影响轧制差厚板冲压成形性能的几何参数研究

第 4期 2 0 1 2年 4月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma nu f a c t u r e 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 4 0 0 0 7 0 3 影响轧制差厚板冲压成形性能的几何参数研究 木 张华伟 胡 平 刘立忠 刘相华 李 龙 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室 运载工程与力学学部 汽车工程学院 大连 1 1 6 0 2 4 东北大学 研究院 沈阳 1 1 0 8 1 9 吉林大学 汽车工程学院 吉林 1 3 0 0 1 2 Re s e a r c h 0 13 g e o me t r i c p a r a me t e r s a f f e c t i n g s t a mp i n g f o r ma b i l i t y o f t a I O r r o l l e d b l a n k ZHANG Hu a we i HU Pi n g LI U L i z h o ng LI U Xi a n g h u a 2 L I Lo n g S c h o o l o f Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g F a c u l t y o f V e h i c l e En g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s S t a t e Ke v L a b o r a t o r y o f St r u c t u r a l An a l y s i s f o rI n d u s t r i a l Eq u i pme n t Da li a n Uni v e r s i t y o fTe c hn o l 0 g Y Da l i a n 1 1 6 02 4 C h i n a Re s e a r c h l n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 Ch i n a C o l l e g e o f Au t o mo t i v e E n g i n e e r i n g J i l i n U n i v e r s i t y J i l i n 1 3 0 0 1 2 C h i n a e 十 t 圳十 一 摘要 轧制差厚板的出现使得汽车行业能够获得更轻的车身重量以及更低的生产成本 为 了 推动轧制羞厚板的应 用进程 需要对其冲压成形性能进行深入研 究 对轧制差厚板方盒形件进行 了冲 压成形仿真 以进料量之差 最大厚度减薄率以及厚度过渡区中心移动量为评价标准 分析了不同板厚 比及厚度过渡区位置对 差厚板成形性能的影响 研 究结果表明 板料厚度差越小 过 渡 区越接 近薄侧端 部 差厚板 的冲压成形性能越好 关键词 轧制差厚板 方盒形件 冲压成形性能 厚度比 过渡区位置 A b s t r a c t L ig h t e r W e i g h t a n d l o w e r c o s t a r e p u r s u e d i n a u t t i e i n d u s t r y a n d th e e m e r g e n c e o f t l r r o l l e d b l a n k T R B c a n m a k e t h e m c o me t r u e I n o r d e r t o p r o m o t e t h e a p p l i c a t i o n p r o c e e d i n g o fT R B i t 5 n P c e s s a r y t o c a r r y o u t d e e p r e s e arc h o n s t a m t i n g f o r m a b i l i t y o fT R B T h e s t a m p i n g p r o c e s s o fT R B W C 8 s i mu l a t e d o n s q u are c u p E f f e c t s oft h i c k n e s s r a t i o a n d t h i c k n e s s t r a n s i t i o n z o n e p o s i t i o n o n s t a m p i n g f o r ma b i l i t y ofT R B w e r e a n a l y z e d b a e d o n t h e f o l l o w i n g c t we c t s m at e r i a l i n flu x mar g i n m 1 x i m u m t h i n n i n g a n d m o v e m e n t of t h i c k n e s s t r a n s i t i o n z o n e c e n t e r T h e r e s u h s i n d i c a t e t h at t h e s ma l l e r t h e t h i c k n e r a t i 0 i 凡 d i 2 e z e e r f e t h i c k n e s s t r ans i t i o n z o n e i s t o t h e t h i n n e r s i d e e n d t h e b e t t e r t h e s t a in p i n g f o r m a b i l i t y o fT R s Ke y w o r d s T a i l o r r o l l e d b l a n k T R B S q u a r e c u p S t a mp i n g f o r ma b i l i t y T h i c k n e s s r a t i o T r a n 一 s i t i o n z o n e p o s i t i o n j 中图分类号 T Hl 6 T G1 l 3 2 6 2 文献标识码 A 1 引言 轧制差厚板 T a i l o r R o l l e d B l a n k T R B 是继激光拼焊板 T a i l o r We D d e d B l a n k T WB 之后 的又一种基 于新材料加 技术的 轻量化结构用材 由德国亚琛工业大学金属成形研究所 I n s t i t u t e o f Me t a l F o r m i n g I B F 于上世纪末开 发出来I 南轧制差厚板加工 而成的零件具有更好的承载能力以及更轻的重量 车 L 制差厚板的 出现使得汽车轻量化的发展前景更具潜力 介绍 了轧制差厚板的概念 归纳了差厚板较之拼焊板的优 势所在 阐述了差厚板在汽车行业的应用 以及研 究现状 之后建 立了差厚板方盒形件冲压仿真模型 对轧制差厚板的冲压成形进 行了数值模拟 并对成形结果进行了分析 讨论了板料厚度比以 及过渡区位置对轧制差厚板冲压成形性能的影响 2轧制差厚板特点 2 1概念 轧制差厚板是通过一种新的轧制工 艺 柔性轧制技术 而获得 的连续变截面薄板 在钢板轧制过程中 通过计算机实时控制和调 整轧辊的间距 以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的 板术 寸 朗 轧制差厚板有单面轧制板与双面轧制板之分 如图 1 所示 薄侧 过渡 区 厚侧 图 1轧制差厚板示意图 2 2 优势 轧制差厚板的m现 解决了由传统单一厚度材料所不能满 足的超宽板及零件不同部位具有不同工艺性能要求的工艺问题 对减轻汽车重量 减少加工工序 降低成本 提高生产效率 减少 材料消耗都有十分重要的作用 轧制差厚板经加工后制成的汽车零部件将具备更好的承载 能力 且明显的减轻了重量 与激光拼焊板的厚度突变不同 车 L 制 差厚板是厚度渐变的 而且没有焊缝 硬度 以及应力的变化均 比 较乎缓 因此具有更好的零件表面质量 更优的力学性能 更少的 工序数 更简单的模具型面以及更高的成形性能 差厚板硬度变 化图 如图 2 所示 来稿日期 2 0 1 1 0 6 2 0 基金项目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 2 0 0 9 A A 0 4 Z 1 0 1 国家自然科学基金重点项目 1 0 9 3 2 0 0 3 国家重大基础研究发展 0 9 7 3 计划 2 0 1 0 C B 8 3 2 7 0 0 中央高校基本科研业务费专项资金联合资助 8 张 华 伟等 影 响 轧 制差 厚 板冲 压 成 形 性能 的 几 何 参 数 研究 箜 塑 图 2轧制差厚板硬度变化示意图 2 3应 用 随着 T R B的大量生产 其成本不断降低 部分汽车车身结构 已经开始使用 T R B加工 目前主要的应用包括引擎盖板 B柱 车身底盘 马达间隔导轨 中间立柱内板 挡泥板和防撞箱等 4 1 轧 制差厚板已开始在汽车强国德国和美国进入汽车市场 并且成功 用于奥迪 宝马 大众 通用等车型 2 4研究现状 某汽车公 司的一些科研人员提 出了轧制差厚板在 汽车前端 部正面碰撞 中的应用 国外一些科研人员认为与普通等厚板相 比 轧制差厚板不仅能够节约板材 而且具有更大的拉深深度 6 1 东北某大学一些科研人员对变厚度柔性轧制技术进行了深入的 研究 7l 上海某大学的一些科研人员研究了影响轧制差厚板单向 拉伸的几何参数 然而轧制差厚板冲压成形的仿真工作目前还 还没有深入开展 板料厚度比以及过渡区位置如何影响差厚板成 形性能等方面也有待进一步研究 3成形仿真 3 1仿真模型的建立 应用三维建模软件 C A T I A建立冲压仿真 C A D模型 凸模尺 寸为 8 0 x 8 O x 4 0 mm 侧壁圆角半径为 8 mm 凸模圆角半径为 8 ra m 凹模圆角半径为 6 ra m 采用阶梯压边圈 如图 3 所示 采用 双面变厚度轧制板 坯料 尺寸均 为 1 8 0 x l 8 0 m m 过渡 区中心位 置分别在板料薄侧一 3 0 ram 一 1 5 m m 板料 中心 O m m 板料厚侧 1 5 mm 3 0 ra m 板料厚度组合及厚度比 如表 1 所示 图 3阶梯压边圈示意图 表 1板料厚度组合及厚度比 3 2划分有限元网格 模型的网格划分是通过 D Y N A F O R M软件的前处理器 e t a D Y N A F O R M来完成的 对轧制差厚板厚度过渡区采用厚度为小 增量的片体来模拟连续厚度变化 分析中采用 B e l y t s c h k o T s a y 薄壳元理论 网格 自 适应划分 有限元模型 如图4所示 凹模 差厚板 压边圈 凸模 图 4有限兀模型 3 3材料选择 凸模 凹模以及压边圈定义为刚体 板料选用遵循 B a r l a t 屈 服准则并经过退火处理的材料 D Q S K 该材料模型为平面应力状 态 幂指数硬化方式 材料性能参数 如表 2所示 表 2材料性能参数 材料 杨氏模量 G P a泊松 比 屈服强度 MP a强化系 U MP a 硬化指数 D Q S K 2 0 7 0 2 8 1 5 4 3 5 2 0 4 O 2 3 2 3 4仿真参数设置 采用 D Y N A F O R b l 软件对方盒形件进行冲压成形仿真 为 了抑制起皱及破裂现象的发生 并且充分发挥板料的成形性能 压边力取为 6 0 k N 合模以及成形速度分别为 2 m s 和 5 m s 模具 间隙为料厚的 1 1 倍 板料与凸模 板料与凹模 板料与压边圈之 间的摩擦系数分别为O 1 2 5 0 0 5 0 0 5 4结果分析 4 1材料流入量 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 板厚比 图 5板厚比和材料流人量的关系 过渡区中心位置 ram 图 6过渡区位置和材料流人量 的关系 由于板料两侧存在着厚度差 在成形过程中所受到的拉深 力也不相同 因此导致流人凹模中的材料量有所不同 不同的板 料厚度比以及过渡区位置对材料的流入量均有影响 如图 5 图6 所示 由图5可知 随着板厚比的增大 材料进料量之差也随之增 大 板料两侧的厚度比越大 强度比也相应增大 薄侧更易屈服而 4 2 O 8 6 4 2 O 喜榭 堪咖萁 蘑睦吐糖 No 4 A p r 2 0 1 2 机械 设 计 与制 造 9 向凹模 中流人更 多的材料量 这就导致 了进料量更不均衡 厚度 比越大 板料两侧进料量的不均衡性越大 由图6可知 随着过渡 区离薄侧端部距离的增加 薄厚两侧进料量之差也随之增大 整 块板料的薄侧面积越大 薄侧就会承受更大的拉 深力并产生更大 的变形 而向凹模 中流入更多的材料 4 2差厚板最大减薄率 板料成形过程中 方盒件的底部以及侧壁均有不同程度的 减薄 特别是底部和筒壁相切处减薄最为严重 因为此处在拉深 开始时处于凸凹模之间 需要转移的材料少 变形程度小 冷作硬 化程度低 加之该处材料厚度变薄 使传力的截面积变小 所以往 往成为整个拉深件强度最薄弱的地方 成为拉深工程中的 危险 断面 19 1 板料厚度比与最大减薄率的关系 如图 7 所示 过渡区位 置与最大减薄率的关系及其三次回归曲线 如图8 所示 9O 8 O 70 6 0 5 o 4 o 3 0 2 O 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 馏1 9 2 0 2 1 板厚 比 图 7板厚 比和厚度减薄率 的关系 过渡区中心位置 mm 图 8过渡 区位置和厚度减薄率的关系及其三次 回归曲线 从图7可以看出 随着板厚比的增大 最大减薄率不断增大 原因在于板料两侧强度比的增大导致薄侧的 危险断面 由于产生 更大的变形而更早出现局部减薄甚至缩颈 从图8 可以看出 随着 过渡区离薄侧端部距离的增加 最大减薄率也不断增大 这主要是 由于随着薄侧板料所占比例增大 整块板料的成形I生能降低 4 3差厚板厚度过渡区中心移动量 对于差厚板 由于板料的厚度存在变化 厚度过渡区在成形过 程中会有移动 过渡区的移动量越小 板料薄厚两侧受力就越均匀 减薄率相差也越小 板料贴愤f生 也越好 因此 研究差厚板厚度渐变 区域的移动就显得非常必要 其结果 如图9所示 由图 9 a 可知 随着板厚 比的增大 厚度过渡区的移动量也 增大 原因在于厚度比越大 板料薄厚两侧强度比也就越大 薄侧 材料更容易屈服而产生更大 的塑性变形 进而 向凹模 中流入更多 的材料 由图 9 b 可以看出 底部过渡 区移动量随着过渡区离薄 侧端部距离的增大而增大 原因是在这种情况下 薄厚两侧的进 料量越来越不均衡 从图9 b 中我们还可以看出 法兰过渡区移 动量从小到大依次为过渡区位于板料中心 0 m m 位于薄侧一 1 5 ram 一 3 0 ra m 位于厚侧 1 5 m m 3 0 ra m 由于方盒形件的直边进 料 阻力小 进料快 圆角处进料 阻力大 进料慢 因而圆角部 分的 材料要向直边中心流动去补充 这样就会影响板料正常的流动 而过渡 区离板料 中心越近 受到的影 响就越小 O 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 o 1 2 O 1 4 0 1 6 o 1 8 0 与 法 兰端距离 m m h 图 9过渡区位置和过渡区移动量的关系 5结论 1 随着板厚比的增大 差厚板的材料流入量变得愈发不均 衡 最大减薄率更大 厚度过渡区移动距离也更远 2 随着过渡 区离薄侧端部距离的增加 差厚板的材料流入量更不均衡 最大 减薄率增大 厚度过渡区移动距离也增大 3 对于所研究的方盒 形件 应该尽量取小的厚度 比以获得更好 的成形性能 过渡区应 该位于板料中心或者稍偏 向薄侧 以更好地控制过渡 区的移 动 参考文献 1 R K r u x W H o m b e r g M K l e a n e r P r o p e r t i e s o f l a r g e s c a l e s t r u c t u r e w o r k p i e c e s i n h i g h p r e s s u r e s h e e t me t a l f o r mi n g o f t a i l o r r o l l e d b l a n k s J S h e e t Re s e a r c h I n t 2 0 05 2 董帝 韩静涛 刘靖 超 轻量汽车用 T R B板及柔性轧 制技术 研究 c 2 0 0 7年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2 0 0 7 3 杜继涛 甘屹 齐从谦 T R B及 其轧