雙相鋼盒形件拉深工藝研究

馮海美， 董瑞華，由 偉

(華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

雙相鋼盒形件拉深工藝研究

馮海美， 董瑞華，由 偉

(華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

雙相鋼已廣泛的應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，雙相鋼成型性能是進(jìn)行工藝制定和模具制造的重要依據(jù)。本文以雙相鋼DP500方形盒件的拉深成型工藝過程為研究對象，基于數(shù)值分析，采用正交試驗(yàn)法綜合考慮了壓邊力、板料厚度、摩擦系數(shù)和凸凹模間隙因素對拉深成型質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，壓邊力和摩擦條件均對雙相鋼的拉深性能有重要影響，盒形制件在凹凸模間隙為2.1mm，壓邊力為30 kN，摩擦系數(shù)為0.2，板料厚度為2 mm時獲得最佳成形質(zhì)量，研究結(jié)果可提供模具制造和成型控制的有效參考。

方形盒件；雙相鋼：DP500；Dynaform

0 引 言

目前，雙相鋼開始越來越廣泛的應(yīng)用于汽車制造。與傳統(tǒng)的汽車鋼板相比，雙相鋼板比強(qiáng)度高，因而在保證提高汽車安全性能的同時可降低汽車重量。汽車用雙相鋼成型以沖壓工藝為主[1]。盒形制件在成型過程中易出現(xiàn)起皺和破裂，對成型材料和工藝參數(shù)要求較高，因而常常作為材料沖壓成形性能的研究模型[2]。本文以雙相鋼DP500盒形制件為例，運(yùn)用Dynaform軟件對成型過程進(jìn)行仿真，對DP500鋼的成型性能進(jìn)行觀察，研究結(jié)果可為雙相鋼成型控制及模具設(shè)計(jì)提供參考。

1 產(chǎn)品工藝性分析及模具設(shè)計(jì)

運(yùn)用NX軟件對制件建模，如圖1所示。此工件為帶凸緣方形盒件，該工件的形狀滿足拉深件的工藝要求，方形盒體件高45 mm，方形盒體件凸緣邊長170 mm，底部邊長122 mm，厚度t=2 mm。 零件材料為DP500，其剛度相對不高，易變形。DP500塑性、韌性很好，易冷熱加工成形，正火或冷加工后切削加工性能好，焊接性優(yōu)良，無回火脆性，淬透性和淬硬性均差[3]。確定制件的修邊余量，普通拉深件，在經(jīng)過拉深成形后，工件口和凸緣周邊不齊，須進(jìn)行修邊以達(dá)到工作要求。因此，按照制件圖樣在計(jì)算毛坯尺寸時，須加上制件的修邊余量后再計(jì)算。考慮到模具結(jié)構(gòu)比較簡單，可采用落料拉深復(fù)合模，圖2、圖3分別為模具主視圖和俯視圖。

圖1 方形盒體制件

圖2 落料拉深復(fù)合模主視圖

圖3 落料拉深復(fù)合模俯視圖

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)完成首先運(yùn)用Dynaform軟件對DP500方形盒件的成型質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，數(shù)值分析結(jié)果表明方形盒體的拉深工序中，外圍部分的板料易起皺，凸緣的部分易拉裂，運(yùn)用正交試驗(yàn)法對成型因素進(jìn)行綜合考慮。

(1) 試驗(yàn)指標(biāo)：最大減薄率和最大增厚率可以通過量化結(jié)果清晰的反映出坯料的變形情況和工件的成形質(zhì)量[4-5]，因而選用最大減薄率和最大增厚率作為試驗(yàn)指標(biāo)。

(2) 試驗(yàn)因素與水平：壓邊力、板料厚度、摩擦系數(shù)和凸凹模間隙是否合理是引起起皺或拉裂問題主要因素[6-8]。根據(jù)制件結(jié)構(gòu)和DP500鋼材的特性對以上四因素進(jìn)行水平設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如圖表1所示。

表1 對影響制件拉深結(jié)果的水平因素設(shè)置表

(3) 正交試驗(yàn)表

表2 正交試驗(yàn)的方案

(4) 基于Dynaform的正交試驗(yàn)

運(yùn)用NX軟件對DP500方形盒件進(jìn)行建模，并以step格式導(dǎo)出。將保存的文件導(dǎo)入有限元分析工程中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。利用制件模型采用offset方式依次獲取punch、die、binder。完成壓邊圈的定義后在“Sheet Forming”中單擊“Positioning...”，對模具各部分進(jìn)行定位。通過工具欄中的“Left View”及“Fill Creen”按鈕調(diào)整好視角觀察模具各部分所在的位置，完成參數(shù)設(shè)置和工具定位。運(yùn)行“Preview/An-

imation”命令，如圖5所示確認(rèn)設(shè)置無誤提交運(yùn)算。

圖4 導(dǎo)入后的凹模模型

圖5 模擬運(yùn)動過程

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓邊力對方形盒件拉深質(zhì)量影響

壓邊力是影響制件拉深成型的重要因素之一，不同大小的壓邊力對制件成型會產(chǎn)生不同的影響，在模具設(shè)計(jì)過程中需要選取合適大小的壓邊力，才能使模具設(shè)計(jì)完成后，對制件生產(chǎn)制造產(chǎn)生有利的影響。利用dynaform模擬分析以后得到模擬拉深過程的結(jié)果。固定其它因素，不同壓邊力時模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和圖7所示。

表3 不同壓邊力試驗(yàn)表

通過圖6可以看出在一定范圍內(nèi)壓邊力并不是越大越好。方案4中凸緣起皺并且底部圓角出現(xiàn)破裂，方案3中破裂消失，但仍存在起皺。方案3成形質(zhì)量良好，方案4成型質(zhì)量介于方案2和方案3之間。結(jié)合表3可以看出方案3中制件的拉深效果最好。結(jié)果表明，壓邊力大小也是制件拉深成型中的重要因素，壓邊力過大導(dǎo)致拉伸力過大引起底部破裂，壓邊力過小則會導(dǎo)致邊緣起皺，在進(jìn)行沖壓生產(chǎn)時應(yīng)嚴(yán)格控制壓邊力的大小。

圖6 壓邊力對板料拉深成形的影響

圖7 極限成形的結(jié)果圖

3.2 摩擦系數(shù)對方形盒件拉深質(zhì)量影響

摩擦系數(shù)是由潤滑條件決定的，也是影響制件拉深成型的重要因素之一，不同的摩擦系數(shù)對制件成型會產(chǎn)生不同的影響，在模具設(shè)計(jì)過程中需要選取合適的潤滑條件，才能使模具設(shè)計(jì)完成后，對制件質(zhì)量產(chǎn)生有利的影響。同樣的，通過模擬試驗(yàn)時，在其他因素不變的情況下觀察摩擦系數(shù)這一點(diǎn)對制件成形的影響。有限元分析結(jié)果如表4所示。

表4 不同摩擦系數(shù)試驗(yàn)表

通過表4可以看出在摩擦系數(shù)并不是越大越好，在一定范圍內(nèi)，隨著摩擦系數(shù)的增大制件的拉深質(zhì)量越來越低。從上表可以看出方案1中制件的拉深效果最好?？梢娫趬哼吜?、板料厚度和凸凹模間隙不變的情況下，在一定范圍內(nèi)摩擦系數(shù)越大成形質(zhì)量越差。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 直觀分析：為了合理量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)最大減薄量和最大增厚量對成型質(zhì)量的影響程度，設(shè)定以下公式即：影響因子=4×減薄量+1×增厚量，由此，計(jì)算得出每次試驗(yàn)的影響因子，得到正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的直觀分析表(如表5)，根據(jù)直觀分析表繪制效應(yīng)曲線圖8。

表5 直觀分析表

通過觀察模擬分析的效應(yīng)曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)壓邊力和摩擦系數(shù)的影響是一直上升的，其他兩個因素的影響是先下降再上升，其中板料厚度的大小影響最顯著，凹凸模間隙雖然沒有變化，但也隨著其他因素的變化有著不同的影響。對比九次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凹凸模間隙為2.1 mm，壓邊力=30 kN，摩擦系數(shù)為0.2，板料厚度為2 mm時，拉深制件表現(xiàn)出較好的成形性，能夠安全的完成拉深工序。

圖8 效應(yīng)曲線圖

(2) 方差分析如表6所示，可以發(fā)現(xiàn)在此次的正交試驗(yàn)中，摩擦系數(shù)的偏差平方和最大，凸凹模間隙的偏差平方和最小，這里凸凹模圓角半徑不變，故不考慮其影響。所以，摩擦系數(shù)水平最分散，凸凹模間隙水平最集中。從F比中可以發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)的大小對最小厚度的影響最大，壓邊力次之，板料厚度和凸凹模間隙對最小厚度的影響較小，但差距并不明顯，與直觀分析得到的結(jié)果相同。通過本次試驗(yàn)及其分析，可以得出摩擦系數(shù)對于零件成形時的變薄和拉裂有著較大的影響，其余因素次之，故得出最佳的成形參數(shù)為試驗(yàn)2的方案。

表6 方差分析表

4 結(jié)論

(1) 壓邊力對拉深成形質(zhì)量具有重要的影響租用。成型過程中應(yīng)合理控制壓邊力大小。壓邊力過大導(dǎo)致拉伸力過大引起底部破裂，壓邊力過小則會導(dǎo)致邊緣起皺。

(2) 成型過程中選擇合適的潤滑方式十分必要。在壓邊力、板料厚度和凸凹模間隙等條件不變的情況下，在一定范圍內(nèi)摩擦系數(shù)越大成形質(zhì)量越差。

(3) DP500盒形制件在凹凸模間隙為2.1 mm，壓邊力為30 kN，摩擦系數(shù)為0.2，板料厚度為2 mm時獲得最佳成形質(zhì)量，研究結(jié)果可提供模具制造和成型控制的有效參考。

[1] 陳傳勝.盒形件拉深角部變形區(qū)的應(yīng)力解析[J].機(jī)電工程，2007，24( 3)： 50-64.

[2] 張冬娟.板料沖壓成形回彈理論及有限元數(shù)值模擬研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2006.

[3] 王秀鳳，郎利輝.板料成形CAE設(shè)計(jì)及應(yīng)用—基于Dynaform(第二版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)，2010.

[4] 高軍，郝濱海，李輝平.模具設(shè)計(jì)及CAD[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5] 陳傳勝.盒形件拉深角部變形區(qū)的應(yīng)力解析[J].機(jī)電工程，2007，24( 3) : 61- 63.

[6] 張霞.模具制造工藝學(xué)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[7] 張冬娟.板料沖壓成形回彈理論及有限元數(shù)值模擬研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2006.

[8] 陳文亮.板料成形CAE分析教程.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Study on Deep Drawing Process of Dual Phase Steel Square Box

FENG Hai-mei，DONG Rui-hua,YOU Wei

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

Dual Phase steel has been widely used in automotive industry, and Dual Phase steel forming performance is an essential reference for forming control and mold manufacturing. In this paper, deep drawing process of square box made with DP500 steel was taken as research object, blank holding force, friction coefficient, blank thickness and clearance between punch and die were comprehensively considered based on numerical analysis, using orthogonal experimental test. Result shows that blank holding force and friction coefficient have an important influence on Dual Phase steel forming ability, and the best forming performance of DP500 square box was obtained in the condition that blank holding force is 30 kN, friction coefficient is 0.2, blank thickness is 2mm and clearance between punch and die is 2.1mm, which offers valuable reference for duplex steel drawing process controlling and mold manufacturing.

Square box; Dual Phase Steel;DP500；Dynaform

2016-03-17

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142014044)

馮海美(1988-)，女，山東濰坊人，碩士，華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教師。研究方向：注塑成型，金屬成型模擬。E-mail：haimeifeng107@163.com

TG386

A

1672-7169(2016)03-0081-06