先进高强钢冲压模具压边圈结构疲劳分析与优化

模 具 技 术 2 0 1 4 No 4 文 章编 号 1 0 0 卜4 9 3 4 2 0 1 4 0 4 0 0 0 1 0 5 0 先进高强钢冲压模具压边圈结构疲劳分析与优化 谢 晖 范 乐 王诗 恩 褚 卫 东 王 东福 1 湖南 大学 汽车 车身先 进设计制造 国家重点 实验室 湖南 长沙4 1 0 0 8 2 2 上海拖拉机 内燃机有 限公 司 上海2 0 0 4 3 3 摘 要 在车 身结构件 中大量采 用先进 高强钢 是 实现 汽 车轻量化 主要 途径 之一 同 时也给模 具 强度 和模 具材料 带来 了新 的挑 战 基 于 ANS YS有 限元软 件平 台 对拉 深 模 冲压过程进行有 限元仿真 获得 了不 同时刻压边 圈结构应 力分布状 况 根 据有限元 分析的结果 对压边圈结构进行 了疲劳分析 预测 了压边圈结构的疲劳寿命 基于有 限元分析和疲 劳分析的结果 并结合 工程 设计 经验对 压边 圈结构进 行优 化 有 效地减 小 了冲压过程 中的压边 圈结构 的应 力 提 高了压边 圈疲 劳寿命 关键 词 高强钢 冲压模 具 有 限元 分析 疲劳分析 中图分类 号 T G 3 8 6 文献 标识码 A Fa t i g u e a n a l y s i s a n d o pt i mi z a t i o n o n t he b i n d e r s t r u c t u r e o f s t a m p i ng di e f o r a dv a n c e d h i g h s t r e ng t h s t e e l s XI E Hu i FAN Le W ANG Sh i e n CHU W e i do n g W ANG Do n g f u Abs t r a c t The ex t e ns i ve a ppl i c at i on o f a dva nc e d hi g h s t r e ng t h s t e e l s i n a ut o m obi l e m a nu f a c t ur i ng i s on e of t he m a i n wa ys t o r ed uc e t he b ody we i g ht I t a l s o r e qui r es t he hi gh s t r e ng t h a nd a nt i f at i g ue pr ope r t i es of t he s t a m pi ng di e s I n t hi s pa pe r dr awi ng pr oc e s s i s s i mul a t e d wi t h t h e F 1 5 M s o f t wa r e ANS YS a n d t h e s t r e s s d i s t r i b u t i O n o n b i n d e r i S c a l c u l a t e d i n d i f f e r e n t s t a mp i n g s t a g e Ba s e d o n t h e s i mu l a t i o n r e s u l t f a t i g u e a n a l y s i s i s c o n d u c t e d a n d t h e l i f e o f bi nde r c an be pr e di c t e d Opt i m i z a t i on i s pr opo s e d on t he ba s i s of t he e ngi ne e r i ng ex pe r i e nc e a nd FEA s i m ul a t i on I t s hows t hat t he s t r e s s r e du c e s i n t he o pt i mi z ed b i nd er s t r uc t u r e a nd t he di e l i f e i s e nha nc e d Ke y wo r d s h i g h s t r e ng t h s t e e l s s t a mp i n g d i e FEA f a t i g u e a n a l y s i s 引言 随着现代 汽 车 的发 展 人 们 对 汽车 安 全性 和燃油经济性有 了新 的要求 采 用先进 高强钢 材料是提高车身强 度和 降低 能源消 耗 的一个 很 好 的 途 径 国 际 钢 铁 协 会 组 织 在 其 UL S AB AVC项 目白车身钢铁 用材 比例评 估 中 先进 高 强钢 的应用 比例达 到 了 8 O 以上 成为汽车 车 身 的主要制造材 料 研 究性 能更加 优异 的新 收 稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 5 基 金项 目 国家科 技支 撑计 划项 目 2 0 1 2 B AF 1 2 B 2 O 国家 8 6 3 项 目 2 0 1 3 AA0 4 0 6 0 5 作者简介 谢晖 1 9 7 1 一 男 教授 2 Di e a nd M oul d Te c hn ol o gy No 4 2 0 1 4 型钢铁材料是各 国钢铁 公 司的开发重 点 先 进 高强度 钢 具 有 更 高 的强 度 和 良好 的成 形 性 能 对汽车的减 重和提 高安全性非 常有利 但也 给模具材料和模具强度带来 了新 的挑战 传统低强 度 钢板 的冲压 模 具 模 具结 构设 计经 过国内 外学者与 工程师 多年 的改进 设计 方案 相对成熟 传统 低强度钢 板对成形 力要求 有 限 生产 过程 中 冲压 模具 和 相关 设 备 的受力 状况也不是很恶劣 冲压模 具 的变 形量小 冲压 模具 由于疲劳导致 不正常失效 和损毁 的情况并 不多见 与传 统低强 钢 冲压 模 具 相 比 先 进 高 强钢 板料 冲压要求 更 高 的成形 力 冲压过 程 中 模具 及冲压设备 的载荷 大大增加 模 具长期 处 于循 环加载 的交 变应 力 和高 冲击 力工 况 下 很 容 易产生由于疲劳导致 的变形和破裂失效 在模具结构分 析方面 国内 外学 者做 了大 量创新 性 工 作 L e e Yo u n g s e o n l 3 等把 模 具 视 为弹性体 通过 有 限元分 析 与实 验 对 比的方 法 研究 了冷锻模 具 的弹性变形行 为 通用汽 车公 司的 Ve n k a t Ai t h a r a j u 等 人 开发 了模具 结 构 有限元分析 工具 能够将 冲压模 具结 构 分析 和 冲压成形分 析集 成在 一起 并根 据模 具 受力 分 析结果 优 化 模 具 结 构 有 效 减 少 了模 具 质 量 上海交通大学 的张 贵宝博士 5 开 发 了冲压模具 结 构 分 析 的建 模 辅 助 和 载 荷 映 射 工 具 针 对 DP 6 0 0轿车侧 底 板件 冲 压模 具 实 现 了大 型 复 杂冲压模具 的结构分析 对 于先进 高 强钢 模具 模 具 受 力分 析 和疲 劳破坏 分析 仍处 于探 索 阶段 对 于模 具 可能 出 现破坏 的方式 和 寿命 评价 并 没有 建 立统 一 的 标 准 本 文以双相高强钢 C R7 8 0 T 4 2 0 Y D P板 料的冲压模 具为例 通 过有 限元分析 的方法 研 究先进高强钢 冲压模具压边圈结构的疲劳破坏 并 基于有限元分析的结果 对压边圈结构进行优化 模具结构有 限元分析 1 1有 限元模 型建 立 本文 采用 的模具 类 型 为单 动拉 深模 冲 压 零件 为汽车左 右前纵 梁 模 具 基本 结构 如 图 1 所示 由于该模具 体积较 大 结构 复杂 模具 的 一 些标准件及细小结构对模具受力的影响不 大 考虑求 解精 度 与求 解 时 间成本 的问题 根 据工程经 验 在保 证 主要 力学 特 征 的基础 上 进 行模具结构 的简 化 模 具简化后 的爆 炸 图如 图 2所示 简化 了工具体上对受力影响不 大的几何 结构 凹模 压料 板 凸模 等工 具体 简 化 为 刚性 片体结构 1 下模座 2 卸料螺钉 3 压边 圈本体 4 导板 5 上模 座 6 氮气缸 7 压料板 8 凹模 9 压边圈镶块 1 O 调压 垫 1 1 凸模 1 2 限 位 垫 1 3 气 顶 垫 块 图 1 模具装配 图 凹模 9 1 0 1 l l 2 l 3 压边 圈本 体 图 2 结构简化后 的模具爆炸 图 1 2压 边圈 本体 结构 有 限元分 析结 果 模具结 构的有 限元 分析 在 ANS YS平 台 中 进行 结构 分析 的主要 目的是确 定 压边 圈 可能 发生疲劳破坏 的危 险部位 为得 到冲压 过程 中 各时刻压边圈结构的应力分布状态 把有限元 分析结果 分 1 O步 输 出 图 3显 示 的是 冲压过 程 中 压 边 圈 结 构 的最 大 等效 应 力 分 布 云 图 由仿真结果可知 冲压 过程不 同时刻 压 边 圈本 体各部位 等效应 力分布 不均匀 其 中最 大 等效 应力 出现在 压边 圈 内侧拐 角位 置 该 位 置也 是 压边圈可能发生疲 劳破坏 的危 险部位 模 具 技 术 2 0 1 4 No 4 3 l e 0 2 2 01 9 e 0 2 2 2 7 J 5 0 7 0 e i0 12 549e 012 896e 0 1 图 3压边圈结构最大等效应 力云图 2 压 边圈本体 疲劳破坏分析 2 1疲劳 分析 方 法 压边 圈结 构疲 劳 分 析属 于 高周 疲 劳 问题 可 以适用 于名 义应力 法 名义 应力法认 为不 同 形状 的零 件 只要 满 足 以下 条件 则 它 们 的疲 劳 寿命相 同 1 零件 材料相 同 2 零件 载荷谱 相 同 3 零件危 险部 位应力 集 中系数 相 同 6 用 名义应力法 估算 结 构疲 劳 寿命 的方法 如 图 4 所示 图 4 名义应 力法估算 结构疲劳寿命 的步 骤 目前通用 的疲劳 累积损伤 理论 可 以分 为两 大类 基于 S N 曲线 的疲劳 累积损 伤方 法 简 称 S N 曲线法 以及基 于 P a r i s裂纹 扩展 法 则 的断裂力学方法 简称断 裂力学 法 E s l 本 文 采用 的是 线性疲劳累积损伤理论 线性 疲劳累积损伤 理论认 为疲 劳损伤 是可 以线性 叠加 的 各 应力 造成 的疲 劳损 伤是 相 互 独立 的 疲 劳破 坏 过程 是 一个 疲劳 损 伤 的累 积 过程 线性 累积损伤理论 中最 典型 的模 型是 基 于 P l a mg r e n Mi n e r理论 的线性 损伤 模型 用 数 学方法可 以将线性 累积损伤模 型嘲表示如下 单个循环造成 的损伤 D一 1 式 中 N 当前载荷水平下零件 的疲劳寿命 在循环 加载下 个循环造成 的损伤 D 式中 第 i 个 应力水平下的循 环次数 N 对应该应力水平的循环破坏寿命 线性疲 劳累积损伤理论 认 为疲 劳损伤 累积 系数 D 一1时 零件发生疲劳破坏 2 2疲 劳分 析过 程 压边圈本体结 构 的疲 劳分析 在 ANS YS平 台的 F ATI GUE模块 中进行 根据名义 应力法 的分析步骤 首 先 要确 定结 构 的危 险部 位并 获 得危险部 位 的载 荷 谱 由有 限 元 分 析 结 果 可 知 压边 圈本体 最 大等 效应 力 出现 在压 边 圈 内 侧拐 角位 置 最 大等 效应 力 为 2 5 2 MP a 对该 时刻压边 圈节点 应 力结 果进 行排 序 压 边 圈本 体节点等效应力 由大到小排 序如 图 5所示 由 应力排序结果可知 节点 编号 1 6 9 6 5 8的节点有 最大等效应力 选择该节点作为疲劳分析对象 并从有 限元分 析结 果 的 r s t 文件导 入该节 点 的 应力载荷谱 PRINT S NOOAL SOLUTION PER NODE P O5 T 1 N OD AL S TR E SS L IS T IN G L OA D s TEP 1 S UB S TE P 6 TI ME 0 2 27 5 0 E O 1 L O AD CA5 E t 0 h l oD E S1 S2 S3 16 9 65 8 3 06 7 9 0 6 3 80 6 3 8 3 4 8 1 5 65 3 3 13 O 2 Z 一 6 9 09 8 1 5 6 5 7 15 6 5 3 1 1 i 5 8 9 1 1 93 5 3 6 5 1 7 16 96 5 4 10 2 9 7 0 9 1 19 8 17 4 6 2 1 5 6 5 3 4 3 60 8 6 1 0 0 40 1 16 8 7 1 5 6 4g 8 1 29 5 4 5 3 01 7 3 47 4 8 16 65 4 2 13 6 18 2 O 5 9 9 13 4 5 9 1 5 65 4 1 2 46 1O 3 73 2 3 12 1 4 5 15 6 5 2 6 13 2 8 S 0 5 65 3 3 13 4 1 1 15 65 29 1 33 25 2 5 16 6 13 3 5 9 图 5压边圈本体节点应力排序 前 1 O节点 压边 圈本体 材料 使用 HT3 0 0 抗 拉强 度 为 3 0 0 MP a 材料 的疲劳特性参数可在相关手册得 到 g 名义应力法要 求根据 应力 集 中系数对材 料 S N 曲线进行修正 获得基 于当前应力集 中 系数的零件 S N 曲线 本 文疲劳 分析 的对 象 是节点 基于 ANS YS的有限元分 析获得的是节 点的应力应 变响应 对于节 点的疲 劳分析 应力 3 0 Di e a nd M o ul d Te c h no l og y No 4 2 01 4 2 3三次成 形模 具 图 7所示为工序 4的三次成形 翻边模 结构 图 包含周边翻 4 mi l l 直边 以及扁孔翻 2 i T l m 直 边 采用 四滚珠 式导 柱导 套模 架 安 装在 8 0 t 3 结论 冲床 其凸 凹模 设 计形 式 与落 料 冲孔 复合 模 一 致 为方便 卸 料 在 长 圆孔 内设计 有 退料 装 置 并 通过在 长圆 孑 L 内的退 料块 上设 计 4个 中 心销进行精 确定 位 以防 止 由于定位 偏 而导 致 翻孔边 出现参差不齐现象 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5广 1 1 6 1 7 1 8 l l l l 豹 L L 一 i I 磁 磁 磁 l C C C r o C C C I o o C C 冒 C o C C J C C C 1 上模 板 2 滚 珠 式 导柱 3 顶