非勻速?zèng)_壓對(duì)厚板回彈的影響?

張亞岐，胡文治，穆傳坤，阮楹妍，尚 凱，殷 婷，李夢(mèng)明

(東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，武漢 430058)

前言

厚板件在汽車(chē)上一般用作承力件，如前托架、三角臂半殼、加強(qiáng)板、扭力梁帶鉸接總成和彈簧座等，這些件作為功能件，其型面復(fù)雜性受周?chē)h(huán)境件影響較大。為適應(yīng)汽車(chē)輕量化總體要求，周?chē)h(huán)境件布置更加緊湊，從而導(dǎo)致這些功能件型面復(fù)雜、細(xì)節(jié)特征繁多，致使厚板件的工藝越發(fā)復(fù)雜。成型不足或回彈過(guò)大都有可能導(dǎo)致厚板件在后續(xù)焊接工序中形成附加的殘余應(yīng)力，影響其使用壽命或功能，比如后扭力橫梁若成型不足或回彈大，會(huì)使整個(gè)扭力梁剛性不足，這將影響扭力梁的側(cè)向力疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞和扭轉(zhuǎn)剛度，因此，控制厚板回彈對(duì)提升功能件的可靠性有重要意義。改善厚板沖壓工藝方案控制回彈是提升厚板沖壓質(zhì)量的有效途徑之一。

在現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中，厚板軋制質(zhì)量的一致性較差，一般采用勻速?zèng)_壓，對(duì)于腹面水平的梁類(lèi)件而言，勻速?zèng)_壓對(duì)其結(jié)果影響不大，而腹面存在較大高差的梁類(lèi)件沖壓時(shí)，存在一定的沖擊效應(yīng)，過(guò)大的沖擊效應(yīng)會(huì)破壞板材初始的應(yīng)力分布，而沖壓速度直接決定沖擊效應(yīng)的結(jié)果，速度過(guò)快，沖擊效應(yīng)顯著，不利于產(chǎn)品質(zhì)量；速度過(guò)小，效率較低。文獻(xiàn)[1]中對(duì)壓機(jī)實(shí)際沖壓速度與沖壓件斷面質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行研究，認(rèn)為一味地降低沖壓速度對(duì)提高斷面質(zhì)量并非可行。文獻(xiàn)[2]中運(yùn)用數(shù)值模擬并結(jié)合拉深試驗(yàn)，分析不同沖壓速度對(duì)高強(qiáng)鋼拉深極限系數(shù)的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)沖壓速度達(dá)到60mm/s時(shí)易出現(xiàn)拉深開(kāi)裂，當(dāng)拉深深度超過(guò)10mm后再提升沖壓速度，可減少開(kāi)裂。文獻(xiàn)[3]中針對(duì)鋼制車(chē)輪輪輻中厚板的沖壓成型，采用Deform對(duì)其成型性進(jìn)行分析，總結(jié)出沖壓速度、凹模圓角半徑和摩擦條件對(duì)成型載荷的影響規(guī)律，并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該工藝方案的可行性。依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征設(shè)定合理的沖壓速度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提升極為有利，為最大限度地降低沖擊效應(yīng)、提高產(chǎn)品尺寸精度，本文中對(duì)梯型、正弦型和偏正態(tài)型速度曲線進(jìn)行研究，給出了不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理沖壓速度范圍，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這種方法能最大限度地降低由厚板軋制質(zhì)量的不一致性和結(jié)構(gòu)多樣性引起的成型沖擊效應(yīng)，尺寸的穩(wěn)定性得到一定提升。

1 厚板回彈控制和3種速度模型

1.1 厚板特性分析

厚板與薄板存在一定差異，目前厚板分析理論[4-6]尚不完善，而薄板分析理論又不能完全適用于厚板，致使厚板分析缺少理論判據(jù)。與薄板相比，厚板成型有如下特點(diǎn)：

(1)材料機(jī)械性能的差異 厚板型材具有屈服強(qiáng)度高、料厚一致性差、表面質(zhì)量差和延伸率低等特點(diǎn)[7]，致使其在汽車(chē)上應(yīng)用范圍受限，無(wú)法應(yīng)用在外觀件和覆蓋件中；

(2)強(qiáng)度高 厚板一般用作承力件，強(qiáng)度較高，導(dǎo)致成型力增加，模具使用壽命明顯縮短；

(3)模具壽命的不同 厚板件一般是熱軋高強(qiáng)度鋼板材料，成型時(shí)所需的壓機(jī)噸位更大，模具磨損嚴(yán)重，使用壽命短，且在工作過(guò)程中噪聲較大，加工環(huán)境較為惡劣。

此外，厚板的成型回彈模擬與薄板存在很大差異[8-10]，主要體現(xiàn)在材料、厚度和摩擦條件等方面。

1.2 厚板回彈控制

厚板件與薄板件在強(qiáng)度、型面復(fù)雜性、焊接特性均存在一定差異，因此，其回彈控制也有別于薄板，厚板件的回彈控制主要有以下幾種方法：

(1)調(diào)整圓角R 調(diào)整圓角R小于設(shè)計(jì)值，通過(guò)局部整形改善彎曲部位內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分布，從而實(shí)現(xiàn)減小回彈的目的；

(2)取消凹模上翻邊成型圓角 該方法能保證翻邊圓角成型充分，抑制回彈；

(3)在凸模上設(shè)置回彈槽 通過(guò)增加翻邊高度來(lái)控制回彈，但須進(jìn)行后續(xù)的修邊處理；

(4)多次成型 多次成型通過(guò)降低沖壓件的內(nèi)應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)回彈控制，多次成型增加了模具數(shù)量，成本增加；

(5)局部分區(qū)壓料 合理布置壓料區(qū)可降低回彈；

(6)增加翼面特征 通過(guò)增加防回彈加強(qiáng)筋來(lái)抑制回彈；

(7)負(fù)回彈 對(duì)模具進(jìn)行加工處理，使產(chǎn)品產(chǎn)生負(fù)回彈，模具分離后，制件的回彈抵消成型時(shí)回彈；

(8)C型面回沖 采用C型面回沖方法有效減小回彈量。

1.3 沖壓速度對(duì)厚板回彈的影響

厚板對(duì)沖壓速度較為敏感，沖壓速度過(guò)快會(huì)產(chǎn)生明顯的沖擊效應(yīng)，由于厚板軋制質(zhì)量差，故在成型最初階段板材內(nèi)應(yīng)力分布不均，使后續(xù)回彈難以控制，且沖壓過(guò)程中模具閉合時(shí)間較短，而厚板材料流動(dòng)性較差，有可能樣件尚未成型充分，凸凹模已經(jīng)分離，圓角部位成型不充分，回彈會(huì)增大，這種沖擊效應(yīng)對(duì)腹面高度差較大的零件表現(xiàn)尤為突出，但沖壓速度的提升在一定程度上能提高生產(chǎn)效率；沖壓速度減慢能改善產(chǎn)品成型質(zhì)量，對(duì)抑制回彈有利，但速度過(guò)慢，上模退出過(guò)程中會(huì)對(duì)接觸面產(chǎn)生一定的牽拉，形成分離拉應(yīng)力，這種應(yīng)力的累積會(huì)使回彈變得更為復(fù)雜；因此，合理設(shè)置沖壓速度對(duì)厚板回彈控制有重要影響。

1.4 速度模型

由于厚板與薄板存在1.1節(jié)中所述的不同，其沖壓速度遠(yuǎn)不能達(dá)到薄板件的生產(chǎn)節(jié)拍，所以，在保證生產(chǎn)效率的前提下，盡可能提高產(chǎn)品沖壓質(zhì)量是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，而沖壓速度是其關(guān)鍵，研究沖壓速度和加載過(guò)程的合理分配是提升厚板質(zhì)量的有效途徑之一。本文中為研究沖壓速度對(duì)厚板回彈的影響，分別采用梯型、正弦型和偏正態(tài)型速度曲線，分析3種沖壓速度下厚板的回彈量，圖1示出3種速度模型。

圖1 3種速度模型

圖1 中3種速度模型的最高速度相同，梯型速度最先達(dá)到速度峰值。3種速度模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為

由于速度均是從0開(kāi)始，直到0結(jié)束，故正弦型速度曲線恰好是半個(gè)周期，設(shè)其周期為β。而對(duì)于偏正態(tài)型，式(3)中：當(dāng) t≤0 時(shí)，k＝1；當(dāng) t＞0 時(shí)，k＝0；當(dāng) 0≤c＜1 時(shí)，分布向右偏；1≤c≤2 時(shí)，分布向左偏，本文采用的是右偏型。式(1)和式(2)中vmax為峰值速度；式(3)中σ的選定應(yīng)保證速度峰值等于vmax。由于沖擊效應(yīng)產(chǎn)生在模具與板料接觸早期，當(dāng)初次接觸速度小到一定值，沖擊效應(yīng)對(duì)回彈的影響不再顯著，假設(shè)此時(shí)速度為v0，3種速度模型達(dá)到v0所需的時(shí)間分別為t1，t2和t3，壓機(jī)行程分別為s1，s2和s3，設(shè)產(chǎn)品腹面最大高差為H0，設(shè)壓機(jī)行程達(dá)到sp時(shí)，板料與模具的接觸面積占整個(gè)板料的60%，則對(duì)于厚板梁類(lèi)件總存在一個(gè)常數(shù)α，使壓機(jī)行程量sp滿(mǎn)足：

依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一般模具跟板料的接觸面積達(dá)到初始板料的60%以上時(shí)，沖擊效應(yīng)可忽略不計(jì)。為最大限度減小沖壓沖擊效應(yīng)，速度應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：v(i)為i時(shí)刻沖壓速度；Δti為時(shí)間間隔。將式(1)～式(3)代入式(5)即可得到各個(gè)速度模型關(guān)系式，待求參數(shù)為 β，α，ts0，ts1，c，k，σ 和 vmax，為得到各沖壓速度模型，預(yù)先隨機(jī)給出所有參數(shù)中值，根據(jù)后續(xù)回彈分析結(jié)果，不斷修正各參數(shù)值。

2 3種速度對(duì)厚板回彈影響分析

本文中采用dynaform軟件對(duì)厚板回彈進(jìn)行分析[11]，試驗(yàn)用產(chǎn)品數(shù)模如圖2所示。在產(chǎn)品上選取6個(gè)截面觀測(cè)回彈結(jié)果。板料劃分網(wǎng)格時(shí)，為保證計(jì)算精度和節(jié)約計(jì)算成本，圓角部位保證8個(gè)單元外，其余部位單元均做粗化處理，板料網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。材料為寶鋼的DL590，通過(guò)做拉伸試驗(yàn)獲取材料性能參數(shù)，通過(guò)3組試驗(yàn)獲取材料參數(shù)如表1所示。

圖2 產(chǎn)品數(shù)模

圖3 板料單元?jiǎng)澐?/p>

速度模型中參數(shù)變動(dòng)對(duì)回彈有一定影響，為快速尋優(yōu)，選取產(chǎn)品腹面回彈較大的斷面作為目標(biāo)值。為觀測(cè)實(shí)物應(yīng)變，預(yù)先采用激光在料片上繪制直徑為10mm的基圓，如圖4所示。繪制時(shí)應(yīng)保證兩個(gè)基圓之間的有效距離，兩基圓間距過(guò)小，產(chǎn)品變形后可能出現(xiàn)基圓重疊，對(duì)測(cè)量不利，若間距過(guò)大，變形后局部應(yīng)變不易觀測(cè)，故應(yīng)充分考慮材料的延伸率和最小圓角半徑，選擇適宜的基圓間距。通過(guò)多次試驗(yàn)，本文中選取間距值為8mm。變形后的結(jié)果如圖5和圖6所示。

一組試驗(yàn)選用相同料片，由于試驗(yàn)只調(diào)整沖壓速度，通過(guò)壓機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)成本相對(duì)較低。圖5為試驗(yàn)產(chǎn)品，圖6為局部放大圖，速度模型中的待求參數(shù)均是通過(guò)產(chǎn)品試制完成的，圖7為β值對(duì)回彈(選取產(chǎn)品的腹面)的影響，當(dāng)β值為0.7和0.8時(shí)回彈值最小，考慮到β值對(duì)沖壓效率有一定影響，在控制回彈的前提下，盡可能提高沖壓效率，故β取0.7。利用同樣的方式確定出其余待求參數(shù)。

表1 材料性能參數(shù)

圖4 基圓標(biāo)識(shí)

圖5 產(chǎn)品實(shí)物

圖6 局部放大圖

圖7 β值對(duì)回彈的影響

圖8 為3種速度模型腹面沖壓回彈結(jié)果對(duì)比。腹面選取的是圖2中斷面0，每隔200mm一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共選取10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

圖8 腹面回彈對(duì)比

從圖8可以看出，梯型速度的回彈最大，其次是偏正態(tài)，采用正弦沖壓速度時(shí)，產(chǎn)品腹面回彈值最小。圖9為圖2中斷面5回彈對(duì)比結(jié)果。

圖9表明，正弦型沖壓對(duì)翼面回彈影響最為顯著。權(quán)衡沖擊效應(yīng)、成型質(zhì)量和回彈，從理論上講：沖壓速度在初始時(shí)應(yīng)按偏正態(tài)型曲線加載，中間按梯型曲線加載，結(jié)束時(shí)按正弦型曲線加載，但這種加載方式往往導(dǎo)致速度切換瞬間產(chǎn)生較大應(yīng)力，會(huì)降低模具使用壽命，因此，考慮整個(gè)沖壓過(guò)程速度曲線的連續(xù)性和沖壓開(kāi)始階段要降低沖擊效應(yīng)而沖壓臨近結(jié)束要使產(chǎn)品成型充分的要求，將沖壓過(guò)程分為5個(gè)階段，如圖10所示。

圖9 翼面回彈對(duì)比

圖10 沖壓過(guò)程劃分

除第3階段勻速區(qū)外，其它4個(gè)階段皆取正弦曲線。通過(guò)試驗(yàn)分析，5個(gè)區(qū)對(duì)厚板回彈影響權(quán)重系數(shù)分別為 0.3，0.1，0.2，0.1 和 0.3，權(quán)重系數(shù)的定義如下。

設(shè)板料回彈量Ts與組合變量γ1和γ2存在如下關(guān)系：

式中b1，b2，C，A1和A2為待求參數(shù)。則5個(gè)階段的影響權(quán)重因子為b1A1+b2A2。依據(jù)影響權(quán)重因子可知：緩加速區(qū)對(duì)沖擊效應(yīng)影響較大，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)緩加速區(qū)，保證沖壓速度緩慢上升，降低由高速?zèng)_壓所產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)；急加速區(qū)對(duì)產(chǎn)品成型回彈影響不大，可適當(dāng)縮短，同樣應(yīng)延長(zhǎng)緩減速區(qū)時(shí)間，縮短急減速區(qū)時(shí)間。

3 結(jié)論

為研究不同速度模型對(duì)厚板回彈影響，分別對(duì)梯型、正弦和偏正態(tài)型速度曲線進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)多組沖壓過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

(1)梯型速度的回彈最大，其次是偏正態(tài)，采用正弦沖壓速度時(shí)，產(chǎn)品腹面回彈值最??；

(2)正弦型沖壓對(duì)翼面回彈影響最為顯著；

(3)將沖壓過(guò)程劃分為5個(gè)階段，即緩加速區(qū)、急加速區(qū)、勻速區(qū)、急減速區(qū)和緩減速區(qū)，且通過(guò)試驗(yàn)得出5個(gè)階段對(duì)回彈的影響度分別為0.3，0.1，0.2，0.1 和 0.3。

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