數(shù)值模擬計算熱沖壓過程模具磨損

史和娣,錢宇鋒

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)部,江蘇 句容 212400;2.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢 430068)

隨著汽車工業(yè)、建筑和航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)鋼板綜合性能要求的提高,開發(fā)出這種具有特殊用途的鋼板所需要的模具,也相應(yīng)地對其成形過程提出了較高的要求。在成形工藝較為復(fù)雜的高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)與開發(fā)過程中,模具的磨損是最為常見的失效方式之一,而模具的磨損失效在很大程度上會影響生產(chǎn)工期、增加生產(chǎn)成本等,因此有必要對模具鋼的磨損進(jìn)行系統(tǒng)研究。在此基礎(chǔ)上,本文基于常用的Archard方程[1],建立了高強(qiáng)鋼熱沖壓過程中H13模具磨損模型,通過分析單次沖壓和連續(xù)沖壓條件下凹模磨損特征,得到了不同工藝參數(shù)對模具磨損的影響規(guī)律,為提高高強(qiáng)鋼成形質(zhì)量和改善模具使用壽命方面提供了必要參考。

1 模具磨損模型

1.1 磨損量計算

模具磨損量的計算方法中應(yīng)用較為廣泛的是Archard方程:V=Ks·F·L/H,其中V為模具磨損體積,Ks為磨損系數(shù),L為使用過程中滑動的距離,F表示模具在法向的載荷,H表示所采用的材料的布氏硬度。本文在Archard方程的基礎(chǔ)上,將模具磨損體積計算公式轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|應(yīng)力的計算公式,即hi=∑Kd·Pi,T·(Li,T′-Li,T).式中：接觸應(yīng)力Pi，T為T時刻i節(jié)點(diǎn)的接觸應(yīng)力[2]；(Li,T′-Li,T)為T′和T時刻在節(jié)點(diǎn)i的位移差；hi為平均磨損體積時i節(jié)點(diǎn)在某時刻的磨損高度[3]。本文所選用的模擬對象為熱成形模具中凹模圓角的磨損(凸模沖程28 mm、沖壓時間3 s)。

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

擬定模擬過程中使用的沖壓板為彈性模量為200 GPa的B1500HS,模具與壓邊圈材料為H13模具鋼,彈性模量為210 GPa。模擬過程中模型中凹模和壓邊圈都為剛體,模型采用CPE4RT單元(四結(jié)點(diǎn)熱耦合平面應(yīng)變四邊形單元[4]),具體網(wǎng)格劃分如表1所示。

表1 有限元模型網(wǎng)格劃分Table 1 Mesh division of finite element model

模型中設(shè)定環(huán)境溫度為常溫,并設(shè)定熱成形過程中的冷卻水道和模具的界面溫度與水溫相同,假定表面換熱百分比為50%。共分兩步進(jìn)行分析步設(shè)置[5]:

1)板料沖壓階段,分析步時間為3 s;

2)保壓階段,分析步時間為10 s。

模具磨損累積量的計算模擬過程中,前一次沖壓得到的模具溫度場數(shù)值導(dǎo)入后一次沖壓開始前的模具磨損模型中,以得到10次磨損的累積值和單次值。模擬過程中的摩擦系數(shù)設(shè)定為[6]:壓力20 N時摩擦系數(shù)為0.372 1;壓力50 N時摩擦系數(shù)為0.346 3;壓力80 N時摩擦系數(shù)為0.302 9;壓力100 N時摩擦系數(shù)為0.273 9。

2 模擬結(jié)果與分析

在上述模具磨損模型的基礎(chǔ)上,設(shè)定初始板料溫度為890 ℃、壓邊力為0.6 MPa,B1500HS試件形狀為U型件,沖壓次數(shù)為連續(xù)10次熱沖壓,并在容易發(fā)生磨損的凹模圓角區(qū)位置設(shè)定20個節(jié)點(diǎn)如圖1(a)所示,沖壓方向如圖中箭頭所示;根據(jù)上述模具磨損模型計算得到了凹模中各個節(jié)點(diǎn)在連續(xù)10次熱沖壓后的磨損累積量如圖1(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在連續(xù)熱沖壓過程中,每個節(jié)點(diǎn)單次磨損量有一定差異,這可能是由于板料與模具初期接觸不穩(wěn)定有關(guān)[7]。從累積磨損量來看,節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)14位置的累積磨損量相對較高,而節(jié)點(diǎn)6～12位置的累積磨損量相對較低。

圖1 凹模節(jié)點(diǎn)分布(a)和沖壓磨損累積量(b)Fig.1 Distribution of the concave die nodes (a) and the punch wear accumulation (b)

圖2為凹模不同節(jié)點(diǎn)位置在任意單次熱沖壓后的單次磨損量變化曲線。凹模中20個節(jié)點(diǎn)的單次磨損量,在模具磨損進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后出現(xiàn)雙峰特征。這也就說明在節(jié)點(diǎn)2～4位置以及節(jié)點(diǎn)14～16位置處的磨損較為嚴(yán)重,而其它節(jié)點(diǎn)位置的磨損相對較輕。此外,在第1次至第10次沖壓過程中,凹模節(jié)點(diǎn)20處的磨損量都很小。

圖2 凹模不同節(jié)點(diǎn)位置的單次磨損量Fig.2 Single wear of different node positions in die

在對高強(qiáng)鋼熱沖壓過程中,板料初始溫度是熱沖壓工藝中的重要參數(shù),因此有必要對板料溫度為H13模具磨損量的影響進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖3所示。設(shè)定板料初始溫度為870 ℃～960 ℃,每間隔30 ℃為一個溫度值,壓邊力設(shè)定為0.6 MPa。從模擬結(jié)果來看,不同板料初始溫度下不同節(jié)點(diǎn)位置處的單次磨損量變化幅度不大。也就是說明,初始板料溫度對H13模具磨損量的影響相對較小。這主要是由于高溫作用下板料的加工硬化效果并不明顯,而且高溫下的板料會發(fā)生軟化,使得流動阻力降低,反映在磨損量上則有所減小。

模具間隙也是影響H13模具磨損的重要參數(shù)之一,如果模具間隙太大,熱沖壓成形件會產(chǎn)生開裂、起皺等缺陷,圖4中模擬得到了模具間隙對H13模具磨損量的影響,圖中設(shè)定板料厚度為t=1 mm,模具間隙分別為0.9t～1.2t。根據(jù)模擬結(jié)果可知,模具間隙為1.2t時,在凹模節(jié)點(diǎn)5～13位置的磨損量要相對模具間隙為1t和1.1t時的磨損量更小,并且相對更加穩(wěn)定;而模具間隙為0.9t時的磨損波動幅度較大。綜上而言,在不影響熱沖壓板材成形質(zhì)量的基礎(chǔ)上,通過增加板料和模具間的模具間隙可以對H13模具的磨損起到有效預(yù)防和減緩的作用。

圖5 壓邊力對H13模具磨損量的影響Fig.5 Effect of blank holder force on wear of H13 die

板料在熱成形過程中,壓邊力的大小可以決定流動阻力的大小,因此對模具磨損也有重要的影響,圖5為不同壓邊力對H13模具磨損量的影響曲線(壓邊力在0～1.5 MPa)?？梢钥闯?隨著壓邊力從0 MPa增加至1.5 MPa,H13模具的單次磨損量呈現(xiàn)逐漸增加的特征。這可能是因為板料與模具間的摩擦系數(shù)雖然會隨著壓邊力增大而減小,但是摩擦系數(shù)的減小程度要遠(yuǎn)低于壓邊力增加幅度,因此反映在接觸應(yīng)力上則表現(xiàn)為隨著壓邊力的增加接觸應(yīng)力不斷增大,并使得凹模磨損量的增大。

3 結(jié)論

通過對以上模擬結(jié)果的分析，得出不同板料初始溫度下不同節(jié)點(diǎn)位置處的單次磨損量變化幅度不大,初始板料溫度對H13模具磨損量的影響相對較?。煌ㄟ^增加板料和模具間的模具間隙可以對H13模具的磨損起到有效預(yù)防和減緩的作用；隨著壓邊力從0 MPa增加至1.5 MPa,H13模具的單次磨損量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。