板坯落料方向?qū)︻怳型件拉深成形質(zhì)量的影響

1、板坯落料方向?qū)︻怳型件拉深成形質(zhì)量的影響摘要：分析了轎車左右后縱梁拉深成形特點(diǎn)及板料的面內(nèi)各向異性特征，應(yīng)用Barlat平面各向異性屈服準(zhǔn)則，在不改變模具幾何形狀、壓機(jī)參數(shù)和板料的機(jī)械性能的條件下，分析落料方向不同對(duì)其成形質(zhì)量的影響，提出板料抗厚向變形能力小的方向與類U型件開(kāi)口方向一致時(shí)，不增加成本可以提高沖壓件的成形質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：面內(nèi)各向異性；類U形件；落料方向 330.2mm高強(qiáng)度鋼板拉深成高度為159mm的杯形件，而采用恒定壓邊力時(shí)拉深成形高度不超過(guò)78mm。林忠欽4對(duì)轎車側(cè)框的沖壓過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，分析了側(cè)框沖壓過(guò)程中的變形狀態(tài)和穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)的選材參數(shù)，通過(guò)提高材料機(jī)械性能指標(biāo)，即提

2、高板材的硬化指數(shù)n或厚向異性指數(shù)R來(lái)改善側(cè)框的成形性能。 修改模具參數(shù)來(lái)改善產(chǎn)品的成形質(zhì)量只適合于在模具設(shè)計(jì)期間進(jìn)行；采用可變壓邊力來(lái)改善板材的成形性能則要求沖壓設(shè)備具有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，且目前具備計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制的沖壓設(shè)備還只是在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用；提高材料機(jī)械性能指標(biāo)固然可以提高產(chǎn)品成形質(zhì)量和穩(wěn)定性，但同時(shí)生產(chǎn)的成本將大大提高。 本文分析了轎車左右后縱梁拉深過(guò)程的成形特點(diǎn)，應(yīng)用Barlat屈服準(zhǔn)則5，6，根據(jù)材料的面內(nèi)各向異性特點(diǎn)，在不提高材料機(jī)械性能指標(biāo)、不改變現(xiàn)有沖壓設(shè)備條件下，分析落料方向不同對(duì)轎車左右后縱梁的成形質(zhì)量的影響。 二、Barlat屈服模型 本文仿真計(jì)算采用Barl

3、at屈服模型，該模型適用于分析平面應(yīng)力狀態(tài)下板料為面內(nèi)各向異性的彈塑性變形，如薄板沖壓成形，使用各向同性指數(shù)硬化法則，能準(zhǔn)確反映板料面內(nèi)各向異性對(duì)成形性能的影響。平面應(yīng)力下Barlat各向異性屈服準(zhǔn)則為： 2myak1+k2m+ak1-k2m+c2k2m 式中y屈服應(yīng)力 a和c各向異性材料常數(shù) mBarlat指數(shù) k1xx-hyy2 h和p附加的各向異性材料常數(shù) 對(duì)于指數(shù)硬化，材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：K(0+p)n 式中K強(qiáng)度系數(shù) 0初始屈服應(yīng)變 p塑性應(yīng)變 n硬化指數(shù) 所有的各向異性材料常數(shù)，除了p隱含定義外，都由寬厚應(yīng)變比即厚向異性指數(shù)R決定： 對(duì)于任意角度方向的寬厚應(yīng)變比可由下式計(jì)算： 式中

4、沿方向的單向拉伸應(yīng)力 當(dāng)45°時(shí)，設(shè) 則通過(guò)反復(fù)迭代就可計(jì)算出系數(shù)P。 三、左右后縱梁拉深過(guò)程的有限元仿真 1.拉深過(guò)程的成形特點(diǎn) 圖1是左右后縱梁的拉深制件圖。可以看出在左右后縱梁的X-Z平面內(nèi)只存在繞Y軸方向的彎曲變形；在Y-Z面內(nèi)，Z向存在120mm深度的拉深變形，Y方向的材料承受拉伸變形。從其成形特點(diǎn)來(lái)看，左右后縱梁是一個(gè)較為復(fù)雜的類U型拉深件，Y方向的拉伸變形程度比X方向的拉伸變形程度要大得多。在左右后縱梁的右半部分存在階梯拉深成形，其中A、B區(qū)為零件板料厚度減薄量最大的區(qū)域；在左右后縱梁的左半部分C區(qū)離定位孔很近。在左右后縱梁拉深成形過(guò)程中A、B、C三個(gè)區(qū)域可能是左右后縱

5、梁成形中的薄弱環(huán)節(jié)。 圖1左右后縱梁的拉深制件 (a)主視圖 (b)軸側(cè)圖2.板坯的材料性能參數(shù) 表1是板坯材料ST1405-T的機(jī)械性能參數(shù)。其中厚向異性指數(shù)R值是評(píng)價(jià)金屬薄板拉深性能的重要指標(biāo)，它反映金屬薄板在其平面內(nèi)，承受拉力或壓力時(shí)，抵抗變薄或變厚的能力。從表中數(shù)值可以看出R值在90°方向最大，說(shuō)明板坯在90°方向抵抗變薄或變厚的能力最強(qiáng)。 表1ST1405-T材料性能參數(shù)表 3.不同落料方向的仿真計(jì)算結(jié)果 在不改變模具參數(shù)、壓機(jī)參數(shù)和材料牌號(hào)的條件下，針對(duì)兩種落料情況：板坯的X方向(見(jiàn)圖2)和材料軋制方向相同(CASE1)與板坯的X方向和材料軋制方向成90

6、6;(CASE2)，對(duì)左右后縱梁進(jìn)行拉深成形過(guò)程的有限元仿真。圖3a和圖3b分別是CASE1與CASE2的左右后縱梁拉深成形后工程主應(yīng)變分布狀況。可以看出，當(dāng)板坯的X方向與板料軋制方向成90°時(shí)，左右后縱梁拉深成形后的最大工程主應(yīng)變?yōu)?1.77%，比板坯的X方向與板料軋制方向成0°時(shí)的最大工程主應(yīng)變31.38%大10.39%。進(jìn)一步對(duì)兩種落料方式成形后左右后縱梁的三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域A、B、C的工程主應(yīng)變、工程次應(yīng)變、厚度、等效應(yīng)力進(jìn)行比較如表2所示，可見(jiàn)CASE1的最小厚度比CASE2的最小厚度要大，CASE1的最大工程主應(yīng)變比CASE2要小，且兩種落料方式導(dǎo)致成形后的危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)

7、生了變化，CASE1的危險(xiǎn)區(qū)出現(xiàn)在A區(qū)，而CASE2中B區(qū)為危險(xiǎn)區(qū)域。 圖2 左右后縱梁板坯圖3左右后縱梁拉深成形后的工程主應(yīng)變 (a)板坯X方向與材料軋制方向相同 (b)板坯X方向垂直于材料軋制方向表2兩種落料方式時(shí)關(guān)鍵區(qū)域的計(jì)算結(jié)果 4.成形質(zhì)量分析 成形極限圖(FLC/FLD7)是分析沖壓件開(kāi)裂與否的主要判據(jù)。如圖4所示，根據(jù)材料性能如n值、R值、厚度，計(jì)算出理論成形極限曲線FLC，然后將沖壓件各點(diǎn)的變形狀態(tài)與材料的FLC曲線進(jìn)行比較，判斷其是否處于安全區(qū)域。 圖4左右后縱梁拉深成形后的FLD圖 (a)板坯X方向與材料軋制方向相同 (b)板坯X方向垂直于材料軋制方向通常沖壓件上某一點(diǎn)的最

8、大變形1與材料的極限變形k間的存在著差值，即k-1。同一零件中不同點(diǎn)的變形不同，其也不同，其中必有一最小的，將之記為min，并稱為變形余裕度。一般情況下板材有效部位(最終零件所處部位)的變形余裕度min810%時(shí)，沖壓件的穩(wěn)定生產(chǎn)可以得到較好的保證。 圖4a和圖4b分別是CASE1和CASE2時(shí)的左右后縱梁拉深成形后的FLD圖。圖4a中的變形余裕度min11.5%，最大變形點(diǎn)位于A區(qū)；圖4b中的變形余裕度min1.6%，最大變形點(diǎn)位于B區(qū)。這表明，當(dāng)板坯的X方向與板料的軋制方向成90°時(shí)，B區(qū)已趨近于臨界頸縮，生產(chǎn)過(guò)程中工藝條件稍一波動(dòng)，零件就可能出現(xiàn)局部拉裂現(xiàn)象。 5.討論 如表1

9、所示，左右后縱梁沖壓用板材ST1405T沿軋制方向的厚向異性指數(shù)R001.97、垂直于軋制方向的厚向異性指數(shù)R902.54，二者相差較大。對(duì)于這種面內(nèi)各向異性較大的板材，落料方向的選取，對(duì)沖壓成形質(zhì)量有明顯的影響。 從成形的特點(diǎn)來(lái)看，左右后縱梁的拉深成形過(guò)程類似于U形件的拉深成形，當(dāng)板坯Y方向的抗減薄能力比X方向的抗減薄能力強(qiáng)時(shí)，有利于提高拉深成形質(zhì)量。從本文仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)板坯X方向與軋制方向相同時(shí)，左右后縱梁成形后的變形余裕度min11.5%，板坯變形處于安全區(qū)域；而當(dāng)板坯X方向與軋制方向垂直時(shí)，成形后的變形余裕度min1.6%，變形進(jìn)入臨界區(qū)域，成形質(zhì)量不穩(wěn)定。這說(shuō)明在這種類U型件的實(shí)際生產(chǎn)中，板坯落料方向?qū)Τ尚钨|(zhì)量有著重要的影響。 四、結(jié)論 薄板沖壓成形過(guò)