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汽车锁座冲压工艺及模具设计,汽车,冲压,工艺,模具设计
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毕业设计（论文）外文翻译资料学 院机电工程学院专业班级机械工程150106班指导教师孙宪萍姓 名刘硕外文出处Materials and Design 102 (2016) 2472542019年 月 日1长春工业大学毕业设计（论文）外文翻译资料冲压成形过程中拼焊板的多次迭代回弹补偿摘要：由于焊缝的影响，拼焊板的成形和回弹比传统的板材更加复杂。目前的研究通过金相显微镜和扫描电子显微镜研究了TWB的微观结构和裂纹。拉伸测试表明薄且厚的材料具有相似的机械性能。TWB的最大伸长率和屈服强度下降，而TWB的拉伸强度大于基础材料的拉伸强度。我们提出使用多次迭代回弹补偿来提高TWB的回弹补偿精度。模拟整个成形过程（包括拉拔，修剪和穿孔以及回弹分析）用于探讨汽车地板加固的冲压成形。成形参数在绘制过程中进行了优化。此外，还进行回弹计算以预测成形零件的回弹。此外，多次迭代回弹补偿应用于绘图工具并通过实验进行验证。实验结果与仿真结果一致。关键词：拼焊，微观结构，断裂，回弹补偿，有限元法1.引言定制焊接坯料（TWB）由两块或多块焊接板组成，可以在一次成型操作中一起形成；焊接片材可能具有不同的厚度，机械性能或表面涂层1-3。随着汽车轻量化的趋势，TWBs成型已成为实现轻量化汽车的有效方法。该技术可以提高整体车身刚度和安全性，同时节约材料和减轻车重4。因此，TWBs在汽车中的应用每年都在增加。许多材料，包括低碳钢和高强度钢（HSS）和铝合金，都可以用作TWB 5,6。 HSS TWB由于其高屈服强度和良好的焊接性能而在汽车工业中得到迅速发展。 TWBs形成已成为近年来的一个热点问题。 Abbasi等人7分析了TWB在深冲中的起皱行为。 Nguyen等人8通过使用有限元方法（FEM）提高了高强度差分TWBs的可拉性。此外，Bandyopadhyay等人。文献9提出通过控制初始焊缝位置来限制焊缝运动，可以提高双相钢TWB的极限拉深比和深冲性能。 Mamusi等人10引入了一种新颖的方法来获取TWB的成形极限图（FLD）。 Song 11和Safdarian 12研究了厚度比对TWB成形性的影响。研究人员强调，随着TWB厚度比的差异增加，FLD的可成形性和水平降低。之前对TWB的研究主要集中在这些材料的微观结构、力学性能、起皱行为、FLD、拉伸比和可成形性。很少有研究报道TWB的回弹补偿。众所周知，回弹是板料成形中常见的普遍问题13。当工具从成型零件上移除时会出现回弹14。过大的回弹会导致最终的和设计的零件之间出现相当大的形状偏差，并且可能会在随后的成型操作或组装中导致一定的困难。表1 TWB中使用的基材的化学组成（重量）CSiMnPSAlFeb 0.15b 0.6b2.5b 0.04b 0.015N 0.01Balance尽管有限元法已成功用于模拟复杂零件的冲压成形，但该方法仍不能提供有关回弹的令人满意的解决方案15。迄今为止，以前关于回弹的研究主要集中在简单的几何形状上，如圆柱形工具，L形弯曲，U形弯曲和V形弯曲16。然而，对复杂零件的回弹补偿的研究是有限的。此外，众多刀具制造商基于设计师的经验处理回弹问题。许多小企业在模具设计之初忽略了回弹。最初的试模零件通过特殊的夹具进行检测，根据检测结果对模具表面进行修改。复杂零件通常需要三次或三次以上的修改，并在成形零件满足允许的公差要求前进行模具试模17。显然，传统方法可能会导致预测成本和交付周期的不确定性。2.材料2.1.微结构本研究中使用的TWB是通过激光焊接两种具有相同化学成分和不同厚度（1.2和1.6mm）的钢板制成的。 TWB中使用的基材（HC340 / 590DPD + Z）的化学成分列于表1中。基材属于双相HSS。鉴于其良好的性能，这些类型的TWB被广泛用作汽车工业中的结构和增强零件。基础材料和焊接材料的显微组织和力学性能显着不同18。基体材料和焊缝区的微观结构通过金相显微镜来确定19。焊接接头，母材，热影响区（HAZ）和TWB焊缝的微观结构如图1所示。焊缝具有狭窄的焊缝和小的HAZ，存在明显的边界在基材和焊缝之间。由于基体材料处于轧制状态，热影响区是由焊接热循环引起的梯度结构区域，并且焊缝处于铸造状态，所以不同区域的微观组织不同。基体材料的组织由铁素体和马氏体组成，马氏体组织分布在具有岛状分布的铁素体基体中（图1b）。 HAZ的显微组织主要由铁素体，珠光体和少量马氏体组成（图1c）。焊缝的显微组织由贝氏体和马氏体组成（图1d）。TWB的机械性能由基体材料和焊缝的微观结构决定。 图1（a）焊接接头横截面，（b）基体材料，（c）HAZ和（d）焊缝的微观结构2.2 拉伸试验使用ASTM-E8标准试验20的拉伸试验来获得基材的机械性能，而基于参考文献1的焊接材料的试样。 19,21被用来获得TWBs材料的机械性能。拉伸试验在室温下以5mm / min的受控位移速率进行。图2显示了基板和TWB的真实应力 - 应变曲线。结果表明薄板和厚板的真应力 - 应变曲线相似。基材（薄和厚材料）的屈服强度分别为442.09和432.47MPa，而TWB的屈服强度分别为373.15MPa。基材（薄和厚材料）的伸长率分别为26.17和26.46，而TWB的伸长率为18.48。从图2中我们可以得出结论，薄的和厚的材料的力学性质是相似的。此外，可以清楚地观察到焊缝的影响。焊接坯料减少了被测材料的最大伸长率。另外，TWB的强度大于基材的强度。从这些性质，我们可以得出结论：高强度和低伸长率降低了TWB成形性;增加起皱，开裂和回弹的风险;并增加形成部队的需求22。 图2.基础材料和TWB的真实应力 - 应变曲线应该确定材料的失效情况，以尽量减少生产过程中的故障23。断面用TESCAN VEGA3 LMH扫描电子显微镜（SEM）表征，配备能量色散型X射线光谱仪，放大倍数可达1,000,000。图3显示了拉伸试验后断裂表面的SEM显微照片。图像显示了基材断裂表面上的许多等距凹痕。这个结果表明基体材料的断裂类型是典型的韧性断裂（图3a和b）。如图3c所示，TWB焊缝的断裂表面显示河流型式和围绕解理面的许多凹坑，显然表明存在韧性断裂裂缝。3.方法成形过程模拟和多次迭代回弹补偿如图4流程图所示。首先，根据零件的特点对过程进行分析和设计。在第一阶段，应该计划零件的成型过程。一旦工艺设计完成，可以执行称为模具表面设计的齿顶和活页夹设计。对整个成形过程进行模拟，包括绘图，修剪，穿孔和冲孔，以验证设计过程的可成形性，并确定是否设计的表面可以没有任何缺陷地形成。基于模拟的反馈，可能需要通过几次迭代来修改或重新设计加工几何和工艺参数。仿真结果反馈给设计人员，并根据仿真反馈对过程和模具表面的设计进行调整和修改。同时，在有限元（FE）模拟中对工艺参数（例如压边力和拉伸速度）进行了优化。当形成诸如皱纹和裂缝等缺陷时，回弹成为主要问题。进行回弹计算以预测从成型零件移除工具之后的回弹。可以获得回弹部分和设计模型之间的偏差距离并且用于估计回弹部分是否能够达到容许公差。如果公差要求不能满足，模具表面应该得到补偿。 图4.形成过程模拟和多次迭代回弹补偿的流程图 图5.位移调整方法示意图：（a）第一次回弹补偿（b）第t次回弹补偿位移调整法是一种有效的回弹补偿方法24。这种方法的原理包括计算回弹和参考形状之间的距离。在回弹的相反方向上获得相同距离的补偿形状。如位移调整方法的示意图所示，零件的几何形状为定义为一个有3个节点的FE网格，系数i是FE中的一个节点。是零件的参考形状（或设计形状），是回弹形状，是补偿形状。参考和回弹形状可以定义如下：形状偏差可以如下计算形成的部分如果最大形状偏差超过零件公差design的设计要求，则应对工具进行补偿。补偿后的形状表示为因子a被称为补偿因子，通常为负值，在-2.5和-1之间变化。第一补偿形状被定义为.利用这种补偿几何形状，可以进行新的成形过程模拟。 是第t次的补偿形状。是第t次的回弹形状有限元模拟中的回弹分析。如图4所示，该过程需要重复两次或更多次以满足元件公差的设计要求。当最大形状偏差满足零件公差的设计要求时，完成多次迭代回弹补偿。判别函数可以表示如下4.模拟4.1有限元模型如图6a所示，在实验中研究了由HSS TWB组成的汽车地板加强件。零件的初始毛坯轮廓可以通过展开零件获得，添加一定的修整余量并将轮廓修圆（图6b）。左侧是厚度为1.6毫米的长方形空白，右侧是厚度为1.2毫米的等腰梯形空白。根据汽车地板钢筋的结构特点和成型工艺分析，该部分的成型工艺包括拉拔，修边，穿孔。零件的齿顶和活页夹表面是使用3D软件设计的。为了分析和优化成形过程，使用有限元软件Autoform在图7中建立了整个成形过程的有限元模型。最初的空白被设定为厚度为1.2和1.6mm的双相HSS（HC340 / 590DPD + Z）。表2 25中显示了FE仿真中使用的材料属性和工艺参数。描述材料硬化行为的流动曲线在拉伸试验中获得。在有限元模拟中使用三角形元素，初始空白的节点和元素数分别为285和487。达到准确性和保存计算时间，自适应网格在成形过程中进行零件的元素修正。 TWB的有限元模型比传统的金属板成形模型更复杂，因为TWB的力学性能与基础材料的不同26。在有限元模型中，焊缝被认为是刚性连接（点焊），因为这种模型特别适用于处理激光焊接毛坯，特别是HSS TWBs焊缝金属的高强度27。 图6.（a）汽车地板加固 和（b）空白轮廓 图7.整个成形过程的有限元模型：（a）绘图（b）修整和穿孔和（c）回弹分析模拟整个成形过程，包括绘图，修剪和穿孔以及回弹分析，被用来探索冲压成形。绘图过程分为三个阶段：重力加载阶段，压边机关闭阶段和绘图阶段。重力加载阶段被采用到弹性壳单元。另外，弹性塑料外壳元件被应用于剩下的两个阶段。模具，冲头和粘合剂在拉伸过程中被设置为刚体。一个恒定的摩擦系数= 0.125被用于空白和刚性冲压工具之间的接触界面;此外，在模拟过程中，关闭速度和拉伸速度均为1 mm / s。图7b展示了修剪和穿孔过程中的修剪和穿孔线。如图7c所示，在回弹分析过程中，三点（F1，F2和F3）被强制约束条件用来约束成形零件。表2模拟中使用的材料属性和工艺参数 图8.回弹补偿中零件的不同区域4.2 多次迭代回弹补偿回弹是冲压成形过程中的常见问题，TWB成形也不例外。为了解决这个问题，实践中开发了两种方法。第一种方法是控制和优化成形参数（即成形温度，压边力，接触摩擦，刀具半径）28。第二种方法称为回弹补偿，通过修改冲压工具的形状进行29。回弹补偿通常用于开发这些工具。回弹可以在成形后保留，但回弹后零件的最终形状将与设计的形状紧密相符。回弹补偿通常可以分为三种类型，即补偿所有冲压工具，补偿一部分冲压工具或仅补偿绘图工具。一般来说，补偿绘图工具的策略比其他策略更为经济。因此，我们在这项研究中选择了这种方法。如图8所示，绘图工具表面由三个区域定义：直接补偿区域，固定补偿区域和过渡区域。零件的最终形状被定义为直接补偿区域，并且该区域由回弹模拟结果的逆矢量补偿。粘合剂表面被定义为固定的补偿区域，在回弹补偿中是不变的。直接补偿区域和固定补偿区域之间的区域被定义为过渡区域，该区域用于保证补偿表面的连续性，而不会产生负的拔模角度。 图9.绘制后零件的成形极限图 图10.修剪和穿孔后的厚度分布图图11.通过有限元模拟计算的回弹预测结果如图4所示的流程图所示，采用了多次迭代回弹补偿。当完成第一次补偿时，补偿后的模具表面应在模拟整个成形过程中进行验证。是否应该检查回弹部分的第二次形状偏差是否满足允许的公差。如果它不能满足允许公差= 0.7毫米（根据汽车制造商对此零件的装配要求），必须进行下一次补偿，直到最终零件的形状公差满足允许公差。5.结果与讨论5.1 成形性和厚度分布使用FE软件中的单因素实验优化成形参数。例如，在拉拔过程中，压边力从60T到100T每5吨（T）模拟一次。根据FLD的观察结果和后处理器中模拟的厚度分布，压边力的最佳范围被定义为75-85 T.绘图过程结束时的成形极限图（压边机力等于80 T）如图9所示.FLD清楚地表明，绘图部分没有任何缺陷，如皱纹和裂纹。图10显示了修剪和穿孔后的厚度分布图。由于最初的空白是TWB，因此左侧的厚度大于右侧的厚度。5.2 反弹预测当形成诸如裂纹和皱纹等缺陷时，回弹成为主要问题。因此，回弹分析被用来预测回弹。通过有限元模拟计算的回弹预测结果如图11所示。数据显示回弹最大值为3.04 mm。就不同厚度的HSS TWB而言，坯料厚度是一个重要的影响因素。通常，坯料越薄，回弹值和形状误差就越大。5.3 反弹补偿对于汽车地板加固，当迭代回弹补偿和整个成形过程的模拟第三次实施时，回弹部分满足允许公差。图12显示了使用多次迭代回弹补偿的绘图工具的补偿结果。部分显示了回弹补偿后的原始形状和形状。从补偿结果可以得出结论，直接补偿区域和过渡区域表现出明显的变化，并且补偿部分的侧壁呈现向内移动。当完成多次迭代回弹补偿时，最终的补偿表面可以输出到3D软件（例如UG和CATIA）。另外，补偿面用于制造工具。作为零件的上层，补偿表面可以用来直接制造阴模，在制造阳模时，材料厚度应该被抵消。图13显示了实验中的试用部分。图12.使用多次迭代回弹补偿的绘图工具的结果为了检查形状偏差，试模部分放置在一个特殊的夹具上，检查了零件的32个测量点。特殊夹具的设计和制造是为了测量成型零件的孔，形状偏差和修剪偏差。特殊夹具的工作表面与设计零件的参考表面偏离表面，所以特殊夹具和成形零件之间的间隙可以使用间隙计轻松测量。形状偏差可以从测量结果中计算出来。图14显示了32个测量点的位置以及试用零件在特殊夹具上的检查结果。如图14所示，红线之间的区域表示容许公差范围。在允许公差范围内共发现24个测量点，表明该零件的合格率在第一次试模中为75。在实践中，技术人员根据试模部分的检查结果手动修改不确定点的模具表面，以提高零件的合格率。剩余的不合格测量点可以进行简单的手工模具表面修改，因为不确定区域和零件的最大偏差很小。实验和模拟结果的差异归因于许多因素，如单元类型，材料模型，本构方程，摩擦模型和求解算法。考虑到传统方法对复杂汽车面板的回弹补偿精度低，通常需要三次或更多次重复来补偿模具表面，再制造工具和调试工具，直到成型零件满足容许公差要求。虽然所提出的方法不能提供高度精确的补偿结果，但与传统方法相比，它可以有效地减少试模数量和试用时间。在本研究的FE软件中模拟了相同材料和不同厚度的TWB的回弹补偿。此外，还可以在该有限元软件中定义和实施具有不同力学性能和厚度的TWB以补偿回弹30,31。 TWB中的不同基材将分别在FE软件中分配相应的材料参数。另外，下面的回弹补偿方法可以与具有相同机械性能的TWB相同。图13.实验中的试用部分图14.试用零件的检查结果6.结论1.拉伸试验表明，薄和厚材料的力学性能非常相似。焊缝降低了TWB的最大伸长率和屈服强度。TWB的拉伸强度大于基础材料的拉伸强度。2.基体材料的断裂涉及典型的韧性断裂，而焊接坯体的断裂包括韧性断裂和裂开断裂。 3.使用整个成形过程的模拟来分析TWB的成形过程。实验结果表明，仿真结果与实验结果吻合。因此，模拟可以为实际生产提供指导。4.回弹最大值为3.04mm，无回弹补偿。当第三次实施多次迭代回弹补偿和整个成形过程的模拟时，回弹后形成的零件满足允许的公差。5.检测结果显示，32个测量点中的24个可以满足几何公差。因此，通过在试模第一次使用多次迭代回弹补偿，合格的生产率可以达到75。因此，使用所提出的方法可以减少补偿和试用时间的数量参考文献1 F.I. 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