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高强度钢板的冲压形状冻结改善技术

来源:http://www.cqhwwz.com/news/44.html   发布时间:2018-03-17

高强度钢板适用在汽车零部件上的最大障碍就是回弹问题,针对该问题进行了发生机械机能与对策技术的研究。方法有:利用成形过程中发生的逆向弯曲方法、成形中增加竖立面张力方法、板厚方向加入应力改善不均等应力方法、温锻成形法、不加入压边圈减少硬模肩部曲线变形的方法。

1、背景说明

高强度钢板适用于汽车零部件时最大的困难,即形状冻冻结问题。

2.   回弹的产生机械论(基础理论)

将弯曲成形时发生形状冻结不良的原因大致进行分类,分为1)角度变化,2)竖面翘曲,3)三维不良(扭曲,棱线翘曲)。1),2)如图1所示:

即便是单纯的折弯成形也会发生不良,由于板厚方向应力不均等引起的弯曲力矩所产生。3)是带有复杂形状的零部件产生的,面板内应力不均等是诱因。这里对1),2)的形状冻结不良的产生机械论进行简单阐述。n 次硬化定律的材料,如图2所示进行简单弯曲时,将MP塑性弯曲为曲率半径R(=1 /ρ1)所必须的力矩,将ME弹性弯曲至曲率半径R时所必需的力矩,简单弯曲的回弹Δθ/θ公式如下。

塑性弯曲增大的高强度钢板回弹量与软钢等相比要大。另外,竖面翘曲如图 3 所示:

从弯曲开始前的点 a 开始,到成形开始的点 b,经过弯曲返回变形的点 c,在点 d 处受到去除荷重后的弹性恢复的形状。弯曲返回后的竖面翘曲量 S b ,将 M p塑性弯曲至曲率半径 R 所必须的力矩,将 M E 弹性弯曲至曲率半径 R 时所必须的力矩,其公式如下:

减少 M P 的加工方法,比如负荷张力时的 c 点处弯曲力矩M P 变小,就能减少竖面的翘曲量。

3.  形状冻结改善技术

3.1 利用逆向弯曲

图 5 作为其中一例,显示了改变模板肩部 R 时,竖面翘曲也会改变的例子。

试用材料使用了板厚1.4mm 的 590MPa 材料(析出強化)。改变各工具条件下的压边力度(BHF)来改变横轴竖立面张力 σ t 。σ t 通过以下公式算出。σ t = P / 2wt  (3)P:最大成形荷重,w:试验材料宽度,t:试验材料板厚热冲模成形后的竖面翘曲如图所示,发现模板肩部 R 为2mm以下,是竖面翘曲消失的条件。而且还可以看到向内翘曲(无回弹)的结果。这是由于相对于板厚的模板肩部 R 变小,模板肩部附近的紧密度变差,间隙内部发生逆向弯曲导致的。根据材料强度与板厚设定合理的模板肩部 R 与间隙,可以消除竖面翘曲,不过,实际零件中有伸缩折边的情况下,逆向弯曲的发生条件不同,减少模板肩部 R 会增加折断的风险,这是该方法的缺点。

3.2  竖立面的张力控制

成形过程中改变竖立面张力的方法,有报告认为可根据控制压边力度(BHF)来改善形状不良。该方法是成形初期可给与较小的BHF,成形后期再调高 BHF 来矫正形状的一种方法。报告指该方法与加入一定压力的情况相比,能让回弹、竖面翘曲问题得到显著改善。这种压边力度控制法,需要给冲压机配备可变压边力度的设备,一直以来使用的冲压机多半较难对应。因此,作者们研究,设置在模具的拉延筋,利用凸轮等,在成形后期挑出拉延筋。通过增加拉延筋张力达到与控制压边力度同样效果的方法。图 6 表示通过可变拉延筋方法降低竖面翘曲(曲率变化)的效果:

图中只通过概念图显示,通过采用可变拉延筋,成形最后工序中给予一定的拉延筋张力折断的高拉延筋张力,使得即便是 690MPa 级的高强度板材也能确保比 390MPa 的材料形状冻结得更好。

3.3 板厚方向应力附加

回弹与竖面翘曲,是接受弯曲与弯曲返回的被加工材料的板厚方向应力不均等形成的弯曲力矩所引起的。因此,为使板厚方向的弯曲力矩变小,适合采用在下死点处往板厚方向附加压缩应力的定位压方法。图 7 显示的是,冲压成形时BHF 从0kN 到 20kN 之间变化时,对于横轴的底压荷重(定位压荷重)所引起变化的回弹角度。

显示了一调高定位压负荷,角度几乎呈 90゜或者在这之下。像这样角度呈 90゜以下,无回弹发生,是由于如图 8 所示,成形初期上冲头底部产生的松弛通过定位压解决,因此弯曲范围扩大,去除荷重后弹性恢复,角度变小。图 7 的结果是 BHF较大时,成形初期的上冲头底部松弛减少,无回弹程度变小。

定位压控制角度变化有效,但对竖面翘曲无效,因此竖面翘曲需要其他解决对策。另外,上冲头角部带突出带凹槽,将上冲头底部设计成凸状,也是一种解决办法。

3.4 温成形技术

高温(400℃)下的拉伸强度如图 9 所示有所降低,590MPa 板材在高温下进行热冲模成形实验,测量竖面翘曲。

图 10 显示的是与室温成形相比,温成形的竖面翘曲量减少的效果图。用 400℃成形,可以使 590MPa 材料的形状冻结性能改善为相当于 440MPa 的材料。而且,高温加工的条件下通过合适的、能发挥高润滑性能的润滑剂,可提供高 BHF,这样一来,温成形+高BHF,即便 590MPa 的材料也能具有像软钢那样的形状冻结性能。

3.5  成形方法的改善(塑形成形,塑形拉延成形)

作为高强度钢板形状冻结不良的解决对策,成形(弯曲)加工案例使用现场案例数量增加。塑形成形是通过坯料夹具不加入压边荷重的成形,与拉延弯曲成形相比能够使模板肩部的弯曲变形量变小,因此可以减少竖面翘曲。不过,其缺点是,由于不用 BHF,更容易发生褶皱,一般适用于截面形状变化较少的部品。塑形成形可以说适用于高强度钢板的成形方法,可以往的文章中提及的案例较少,基础数据并不充分。这里介绍下使用缓冲模型模具的高强度钢板的成形实验情况,针对回弹与拉延弯曲成形进行比较研究后的结果。而且在塑形成形的下死点前加入张力,即便使用高强度钢板也仍然能做出形状冻结性能优良的产品。本加工方法适用于同模具的成形,现对此案例进行说明。上冲头底部形成高低面的缓冲模型形状的模具(模具较长方向曲率:4000R,上冲头肩部 R:5mm,拉模肩部 R:5mm,成形高度:70mm),使用该模具将 1.4mm×300mm×300mm 的试用材料

塑形成形,图 11 显示了(背压负荷 20kN)成形过程:


如图 11 的成形工序2显示,成形中凸缘跳回,模板肩部 R 的材料缠绕变缓,是塑形成形的特征。成形工序 3 显示的是在下死点,和通常的拉延弯曲成形几乎相同的形状。590MPa 材料,在冲床底部负荷背压的条件与无背压的条件塑形成形的形状,其测量结果与拉延弯曲成形的结果比较,如图 12所示:

从图中可以得知,塑形成形(有背压)比起拉延弯曲成形,竖面翘曲有所减少,因此张开幅度量变小。而且,上冲头底部的背压会消失,下死点附近冲床底部的材料流出量变大,可以抑制上冲头肩部角度变小,进而减少了张开幅度。不过,590MPa 材料、780MPa 材料仍然留有竖面翘曲,无背压的塑形成形让冲床肩部与模板肩部的转角形状变缓。为了进一步改善高强度材料的形状冻结性能,进入塑形成形的最终工序(定位压)之前,尝试了将 BHF 作用于凸轮部的塑形拉延成形法(塑形+张力),其结果如图 13 所示:

塑形拉延成形去除荷重后的幅度打开量得以进一步减少。而且,塑形成形、塑形成形+张力,都具有让高强度材料的幅度打开降低程度有所增加的趋势,被认为是适合高强度钢板成形的方法。

4.  回弹解析案例

形状冻结不良的解决对策,一般采用的方法是模具预加工,但需要怎样程度的预加工,即便对于经验丰富者也难以设计,因此希望确立有效的预测技术。作为理论预测回弹的方法,热弯形状等初步解析与实验式预测方法提上日程,但无法考虑逆弯曲与不适合广泛应用等原因,对 FEM 的解析期待变高。

现在的模拟无法得到生产现场所希望的回弹精度,而无法得到精度的原因也有很多。现在,主要使用在实际零部件解析的动之阳解法,因为是直接解出各节点的运动方程式,所以不用解联立方程式,适合复杂形状的成型模拟等,但无法保证力度的均衡,所以不合用于回弹解析。解析回弹受到用于解析的要素种类与材料构成式的影响巨大。这里通过现在的 FEM 解析以研究回弹定量预测精度为目的,与上一节论述的缓冲模型成形实验,使用静之阴解法的固态要素为基础进行解析的实验结果进行比较。作为解析的求解程序,使用市面销售的静之阴解法程序,通过4节点平面歪斜要素进行弹塑性解析。模具是刚体,坯料板厚方向分 5 等份(0.28mm),宽度方向分 500 等份(0.6mm)。材料硬化准则是各向同性硬化,用 Swift 模具硬化式取近似输入。不使用坯料夹具的成形,摩擦力小,因此工具与材料之间的摩擦系数为 0。负荷背压的上冲头成形后,按照背压去除荷重、上冲头去除荷重、模板去除荷重的顺序计算去除荷重的过程。

图 14 显示的是关于 440MPa 材料、780MPa 材料的回弹解析结果:

S 的高钢种程度的打开量与竖面翘曲变大,明确了与实际测量数据趋势一致。关于左侧及右侧的竖立面的竖面反翘曲率半径ρ 1 ,ρ 2 ,图 15 显示了 FEM与实验的比较情况,定量几乎一致,弯曲与弯曲返回的变形过程可以充分得到解析。用 440MPa 材料计算方面,竖面翘曲曲率半径仅以变小为由,该固态要素的解析就考虑不用 r 值。通过该解析,得到竖面翘曲曲率等良好结果的原因在于,该成形在长度方向截面形状变化较少,二维问题可以模型化,而且,因为是塑形成形,成形过程中的摩擦阻力影响较小等等。今后,包括截面形状变化与拉伸凸缘、紧缩凸缘在内,为适用于实际形状的零部件,面外要素的三维解析研究十分必要。不过,如上述所言,使用面外要素的解析,不同计算条件的解析结果各异,计算方法还未充分确立。

图 16 是使用面外要素查找成形时的数值积分方法(S-I:静之阴解法,D-E:动之阳解法)与板厚方向积分分数(IP)的影响。


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