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高强 钢板 冲压 回弹 影响 因素 研究
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第 34 卷 第 1 期Vol1 34 No11FORGING 此外 , 减 小 板 料 宽 度 、 合 理 布 置 拉 延 筋 、 选 择 屈 服 强 度 较 小 的 材 料 均 可 减 小 回 弹 值 。关 键 词 : 高 强 钢 板 ; 回 弹 ; 数 值 模 拟 ; Dynaform中 图 分 类 号 : TG386 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 100023940 ( 2009) 0120023204Research on influencing factors of springback during sheet metal stamping of high strength steelL UO Yun2hua , WANGLei(State Key Laboratory of Material Processing and Die and Mould Technology , Huazhong University ofScience and Technology , Wuhan 430074 , China)Abstract : Based on ISO2CD24213/ 2006 method , taking the angle as springback value , the forming and springbackprocesses during stamping of high stress steel were simulated respectively using the commercial FE software Dy2naform. The influencing factors , such as sheet thickness , sheet width , blank holder force , draw bead and materialproperties were investigated , and the influence laws were obtained. The conclusions show that the springback anglewill decrease with the increase of sheet thickness under a small blank holder force , while it will increase at first thendecrease with the increase of blank holder force under a large blank holder force. Besides , it will decrease with the de2crease of sheet width , draw beads arranged reasonably and materials of small yield strength.Keywords : high stress steel ; springback ; numerical simulation ; Dynaform回 弹 是 指 在 板 材 成 形 过 程 中 , 当 外 载 荷 卸 除 之收 稿 日 期 : 2008207210 ; 修 订 日 期 : 2008208220基 金 项 目 : 湖 北 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (2004ABA052)作 者 简 介 : 罗 云 华 (1965 - ) , 男 , 博 士 , 副 教 授电 子 信 箱 : hustlyh @sohu1com后 , 由 于 弹 性 变 形 区 材 料 的 弹 性 回 复 以 及 塑 性 变 形区 中 材 料 弹 性 变 形 部 分 的 弹 性 回 复 , 使 其 形 状 、 尺寸 都 发 生 与 加 载 时 变 形 方 向 相 反 变 化 的 现 象 [1 ] 。随 着 汽 车 工 业 的 发 展 , 为 了 减 轻 质 量 、 节 约 能源 、 提 高 安 全 性 , 大 量 使 用 高 强 度 金 属 薄 板 , 对 薄的 解 析 模 型 所 呈 现 的 板 料 温 度 随 时 间 的 变 化 趋 势 与试 验 结 果 基 本 符 合 , 都 呈 现 指 数 型 变 化 规 律 。 因 为热 冲 压 试 验 结 束 后 , 钢 板 温 度 迅 速 降 为 室 温 25 ℃ ,与 实 际 试 验 条 件 有 所 差 别 , 因 此 试 验 所 得 的 数 据 与理 论 解 析 结 果 稍 有 偏 差 。4 结 论本 文 在 分 析 热 冲 压 成 形 工 艺 过 程 的 基 础 上 , 运用 传 热 学 的 基 本 理 论 , 对 热 成 形 中 钢 板 温 度 变 化 规律 进 行 了 研 究 , 提 出 了 超 高 强 度 钢 板 热 成 形 过 程 中不 同 阶 段 的 板 料 温 度 随 时 间 变 化 的 解 析 模 型 , 通 过热 冲 压 成 形 试 验 , 对 解 析 模 型 进 行 了 验 证 。 结 果 表明 , 钢 板 热 冲 压 过 程 中 , 温 度 呈 指 数 变 化 。 热 冲 压成 形 过 程 中 钢 板 温 度 变 化 主 要 由 钢 板 与 模 具 间 的 热阻 和 接 触 面 积 以 及 钢 板 与 周 围 空 气 的 对 流 换 热 和 辐射 换 热 系 数 决 定 。 该 模 型 对 于 制 定 板 料 成 形 初 始 温度 及 预 测 部 件 的 最 终 性 能 有 重 要 作 用 。参 考 文 献 :[ 1 ] Suehiro M , Kusumi K , Miyakoshi T , et al. Properties ofaluminum2coated steels for hot2forming [ J ] . Nippon SteelTechnical Report , 2003 , (88) : 2952415.[ 2 ] Geiger M , Merklein M , Hoff C. Basic investigation on t hehot stamping steel 22MnB5 [ A ] . Proceedings of t he SheetMetal 2005 Conf . [ C]. Switzerland , 2005.[ 3 ] 谭 志 耀 , 田 浩 彬 , 倪 峰 , 等 . 硼 钢 板 高 温 拉 伸 性 能 研 究[J ] . 理 化 检 验 : 物 理 分 册 , 2006 , 42 (2) : 63265.[ 4 ] 赵 以 贤 , 毕 小 平 , 刘 西 侠 , 等 . 基 于 集 总 参 数 法 的 车 用 内 燃机 传 热 计 算 机 仿 真 研 究 [J ] . 内 燃 机 学 报 , 2003 , 21 (4) :2392243.[ 5 ] 张 洪 济 . 热 传 导 [ M ] . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 1992.[ 6 ] 朱 德 才 , 张 立 文 , 裴 继 斌 , 等 . 固 体 界 面 接 触 换 热 系 数 影 响 因素 的 实 验 研 究 [J ]. 锻 压 技 术 , 2008 , 33 (1) : 1392142.[ 7 ] 朱 巧 红 , 鲍 文 华 , 倪 锋 , 等 . USIBOR1500 超 高 强 度 板 热 成 形 模具 冷 却 系 统 设 计 [J ]. 机 械 设 计 , 2006 , (增 刊 ) : 1062108.板 壳 类 零 件 成 形 精 度 的 要 求 越 来 越 高 , 回 弹 问 题 成为 了 关 注 的 热 点 。赵 国 伟 等 [2 ] 以 典 型 的 弧 形 弯 曲 件 为 研 究 对 象 ,通 过 测 量 回 弹 前 后 弦 长 、 弓 高 的 方 法 , 研 究 了 材 料力 学 性 能 、 板 料 厚 度 、 摩 擦 系 数 等 因 素 对 回 弹 的 影响 。 祝 洪 川 等 [3 ]以 U 形 拉 弯 为 研 究 对 象 , 通 过 测 量回 弹 前 后 曲 率 半 径 的 方 法 , 研 究 了 轴 向 应 力 、 试 样宽 度 、 压 下 量 等 因 素 对 回 弹 值 的 影 响 , 但 测 量 过 三点 曲 率 半 径 的 方 法 误 差 较 大 。 赵 军 等 [ 4 ] 以 类 似 于NUMISH EETp93 的 U 形 件 为 研 究 对 象 , 通 过 比 较回 弹 前 后 法 兰 、 侧 壁 的 变 化 , 分 析 了 摩 擦 系 数 、 压边 力 、 板 料 厚 度 、 模 具 间 隙 、 模 具 圆 角 、 材 料 性 能等 因 素 对 回 弹 的 影 响 。本 文 根 据 ISO2CD24213/ 2006[5 ]规 定 的 试 验 装 置(图 1) , 选 取 HSL A250 , HSL A300 , HSLA350 等3 种 高 强 钢 为 研 究 对 象 , 以 有 限 元 分 析 软 件 Dy2naform 为 平 台 , 首 先 通 过 显 式 算 法 模 拟 动 态 成 形 过程 , 然 后 利 用 隐 式 算 法 模 拟 回 弹 变 形 ; 同 时 , 在 摩擦 系 数 、 模 具 间 隙 及 模 具 圆 角 一 定 的 基 础 上 , 通 过测 量 回 弹 前 后 板 料 变 形 区 张 角 的 方 法 , 分 析 了 板 料厚 度 、 板 料 宽 度 、 压 边 力 、 拉 延 筋 及 材 料 性 能 等 因素 对 回 弹 的 影 响 , 总 结 出 各 因 素 对 回 弹 的 影 响 规 律 ,为 板 料 成 形 的 工 艺 规 划 和 冲 压 模 具 设 计 提 供 了 依 据 ,对 于 安 排 拉 弯 回 弹 试 验 具 有 重 要 的 现 实 意 义 。图 1 试 验 装 置 示 意 图Fig1 1 Schematic diagram of test device1 拉 弯 回 弹 的 产 生 及 回 弹 角 的 定 义在 零 件 成 形 过 程 中 , 利 用 压 边 装 置 牵 制 板 料 的自 由 流 动 , 可 取 得 一 定 的 拉 弯 效 果 。拉 弯 的 基 本 原 理 是 在 板 料 弯 曲 的 同 时 加 以 切 向 应力 , 改 变 板 料 剖 面 内 的 应 力 分 布 状 况 , 使 之 趋 于 均 匀一 致 , 以 达 到 减 小 回 弹 、 提 高 零 件 成 形 准 确 度 的 目 的 。111 拉 弯 回 弹 产 生 的 力 学 分 析由 于 板 料 相 对 厚 度 B/ t > 3 , 故 可 视 为 宽 板 弯曲 , 处 于 平 面 应 变 状 态 。 拉 弯 成 形 时 加 载 、 卸 载 示意 图 如 图 2 所 示 。 卸 载 时 因 板 料 内 应 力 重 新 分 布 ,导 致 卸 载 后 产 生 回 弹 , 其 过 程 相 当 于 对 板 料 任 意 截面 施 加 反 向 弯 矩 M (φ ) [6 ] 。图 2 板 料 拉 弯 示 意 图(a) 加 载 (b) 卸 载Fig1 2 Schematic diagram of sheet stretch2bending(a) Loading (b) Unloading112 回 弹 角 定 义弯 曲 回 弹 的 表 现 形 式 有 半 径 增 大 和 角 度 减 小 两种 。 由 于 三 点 测 量 半 径 的 方 法 误 差 太 大 , 本 文 采 用测 量 角 度 的 方 法 来 衡 量 回 弹 的 大 小 。卸 载 前 板 料 变 形 区 的 张 角 为 α , 卸 载 后 减 小 至α ′ (图 3) , 所 以 回 弹 角 θ 为 :θ =α - α ′ = (180° - β ) - (180° - β ′ ) =β ′ - β图 3 回 弹 角 定 义Fig1 3 Definition of springback angle因 此 , 利 用 Dynaform 中 测 量 两 线 夹 角 的 工 具测 量 出 β , β ′ 的 值 , 即 可 求 出 衡 量 回 弹 大 小 的 回 弹 角θ , 不 仅 提 高 了 测 量 精 度 , 还 提 高 了 效 率 。2 有 限 元 模 型 的 建 立 与 参 数 设 置211 有 限 元 模 型 的 建 立由 于 零 件 结 构 对 称 , 为 减 少 计 算 量 、 方 便 回 弹模 拟 时 约 束 点 的 选 择 , 只 取 模 型 对 称 的 一 半 进 行 研究 。 图 4 所 示 为 有 限 元 网 格 模 型 。42 锻 压 技 术 第 34 卷图 4 有 限 元 网 格 模 型(a) 无 拉 延 筋 (b) 有 拉 延 筋Fig1 4 Finite element mesh model(a) Wit hout draw bead (b) Wit h draw bead212 参 数 设 置凸 模 、 凹 模 和 压 边 装 置 均 定 义 为 刚 体 , 工 具 接触 类 型 为 成 形 单 向 面 对 面 , 冲 压 速 度 为 4 m · s - 1 ,凸 模 行 程 为 100 mm , 摩 擦 系 数 为 01125 , 采 用 厚 向11 点 全 积 分 , 最 大 自 适 应 网 格 等 级 为 3。板 料 (长 度 为 500 mm) 采 用 Dynaform 提 供 的HSL A250 , HSL A300 , HSL A350 等 3 种 37 号 厚向 异 性 弹 塑 性 材 料 , 其 基 本 参 数 见 表 1。表 1 材 料 性 能Table 1 Material properties材 质 杨 氏 模 量 /MPa 屈 服 强 度 /MPa 硬 化系 数 各 向 异 性指 数HSLA250 2107 E + 05 27215 67315 11 028HSLA300 2107 E + 05 34117 63210 11 030HSLA350 2107 E + 05 38218 65819 11 0883 数 值 模 拟 结 果 及 分 析311 板 料 厚 度 对 回 弹 的 影 响在 弯 曲 过 程 中 , 板 料 厚 度 对 弯 曲 性 能 有 着 很 大的 影 响 。 图 5 所 示 为 不 同 压 边 力 下 回 弹 角 与 板 料 厚度 的 关 系 。由 图 5a 可 以 看 出 , 在 小 压 边 力 下 , 回 弹 角 随 板料 厚 度 的 增 大 而 减 小 。 这 是 因 为 随 着 板 料 厚 度 的 增加 , 参 与 塑 性 变 形 的 材 料 增 多 , 抵 抗 弹 性 回 复 变 形的 能 力 也 增 强 , 因 此 回 弹 变 小 。由 图 5b , 5c 可 知 , 在 较 大 压 边 力 下 , 回 弹 角 随板 料 厚 度 的 增 加 而 先 增 大 、 再 减 小 , 此 变 化 趋 势 与文 献 [4 ] 和 [ 5 ] 中 一 致 。 出 现 回 弹 角 增 大 现 象 是因 为 零 件 的 弯 曲 是 带 拉 伸 的 变 形 , 此 时 侧 壁 部 分 内 、外 表 面 应 力 差 的 增 加 超 过 了 板 厚 增 加 时 抵 抗 回 弹 变形 的 能 力 , 导 致 侧 壁 部 分 变 形 引 起 的 回 弹 增 大 。图 5 回 弹 角 与 板 料 厚 度 的 关 系(a) 10 kN 压 边 力 (b) 25 kN 压 边 力 (c) 50 kN 压 边 力Fig1 5 Variation of springback angle wit h sheet t hickness(a) Blank holding force of 10 kN (b) Blank holding force of 25 kN (c) Blank holding force of 50 kN312 板 料 宽 度 对 回 弹 的 影 响板 料 宽 度 愈 小 , 回 弹 角 愈 小 , 如 图 6 所 示 。这 主 要 是 因 为 板 料 的 宽 度 小 , 在 侧 壁 由 拉 伸 的作 用 产 生 的 塑 性 变 形 较 大 , 内 、 外 层 应 力 分 布 较 一致 , 因 此 回 弹 较 小 。313 压 边 力 对 回 弹 的 影 响压 边 力 是 冲 压 成 形 的 一 项 重 要 工 艺 措 施 , 通 过压 边 力 的 优 化 , 可 以 调 整 板 料 的 流 动 状 况 , 改 善 材料 内 应 力 的 分 布 。由 图 5 可 知 , 同 一 材 料 在 板 料 厚 度 相 同 时 , 回52第 1 期 罗 云 华 等 : 高 强 钢 板 冲 压 回 弹 影 响 因 素 研 究 图 6 回 弹 角 与 板 料 宽 度 的 关 系Fig16 Variation of springback angle wit h sheet widt h弹 角 随 着 压 边 力 的 增 大 而 减 小 。 这 是 由 于 压 边 力 增大 , 板 料 的 拉 伸 效 果 也 增 加 , 特 别 是 在 容 易 产 生 回弹 的 圆 角 和 侧 壁 部 分 , 使 得 内 、 外 表 面 间 的 应 力 差大 大 减 小 , 从 而 使 回 弹 减 小 。然 而 , 随 着 压 边 力 增 大 , 板 料 成 形 后 的 最 大 厚度 和 最 小 厚 度 之 差 也 不 断 变 大 , 板 料 变 形 不 均 匀 ,不 利 于 成 形 。 因 此 , 怎 样 选 择 一 个 合 适 的 压 边 力 仍然 是 一 个 很 困 难 的 问 题 。314 拉 延 筋 对 回 弹 的 影 响合 理 布 置 拉 延 筋 是 一 种 经 济 灵 活 而 又 广 泛 使 用的 冲 压 成 形 工 艺 控 制 方 法 。 其 原 理 是 通 过 对 拉 延 筋的 位 置 、 根 数 和 形 状 的 适 当 配 置 来 改 善 压 料 面 上 各部 分 的 进 料 阻 力 , 从 而 提 高 材 料 的 成 形 极 限 和 零 件质 量 。从 图 7 可 以 看 出 , 设 置 拉 延 筋 时 , 回 弹 角 比 无拉 延 筋 时 小 得 多 。 这 是 因 为 在 设 置 拉 延 筋 后 , 零 件侧 壁 部 分 的 应 力 状 态 得 到 了 明 显 改 善 。图 7 回 弹 角 与 拉 延 筋 的 关 系Fig17 Variation of springback angle wit h draw bead315 材 料 性 能 对 回 弹 的 影 响由 图 5 , 6 , 7 可 以 看 出 , 材 料 性 能 对 回 弹 影 响比 较 大 。 在 相 同 条 件 下 , HSL A350 的 回 弹 最 大 ,HSL A300 次 之 , HSL A250 最 小 。 这 是 因 为 材 料 的屈 服 强 度 越 大 , 在 一 定 变 形 程 度 下 所 需 的 加 载 弯 矩越 大 , 所 以 卸 载 后 回 弹 量 也 越 大 。4 结 论零 件 的 最 后 回 弹 形 状 是 其 整 个 成 形 过 程 的 累 积效 应 , 因 此 , 对 影 响 回 弹 的 因 素 进 行 系 统 的 研 究 ,准 确 预 测 回 弹 量 , 并 在 模 具 的 设 计 过 程 中 对 回 弹 进行 补 偿 , 对 提 高 冲 压 件 的 产 品 质 量 及 生 产 效 率 具 有重 要 意 义 。本 文 通 过 对 3 种 高 强 钢 冲 压 成 形 及 回 弹 的 数 值模 拟 , 得 出 以 下 主 要 结 论 :(1) 在 较 小 压 边 力 下 , 回 弹 随 板 料 厚 度 的 增 加而 减 小 , 而 在 较 大 压 边 力 下 则 会 先 增 大 、 后 减 小 ,且 随 着 压 边 力 的 增 加 回 弹 显 着 减 小 ;(2) 回 弹 随 板 料 宽 度 的 增 加 而 变 大 ;(3) 合 理 布 置 拉 延 筋 可 显 着 减 小 回 弹 ;(4) 材 料 性 能 对 拉 弯 回 弹 具 有 决 定 性 的 影 响 ,且 随 着 材 料 屈 服 强 度 的 增 加 回 弹 变 大 。参 考 文 献 :[ 1 ] 焦 明 华 , 于 军 涛 , 解 挺 , 等 . 板 材 冲 压 成 形 回 弹 模 拟 的 评 述[J ] . 锻 压 技 术 , 2007 , 32 (6) : 125.[ 2 ] 赵 国 伟 , 王 元 勋 , 陈 建 桥 , 等 . 材 料 成 形 回 弹 的 数 值 模 拟 与影 响 因 素 [J ] . 锻 压 装 备 与 制 造 技 术 , 2005 , (3) : 55258.[ 3 ] 祝 洪 川 , 李 荣 锋 , 严 龙 . 拉 弯 回 弹 试 验 参 数 的 影 响 性 研 究[ A ] . 第 十 届 全 国 塑 性 工 程 学 术 年 会 、 第 三 届 国 际 塑 性 加 工先 进 技 术 研 讨 会 论 文 集 [ C] . 南 昌 , 2007.[ 4 ] 赵 军 , 苏 春 建 , 官 英 平 , 等 . U 形 件 弯 曲 影 响 回 弹 因 素 模 拟分 析 [J ] . 锻 压 技 术 , 2007 , 36 (6) : 1362140.[ 5 ] ISO2CD2421322006 , Metallic materials2sheet and strip2Met h2od for springback evaluation in stretch bending [ S] .[ 6 ] 张 冬 娟 , 崔 振 山 , 李 玉 强 , 等 . 平 面 应 变 板 料 拉 弯 成 形 回 弹理 论 分 析 [J ] . 工 程 力 学 , 2007 , 24 (7) : 66271.标 准 制 修 订 信 息2009 年 , 全 国 锻 压 标 准 化 技 术 委 员 会 将 根 据 国 家 标 准化 管 理 委 员 会 的 要 求 , 完 成 1 项 国 家 标 准 《 冲 裁 间 隙 》 的 修订 工 作 , 完 成 4 项 国 家 标 准 《 锻 造 工 艺 质 量 控 制 规 范 》 、 《 钢质 自 由 锻 件 检 验 通 用 规 则 》 、 《 钛 及 钛 合 金 锻 件 》 和 《 锻 压 制件 及 其 模 具 三 维 几 何 量 光 学 检 测 规 范 》 的 制 定 工 作 。 现 向 应用 这 些 标 准 的 广 大 锻 压 行 业 的 单 位 和 个 人 征 求 意 见 。 意 见 反馈 截 止 时 间 为 2009 年 3 月 15 日 。 标 准 审 查 会 初 步 定 于 2009年 3 月 27 日 - 4 月 1 日 在 海 南 省 海 口 市 召 开 , 欢 迎 广 大 企 业参 加 。 意 见 反 馈 可 以 通 过 信 件 、 E2mail、 传 真 的 形 式 。通 信 地 址 : 北 京 市 海 淀 区 学 清 路 18 号 邮 编 : 100083全 国 锻 压 标 准 化 技 术 委 员 会电 话 : 010 - 62920652、 010 - 82415085传 真 : 010 - 62920652E2mail : duanya2005 @1261com 联 系 人 : 金 红62 锻 压 技 术 第 34 卷
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