高強鋼板彎曲成形界面壓力變化規(guī)律及黏模行為

董文正，徐令林啟權(quán)

（1. 湘潭大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 湘潭，411105；2. 湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410082）

高強鋼板彎曲成形界面壓力變化規(guī)律及黏模行為

董文正1，2，徐令1，林啟權(quán)1

（1. 湘潭大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 湘潭，411105；
2. 湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410082）

以汽車用高強鋼板DP600為研究對象，采用數(shù)值模擬與工藝試驗相結(jié)合的方法研究彎曲變形模式下成形界面壓力分布規(guī)律及其黏模行為。研究結(jié)果表明：在高強鋼板彎曲成形過程中，凹模圓角的接觸壓力存在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)2個階段，分別對應(yīng)著磨損嚴(yán)重的2個區(qū)域：0～10°和30°～50°。經(jīng)過200次彎曲成形實驗后，凹模圓角0～10°和30°～50° 2個區(qū)域的Ry較大，表明該區(qū)域黏模行為較嚴(yán)重，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可行性與有效性。

高強鋼板；彎曲成形；界面壓力；黏模行為

近年來，由于節(jié)能、安全、環(huán)保的需要，汽車輕量化已成為世界汽車發(fā)展的主題。汽車用高強鋼（HHS）因其獨特的深拉深性、高強度、烘烤硬化性等諸多優(yōu)點，逐漸取代了普通低碳鋼冷軋鋼板，在輕量化汽車用材料中占據(jù)越來越高的比例［1-3］。但是，汽車用高強鋼強度的增大使它的沖壓成形性能變差，特別是在汽車零件復(fù)合變形模式下，模具和工件表面容易產(chǎn)生黏合、磨損及劃痕等缺陷，即產(chǎn)生黏模行為。黏模行為嚴(yán)重影響了模具使用壽命和工件表面質(zhì)量，給企業(yè)造成經(jīng)濟損失。有關(guān)黏模行為的研究主要集中在特定的摩擦磨損實驗裝置上，如銷-盤、滑塊-平板、帶材拉伸-彎曲（PTU）和壓筋拉延等傳統(tǒng)實驗裝置［4-6］。目前有關(guān)高強鋼板成形過程中的黏模行為，特別是考慮板料實際變形特性的黏模機理，研究尚不充分。儲家佑等［7-8］分析了拉深模黏結(jié)瘤的形成過程，并總結(jié)了黏結(jié)瘤的特點及其黏著部位。WANG等［9-10］對沖壓成形拉毛行為進行了系統(tǒng)研究，分析了模具表面形貌演化、模具硬度等因素對拉毛行為的影響，并建立了抑制高強鋼板成形表面損傷的模具參數(shù)匹配窗口，嘗試通過選擇不同的模具材料及模具表面處理以減小拉毛缺陷。PEREIRA等［11-13］系統(tǒng)研究了U形彎曲過程中模具凹模圓角部位接觸壓力分布規(guī)律，認(rèn)為瞬態(tài)的接觸壓力峰值是影響后續(xù)黏模行為的關(guān)鍵因素，王成勇等［14］也得到了類似結(jié)論。本文作者對方盒拉深成形過程的宏觀黏模行為進行了大量的試驗研究，發(fā)現(xiàn)拉深凹模黏模區(qū)域不一定都發(fā)生在凹模頸部區(qū)域［15-16］。CHRISTIANSEN等［17-19］認(rèn)為：在單純的拉深變形模式下，黏模主要發(fā)生在凹模圓角0°～20°和50°～70° 2個區(qū)域。然而，有關(guān)高強鋼板在不同變形模式下的沖壓成形黏模機制的研究尚不充分。本文作者通過數(shù)值仿真和實驗驗證對比的方法對彎曲變形模式下的宏觀黏模行為進行了研究，以探索沖壓模具的磨損行為并為實際沖壓生產(chǎn)工藝提供一定的指導(dǎo)。

1 U型彎曲成形的有限元模擬及理論分析

1.1 有限元模型與結(jié)果

利用有限元軟件DEFORM-2D對U型彎曲變形過程中的界面壓力分布規(guī)律及黏模行為進行數(shù)值模擬分析。圖1所示為U型彎曲變形的有限元模型及網(wǎng)格劃分示意圖?？紤]到U型彎曲的對稱性，為了提高模擬計算效率，取整個模型的1/2進行計算。模擬類型設(shè)置為平面應(yīng)變類型，網(wǎng)格類型設(shè)置為四面體單元，板料網(wǎng)格數(shù)為1 400，凹模網(wǎng)格數(shù)量為2 000，利用軟件自帶的網(wǎng)格密度窗口工具對模具（凹模圓角部分）與板料（法蘭部分）的主要變形區(qū)域進行網(wǎng)格密度重劃分，劃分比例為0.001：0.01：0.1。其中彎曲凸模、壓邊圈設(shè)置為剛體，凹模與板料設(shè)置為彈塑性體，成形速度設(shè)為20 mm/min。

圖2所示為U型彎曲成形過程中模具圓角界面接觸壓力的演化規(guī)律。利用DEFORM軟件中點跟蹤工具，每隔0.5°取點1次，然后將結(jié)果導(dǎo)出至Matlab中實現(xiàn)平面云圖的可視化。由圖2可知：隨著彎曲行程的增加，界面接觸壓力區(qū)域主要集中在 2個區(qū)域：1） 0～10°之間的穩(wěn)態(tài)區(qū)，該區(qū)幾乎存在于整個沖壓行程中，相對滑移距離長，界面接觸壓力分布比較均勻；2） 彎曲初期至彎曲中期覆蓋大部分凹模圓角的瞬態(tài)區(qū)，該區(qū)界面接觸壓力分布變化較大。

圖2 U形彎曲變形過程中凹模圓角界面壓力演化規(guī)律Fig.2 Distribution of contact pressure in bending process

圖3所示為不同成形階段凹模圓角的界面接觸壓力分布規(guī)律。由圖3可知：整個彎曲成形程中，凹模圓角界面接觸壓力分布是時刻變化的，2個接觸壓力峰值之間是不連續(xù)的。當(dāng)彎曲凸模剛開始接觸板料下行時，整個凹模圓角區(qū)域界面接觸壓力只在接觸區(qū)域0～10°之間有一個應(yīng)力峰值，約為360 MPa；隨著彎曲行程的增加，對應(yīng)的凹模圓角區(qū)域出現(xiàn)2個應(yīng)力峰值，分別約為350 MPa與450 MPa，第1個峰值為穩(wěn)態(tài)區(qū)峰值，第2個峰值為瞬態(tài)區(qū)峰值，并且2個接觸壓力峰值之間存在接觸力為零的狀態(tài)；隨著彎曲行程的進一步增加，瞬態(tài)區(qū)的峰值迅速上升，高達(dá)1 000 MPa；成形至彎曲后期時，瞬態(tài)區(qū)的峰值逐漸下降，直至整個彎曲成形過程結(jié)束。瞬態(tài)區(qū)的峰值壓力幾乎分布于整個凹模圓角。

由以上分析可知：以往的研究主要集中在穩(wěn)態(tài)區(qū)域的界面接觸壓力上，而忽視了瞬態(tài)區(qū)域的界面接觸應(yīng)力的變化。在模具設(shè)計與受力校核的時候，常采用的是穩(wěn)態(tài)區(qū)域的界面接觸壓力，因此低估了界面的真實接觸壓力，導(dǎo)致模具過早的失效。因此，正確理解和評估板料/模具彎曲成形過程中的界面接觸壓力行為，對彎曲成形工藝、模具設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

圖3 U型彎曲不同變形階段凹模圓角界面壓力分布規(guī)律Fig.3 Distribution of contact pressure in bending process with different steps

1.2 彎曲變形過程中凹模圓角處的磨損行為

將有限元與Archard磨損模型進行耦合。圖4所示為彎曲變形過程中凹模圓角處模具磨損深度的變化規(guī)律。由圖4可知：整個凹模圓角型面也存在0～10°和30°～50° 2個嚴(yán)重的磨損區(qū)域。這與穩(wěn)態(tài)區(qū)、瞬態(tài)區(qū)接觸壓力分布相對應(yīng)。說明穩(wěn)態(tài)區(qū)和瞬態(tài)區(qū)分別是造成凹模圓角0～10°和30°～50°磨損的直接原因。因此，在實際模具設(shè)計當(dāng)中，必須著重考慮這2個區(qū)域的抗磨損性能，以防模具局部嚴(yán)重磨損導(dǎo)致整個模具失效、報廢。

圖4 U型彎曲成形凹模圓角磨損深度FEM預(yù)測結(jié)果Fig.4 FEM result of wear depth at die radius in bending process

1.3 理論分析與討論

上述有限元結(jié)果顯示的彎曲成形界面的接觸壓力分布規(guī)律雖然很難從試驗上加以驗證，但是，通過彎曲過程的力學(xué)理論分析，可以進一步加深對成形界面接觸壓力分布規(guī)律的認(rèn)識。

圖5所示為U型彎曲過程中凹模圓角界面接觸狀態(tài)示意圖。由圖5（a）可知：在彎曲角度很小的情況下，可以近似為單點彎曲成形（接觸點為A）。這種情況下，板料外層在拉力F與彎矩M的作用下發(fā)生塑性變形，板料內(nèi)層接觸點附近兩側(cè)也發(fā)生不同程度的塑性變形。該接觸點位置的外層切向應(yīng)力 σθ達(dá)到板料的屈服應(yīng)力 Y，內(nèi)層為壓應(yīng)力，接觸點兩側(cè)的切向應(yīng)力值也達(dá)到屈服應(yīng)力 Y。徑向應(yīng)力σρ則應(yīng)由最外層表面0 Pa（該處為自由表面）增大到 pα。由于是寬板彎曲成形，因此，它是一個平面應(yīng)變問題，寬度方向應(yīng)變可近似作0處理，而應(yīng)力狀態(tài)是立體的，因此，內(nèi)層接觸壓力非常大，通過應(yīng)力莫爾圓可知：該界面接觸壓力 pα同樣大于屈服應(yīng)力Y。這與滑移線模型提出的表面塑性變形區(qū)一致。

當(dāng)彎曲凸模繼續(xù)下行，由于板料剛度和凸模成形力的不匹配，成形接觸界面由單點接觸彎曲變成兩點接觸彎曲，如圖5（b）所示。此時，接觸點之間的板料與彎曲凹模分離，并在拉力F與彎矩M的作用下產(chǎn)生“V”型彎曲，相當(dāng)于2點同時在進行懸臂梁彎曲，在表面產(chǎn)生塑性變形。此時，凹模原初始點位置（凹模圓角 0°方向）的板料內(nèi)外表層材料切向應(yīng)力首先達(dá)到屈服點（應(yīng)力莫爾圓直徑為Y），并逐步向中性層擴展。該點由于沒有和凹模型面接觸，其成形界面接觸壓力pα為0 Pa。而β角處的B點，其接觸狀態(tài)與初始階段的A點相似，內(nèi)外層切向應(yīng)力 σθ均達(dá)到屈服應(yīng)力Y。徑向應(yīng)力σρ由最外層表面 0 Pa（該處為自由表面）增大到 pα。且界面接觸壓力 pα也大于材料的屈服應(yīng)力Y。

圖5 彎曲過程中凹模圓角界面接觸狀態(tài)示意圖Fig.5 Contact conditions at die radius in bending process

上述討論的彎曲成形初始階段A位置對應(yīng)著成形界面接觸壓力的穩(wěn)態(tài)區(qū)域。后續(xù)階段B點滑過的區(qū)域，對應(yīng)著成形界面接觸壓力的瞬態(tài)區(qū)域，且該區(qū)域接觸壓力相對較高，是導(dǎo)致 30°～50°區(qū)域嚴(yán)重磨損的主要因素之一。

2 U型彎曲成形試驗驗證

為了驗證有限元模擬結(jié)果的有效性，選擇Ry作為黏模行為的評估標(biāo)準(zhǔn)［20］。對稱選取凹模圓角四處待測量部位，利用線切割編程，依次通過整體取塊、圓角部位9等份切割（平均每10°切1小塊）獲取試樣小塊，試樣小塊取樣寬度為5 mm，按圓角半徑為R8計算的話，每個取樣小塊約為1.25 mm（考慮到每次線切割誤差大約有0.1 mm）。由于待測試樣比較小，通過外置小夾具把它夾穩(wěn)，依次置于粗糙度試驗臺進行表面形貌測量與觀察。圖6所示為彎曲凹模圓角取塊分析測定示意圖。

圖7所示為彎曲成形次數(shù)N=200時彎曲凹模圓角各部分Ry分布情況。由圖7可知：0～10°和30～50° 2個區(qū)域平均Ry為其他區(qū)域的2倍左右，此時可以預(yù)測該2個區(qū)域明顯發(fā)生了嚴(yán)重的黏模行為。這與上述有限元模擬結(jié)果相一致，說明Archard黏模評價方法以及評價指標(biāo)Ry均能夠較好地預(yù)測黏模行為。

圖6 彎曲凹模圓角取塊分析測定示意圖Fig.6 Diagram of bending die for tests

圖7 彎曲凹模圓角Ry分布規(guī)律Fig.7 Distribution of Ryat die radius

3 結(jié)論

1） 在高強鋼板彎曲成形的整個過程中，界面壓力在凹模型面上的分布存在2個特征區(qū)域：一是峰值壓力較高，主要分布在凹模圓角起始位置的瞬態(tài)區(qū)；二是峰值壓力較低，覆蓋凹模圓角大部分區(qū)域的穩(wěn)態(tài)區(qū)。

2） 實驗得到的 Ry在凹模圓角的分布與數(shù)值模擬結(jié)果相一致，表明高強鋼板彎曲成形過程中凹模圓角主要黏模區(qū)域集中在0°～10°和30°～50°，并且2個黏模嚴(yán)重區(qū)域的形成與成形界面壓力分布存在很大的相關(guān)性。

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（編輯 陳愛華）

Contact pressure and galling behavior at die radius in bending process with high strength steel sheet

DONG Wenzheng1，2， XU Ling1， LIN Qiquan1

（1. School of Mechanical Engineering， Xiangtan University， Xiangtan 411105， China；2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University，Changsha 410082， China）

The galling behavior on the tool/HSS interface was investigated by numerical simulation and experimental test. The results show that two typical contact pressure responses， called transient response and steady-state response，correspond to the galling zone： 0-10° and 30-50° at die radius respectively. Besides， the evaluation index Ryon the region of 0-10° and 30-50° at die radius is larger than the other zones after 200 bending times， which refers to the galling zone. The experimental results coincide well with the numerical simulation results， which certifies the validity and feasibility of those two methods.

high strength steel sheet； bending； contact pressure； galling behavior

TG386.3

A

1672-7207（2016）05-1513-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.009

2015-07-11；

2015-09-25

國家自然科學(xué)基金資助項目（51175445）；湖南省自然科學(xué)基金資助項目（14JJ2066）；汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室開放基金資助項目（31515011） （Project（51175445） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project（14JJ2066）supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province； Project（31515011） supported by the State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body）

林啟權(quán)，教授，博士生導(dǎo)師，從事塑性成形理論及數(shù)值模擬研究；E-mail： xtulqq@163.com