高强度钢筒形件拉深工艺研究.docxVIP

? ? 高强度钢筒形件拉深工艺研究 ? ? 范豇宇,刘 帅,占 乐,周 宇,秦泗吉,吕知清 (燕山大学 先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室，河北 秦皇岛 066004) 0 引言 随着工业的发展，环境污染与能源短缺问题日益加剧。在汽车行业中，为了减少燃油消耗，降低废气排放，汽车轻量化成为汽车发展的一种趋势；在这种趋势下，因为高强度钢具有较高的强度，不仅能满足汽车轻量化的需求，还能保证汽车的安全性能[1-3]。 根据ULSAB-AVC(超轻钢制汽车车身概念项目)的定义，通常把屈服强度在210～550 MPa的钢板称为高强度钢板[4]。但因高强度钢自身结构的特点，其成形性能较差，在拉深成形过程中易出现起皱、破裂等缺陷[5-7]。而拉深是汽车大多覆盖件的主要成形工序，拉深产品的质量直接影响汽车整体结构，在不同的压边工况下拉深制件的质量又有不同的表现[8]；除了材料本身的性质与模具自身结构的影响，拉深工艺参数对拉深产品的减薄与增厚同样起到较大的影响，且不同参数之间交互作用[9-12]。温彤等[13]对B210P1和B280VK钢材进行拉深数值模拟与物理实验，较好地预测了材料力学性能参数对板料拉深成形的影响，发现材料的屈服强度对最大拉深力影响较大，且材料的厚度变化是产品质量的一个重要因素；文献[14-16]采用恒压边力与不同压边力曲线方法对冷轧钢板进行拉深模拟，发现采用变压边力能有效提高材料在危险断面的最小厚度，并对其起皱程度与破裂均产生一定的影响。因此，对于完善高强度钢拉深工艺参数，提高产品质量具有重要意义。 本文首先借助有限元模拟软件对高强度钢筒形件整个拉深过程进行模拟，设计凸凹模间隙、压边力、凸凹模圆角半径三因素正交试验，并进行参数优化，得到一组满足成形性能的参数，再选用低碳钢(AISI 1010)为研究对象，通过临界区淬火后，对其进行拉深，并与模拟结果相对比，且对拉深后的工件进行硬度分析，为筒形件高强度钢拉深产品的制备提供理论与实验支持。 1 有限元模拟与分析 1.1 有限元模型 用DYNAFORM有限元软件建立拉深模型如图1所示。将试样经临界区淬火后的材料(AISI 1010)力学性能(密度为7.85×103kg/m3，杨氏模量为207 GPa，泊松比为0.28，屈服强度为460 MPa，抗拉强度为649 MPa，延伸率为15.1%)导入模型的材料属性。对模型参数进行设定：原始坯料直径为78 mm，厚度为1 mm，凹模直径为40 mm，设定摩擦系数为0.1，设置虚拟拉深速度为3 m/s。坯料最大网格尺寸为3，最小网格尺寸为0.3。拉深深度为13 mm。 图1 筒形件拉深模型Fig.1 Cylinder drawing model 1.2 有限元正交试验设计及分析 金属板料在拉深成形过程中，起皱和开裂是比较常见的缺陷。为获得更高质量的工件，需要对拉深工艺参数进行合理的设计。本文以凸凹模间隙、压边力、凸凹模圆角半径为试验因素，设计正交试验，综合分析以上3个因素对筒形件成形质量的影响。 本试验凸凹模间隙的选取水平为1.05、1.1、1.15 mm，压边力的选取水平为10、20、30 kN，凸凹模圆角半径的4、4.5、5 mm。由此设计出一个三因素三水平的正交试验表如表1所示。 表1 正交试验设计表Tab.1 Table of orthogonal test design 本文主要考察凸凹模间隙、压边力、凸凹模圆角半径对筒形件拉深成形质量的影响，考察指标可由模拟结果成形极限图得出，不过为了量化结果，可比较筒形件成形后最大减薄率与最大增厚变化情况，进而选取最佳参数。正交表与减薄率/增厚率的试验结果如表2。 表2 减薄率和增厚率试验结果分析Tab.2 Analysis of test results of thinning rate and thickening rate 在正交试验中一般用平均值来反映同一个因素的各个不同水平对试验结果影响的大小，并以此确定该因素应取的最佳水平，将各列相同水平对应的试验数据相加后除以3，得到平均值，以平均值确定该因素应取的最佳水平。各因素不同水平下的最大结果与最小结果之差为极差，极差的大小反映该列因素的影响程度。计算结果如表3所示。 通过表2的计算及表3的结果可以看出，凸凹模间隙取1.05 mm时最大减薄率最小，平均最小减薄率为16.7%，压边力取10 kN时最大减薄率最小，平均最小减薄率为16.7%，凸凹模圆角半径取5 mm时最大减薄率最小，平均最小减薄率为14.1%。因此综合考虑这3个因素，可得到使得最大减薄率最小的工艺组合，即凸凹模间隙1.05 mm，压边力10 kN，凸凹模圆角半径5 mm。 表3 减薄率和增厚率极差结果分析Tab.3 Analysis of the range of