experiment

TG356.2

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.003

2015-04-03

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1508085ME78)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410360130)

陳繼平(1975-)，男，安徽肥東人，講師，主要研究方向?yàn)槠嚢寮鞍辶铣尚涡阅堋?/p>

1671-7872(2015)-04-0310-05