可变闭合力对DP1180钢冲压成形的回弹控制研究.pdf
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1、收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:国家自然科学基金()资助项目作者简介:丁悦婕(),硕士生,主要研究方向为金属板材冲压成形通信作者:王武荣,教授,博士生导师,电话(T e l):;E m a i l:w r w a n g s h u e d u c n 文章编号:()D O I:/j c n k i j s j t u 可变闭合力对D P 钢冲压成形的回弹控制研究丁悦婕,王一文,王武荣,韦习成,赵杨洋(上海大学 材料科学与工程学院,上海 )摘要:为了进一步控制先进高强钢在冲压成形中的回弹问题,提出了一种无需增大材料成形裕度、通过伺服液压设备增大可变闭合力降低回弹的方法对冲压成形的 MP
2、 a双相钢U形基准零件,利用有限元分析增大可变闭合力控制回弹的可行性,并进行试验验证,从残余应力和位错角度研究增大可变闭合力减小回弹的机理结果表明:该方法使成形后的材料表面残余应力减小,位错密度降低,从而使非弹性回复增加,达到减小目标零件 的回弹角度效果由于该方法仅在零件成形瞬间施加,不影响材料成形过程中的塑性流动,所以无需增加额外的材料成形能力和整形工序,改变生产节拍即可应用于实际工业,具有广阔应用前景关键词:D P 双相钢;弯曲回弹;可变闭合力;残余应力;位错中图分类号:T G 文献标志码:AS p r i n g b a c kC o n t r o l o fD P S t e e l
3、S t a m p i n gb yV a r i a b l eC l o s i n gP r e s s u r eD I NGY u e j i e,WANGY i w e n,WANG W u r o n g,WE IX i c h e n g,ZHA OY a n g y a n g(S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,S h a n g h a iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:I
4、 no r d e r t of u r t h e rc o n t r o l t h es p r i n g b a c ko f a d v a n c e dh i g h s t r e n g t hs t e e l i ns t a m p i n g,am e t h o dt or e d u c et h eb e n d i n gs p r i n g b a c k b yi n c r e a s i n gt h ev a r i a b l ec l o s i n gp r e s s u r e(V C P)t h r o u g hs e r v o
5、h y d r a u l i ce q u i p m e n t w i t h o u ti n c r e a s i n gt h e m a t e r i a lf o r m i n g m a r g i n w a s p r o p o s e d F o r U s h a p e db e n c h m a r kp a r t so f MP ad u a l p h a s e(D P )s t e e l f o r m e db ys t a m p i n g,t h e f e a s i b i l i t yo f i n c r e a s i n
6、 gV C Pt oc o n t r o ls p r i n g b a c k w a sa n a l y z e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d,a n dt h e m e c h a n i s m o fi n c r e a s i n gV C Pt or e d u c es p r i n g b a c kw a ss t u d i e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fr e s i d u a ls t r e s sa n dd i s l o
7、 c a t i o n T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ep r o p o s e dm e t h o dc a nr e d u c e t h e r e s i d u a l s t r e s s a n d t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yo f t h ef o r m e dm a t e r i a l,t h u s i n c r e a s i n gt h e i n e l a s t i c r e c o v e r ya n da c h i e v i n gt
8、 h ee f f e c to f r e d u c i n gt h es p r i n g b a c ka n g l eo f t h e t a r g e tp a r tb y B e c a u s e t h i sm e t h o d i so n l ya p p l i e da t t h ee n do fp a r t f o r m i n g,w h i c hd o e sn o t a f f e c t t h ep l a s t i c f l o wi nt h em a t e r i a l f o r m i n gp r o c e
9、 s s,t h e r e i sn on e e dt o i n c r e a s et h ea d d i t i o n a lm a t e r i a l f o r m i n ga b i l i t ya n ds h a p i n gp r o c e s s,w h i c hc a nb ea p p l i e d t oa c t u a l i n d u s t r yw i t h o u t c h a n g i n g t h ep r o d u c t i o nr h y t h m,a n dh a sab r o a da p p l
10、i c a t i o np r o s p e c t K e yw o r d s:D P s t e e l;b e n d i n gs p r i n g b a c k;v a r i a b l ec l o s i n gp r e s s u r e(V C P);r e s i d u a l s t r e s s;d i s l o c a t i o n第 卷 第期 年月上 海 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FS HANGHA I J I A OT ON GUN I V E R S I T YV o l N o A u g 第期丁悦婕,等:可变闭合力对
11、D P 钢冲压成形的回弹控制研究 先进高强度钢的屈服强度高,降低板厚不会降低零件的使用性能,可以通过减少零件的厚度达到减轻质量的目的,因此一直是轻量化材料的首选双相钢由于其高强度、好的抗疲劳性、抗应力腐蚀性和良好的焊接性能,是汽车首选的冷成形钢板但先进高强度板冲压成形后存在较大的内应力,使零件产生的回弹问题比普通钢板更加严重,如何控制先进高强钢的冲压回弹成为研究的重中之重先进高强钢的冲压回弹控制方法主要从零件结构设计、模具设计以及冲压工艺等方面切入,回弹预测并采取相应措施也是有效手段之一戴建新等设计了加强筋来提高车身大型U型薄板的抗弯刚度以减少回弹 S u n等将拉延筋布置在法兰区域来调节板料
12、的流动阻力;安治国等通过添加预成形工序模具,使一次性成形的冲压件分布在不同工序中完成,从而消除部分内应力;宋修成等利用压边力的增加来减小内外应力差,可以使材料拉深更充分,减轻零件的回弹;S o n g等在弯曲过程中利用电磁脉冲冲击材料表面,纠正回弹引起的形状和尺寸误差;晏佳伟等对比不同硬化模型,提高Q P钢冲压回弹的预测结果;P o r n p u t s i r i等针对相变诱导塑性(T R I P)钢,得出弯曲回弹角与弯曲温度呈正相关的结论;G i l等 针对D P 先进高强钢,研究压力相关摩擦因数对数值模拟回弹预测的影响,提高了预测值的准确度但增加或增强拉延筋、增大压边力、增加摩擦阻力使
13、材料局部拉胀塑性应变增大来减少回弹的方法要求材料具有足够的成形裕度,显著增加了塑性较差的高强钢零件产生拉裂缺陷的风险,而增加整形工序等手段会延长模具制造周期和增加成本,从而造成整个工业生产效率的降低随着热冲压成形工艺的流行,伺服液压机实现合模保压的新功能,具有可控的持压功能 基于这种功能,伺服液压机收到闭合信号后瞬间通过活动滑块对在模具重合状态下的零件瞬时增大法向的正压力,产生非常微小的拉胀变形,从而影响残余应力的重整和微观位错,达到减小零件回弹的目的这种压机可实现的新的冲压工艺参数为可变闭合力,该方法是在结构件成形完成后施加,不影响板料成形过程中的塑性流动,无需提高材料成形裕度,对于高强钢的
14、成形回弹控制具有显著意义,同时该方法无需增加整体的冲压弯曲时间,保证了实际冲压弯曲成形零件的生产节拍为研究该种新工艺控制先进高强钢回弹的效果,针对D P 钢N u m i s h e e tU形弯曲基准件,在原有的 闭 合 力 基 础 上 增 加 不 同 量(、和)的闭合力条件下,利用有限元模拟分析其控制回弹的可行性,并基于伺服液压机进行冲压成形试验验证,从残余应力和位错角度分析其控制回弹的机理,促进进一步产业化应用 试验材料及方法 试验材料和模具选用宝武集团提供的 mm厚度的D P 冷轧双相钢板,沿钢板轧制方向制取长 mm、宽 mm的试验试样板条表为D P 冷轧双相钢板化学成分,通过直读光谱
15、仪测定得出,w()表示质量分数表为其力学性能,通过拉伸试验测量和计算得出基于试验零件形状,设计一套U形冲压模具,其模具主体部分如图所示,由凹模、凸模压边圈组成,材料均为H 钢,凸模宽度为 mm,模具单边间隙为 mm,凹模宽度根据间隙可调凸模和凹模的圆角半径(R)均为mm同时在压边圈上设置定位销,防止板料在拉弯冲压变形过程中产生偏移而导致扭曲回弹 U形弯曲件冲压过程分为两部分:第一部分为凹模下行至与压边圈和板料贴合;第二部分为凹模将板料下压与凸模贴合,进行拉深表D P 的化学成分T a b C h e m i c a l c o m p o s i t i o no fD P w(C)w(S i
16、)w(M n)w(C r)w(A l)w(N i)w(T i)w(P)w(B)w(F e)B a l表D P 的力学性能T a b M e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fD P 屈服强度Rp /MP a抗拉强度Rm/MP a延伸率A/弹性模量E/MP a泊松比应变硬化指数n 上海交通大学学报第 卷图U形件冲压模具示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a m o fs t a m p i n gd i ef o rU s h a p e dp a r t s弯曲,直至成形完成 有限元模拟在N XUG软件中建立板料和冲
17、压模具有限元模型,导入到A u t o F o r m有限元数值模拟计算软件中进行冲压成形数值仿真,如图所示数值模拟仿真中采用的D P 材料模型参数来自于宝钢集团官网的A u t o F o r m材料卡根据实际冲压过程设计冲压工步,进行D P 板条的U形弯曲有限元模拟,对比研究增加不同可变闭合力条件下成形零件回弹预测结果,分析该工艺减小回弹的可行性具体试验参数如表所示图A u t o F o r m仿真模型F i g A u t o F o r ms i m u l a t i o nm o d e l表冲压成形试验参数T a b T e s tp a r a m e t e r so f
18、s t a m p i n g冲压速度/(mms)冲压行程/mm压边力/k N摩擦条件可变闭合力/k N 干摩擦 、试验方法为进一步研究该工艺在实际工程生产环境下控制回弹的效果,通过伺服液压机的精准控制,分别在不同可变闭合力条件下进行D P U形弯曲件冲压成 形 试 验本 试 验 所 采 用 的 冲 压 设 备 为 天 锻TH P A型多功能伺服液压机,最大可以提供 k N的成形力该设备具有液压伺服系统,实时检测和控制冲头和压边圈行程以及成形过程中的成形力和压边力,可实现合模后的可控持压功能试验中所采用的冲压工艺参数与有限元模拟中的一致为分析增大可变闭合力条件减小高强钢零件弯曲回弹的机理,将成
19、形后弯曲圆角处区域制成金相分析样品,利用S m a r t L a bX射线衍射仪测定其表面残余应力;采用电压为 V、电流为A的参数条件,在 的高氯酸酒精溶液中电解抛光 s后,利用配有电子背散射衍射仪(E l e c t r o nB a c k s c a t t e r e dD i f f r a c t i o n,E B S D)和A Z t e c C r y s t a l后处理软件的Z E I S SS i g m a 场发射扫描电子显微镜分析其位错信息 结果与讨论利用有限元模拟验证增加可变闭合力条件控制成形零件回弹的情况如图所示根据对比结果发现,在可变闭合力增加 的条件下成形
20、后的零件回弹明显小于不增加可变闭合力条件下成形的零件,证明了该工艺控制回弹的可行性图增加可变闭合力条件前后回弹模拟结果对比F i g C o m p a r i s o no f s i m u l a t e dr e s u l t so f s p r i n g b a c kb e f o r ea n da f t e r i n c r e a s i n gV C P图回弹角度测量方法示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fs p r i n g b a c ka n g l em e a s u r e m e n tm e t h
21、 o d 回弹角度分析回弹角度的测量采用N u m i s h e e t 国际冲压成形仿真会议中提出的U形基准件回弹角度的测量方法,如图所示,作与顶部距离为mm(凸模圆角半径)的平行线,与侧壁的交点记为A,以A点为圆心,作半径r mm(拉延深度凸模圆角半径凹模圆角半径)的圆弧,与侧壁的交点记为B,连接点A和B的直线与垂直方向的夹角作为回弹角度采用该方法,对不同闭合力条件下成形获得第期丁悦婕,等:可变闭合力对D P 钢冲压成形的回弹控制研究 的U形弯曲零件扫描侧面轮廓,进行回弹角度测量,并与仿真结果进行比较成形试验与仿真获得的零件以及回弹角度的测量结果如图所示图试验零件回弹结果F i g E
22、x p e r i m e n t a l s p r i n g b a c kr e s u l t so fp a r t s图不同可变闭合力增量条件下应变结果分析F i g A n a l y s i so f s t r a i nr e s u l t sa td i f f e r e n t i n c r e m e n t so fV C P对冲压成形试验零件的回弹角度测量结果表明,通过增大可变闭合力,成形后的回弹角度有较大幅度的减小,且随可变闭合力增量的增大,对回弹的控制作用也随之增加相比不增大可变闭合力条件下回弹角度,可变闭合力增大 后回弹角度减小了 ,继续增大 后减小
23、了 ,进一步增大 后减小了 试验结果与模拟仿真获得的结果较为一致,对实际生产具有较好的指导意义 应变分析应变数据可以分析在成形过程中材料宏观塑性变形通过有限元模拟不同可变闭合力条件下获得的主次应变云图发现,不同可变闭合力条件下的零件应变变化不大进一步测量电化学腐蚀法印制的网格圆的变形,得出试验获得的成形零件侧壁内表面中心区域处的主次应变大小,与模拟获得的结果对比如图所示根据材料成形后侧壁内表面侧壁中心区域处应变的测量结果分析发现,随着可变闭合力的逐步增大,材料的主次应变都基本保持稳定不变,因此在选择增大可变闭合力作为控制材料弯曲回弹的手段时,材料主要变形都已经完成,在增大闭合力过程中材料不会产
24、生额外应变一般通过增大压边力条件 上海交通大学学报第 卷或增加拉延筋阻力减小回弹时,会使零件的应变急剧增加,从而产生拉裂问题,对材料的塑性产生更高的要求因此,可变闭合力工艺与增大压边力对材料塑性的高要求相比,更具优势与不同可变闭合力条件下获得的有限元成形模拟结果对比分析发现,试验测量结果略比模拟结果偏大,但同样表现为极其轻微的应变增量,与模拟获得的规律较为一致 残余应力分析板料在弯曲过程中经历弹性变形、弹塑性变形和塑性变形个阶段,在成形终了时,当外力卸载后,弹性变形部分发生回复,从而产生回弹从应力角度看,在板料弯曲成形过程中,U形件凸模圆角处内、外层金属分别受压应力和拉应力作用,与施加的外力相
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