板坯落料方向对类U型件拉深成形质量的影响

板坯落料方向对类U型件拉深成形质量的影响摘要：分析了轿车左右后纵梁拉深成形特点及板料的面内各向异性特征，应用Barlat平面各向异性屈服准则，在不改变模具几何形状、压机参数和板料的机械性能的条件下，分析落料方向不同对其成形质量的影响，提出板料抗厚向变形能力小的方向与类U型件开口方向一致时，不增加成本可以提高冲压件的成形质量。关键词：面内各向异性；类U形件；落料方向一、引言影响薄板成形质量的因素可分为三大类：模具的几何参数、压机参数和材料参数。You-MinHuang［1］研究了模具圆角、凸凹模的间隙对拉深成形质量及回弹的影响，陈关龙［2］研究了拉深筋的设置对轿车行李箱盖板拉深成形质量的改善情况。M.A.Ahmetoglu和A.Altan［3］研究了压边力曲线设置对薄板成形性能的影响，他们在仿真分析中，保持模具参数、材料参数不变的情况下，利用坯料厚度的变化量、凸模作用力、拉应力为反馈量来开环或闭环控制压边力曲线，从而改善拉深件成形质量；在实验中，用仿真分析中获取的压边力曲线来开环控制压边圈的运动，成功地用变压边力将直径为330.2mm高强度钢板拉深成高度为159mm的杯形件，而采用恒定压边力时拉深成形高度不超过78mm。林忠钦［4］对轿车侧框的冲压过程进行了动态仿真，分析了侧框冲压过程中的变形状态和稳定生产时的选材参数，通过提高材料机械性能指标，即提高板材的硬化指数n或厚向异性指数R来改善侧框的成形性能。修改模具参数来改善产品的成形质量只适合于在模具设计期间进行；采用可变压边力来改善板材的成形性能则要求冲压设备具有计算机控制系统和相应的检测设备，且目前具备计算机闭环控制的冲压设备还只是在实验室中应用；提高材料机械性能指标固然可以提高产品成形质量和稳定性，但同时生产的成本将大大提高。本文分析了轿车左右后纵梁拉深过程的成形特点，应用Barlat屈服准则［5，6］，根据材料的面内各向异性特点，在不提高材料机械性能指标、不改变现有冲压设备条件下，分析落料方向不同对轿车左右后纵梁的成形质量的影响。二、Barlat屈服模型本文仿真计算采用Barlat屈服模型，该模型适用于分析平面应力状态下板料为面内各向异性的弹塑性变形，如薄板冲压成形，使用各向同性指数硬化法则，能准确反映板料面内各向异性对成形性能的影响。平面应力下Barlat各向异性屈服准则为：2σmy＝a｜k1+k2｜m+a｜k1-k2｜m+c｜2k2｜m式中σy—屈服应力a和c—各向异性材料常数m—Barlat指数k1＝σxx-hσyy／2h和p─附加的各向异性材料常数对于指数硬化，材料应力─应变关系为：σ＝K(ε0+εp)n式中K—强度系数ε0—初始屈服应变εp—塑性应变n—硬化指数所有的各向异性材料常数，除了p隐含定义外，都由宽厚应变比即厚向异性指数R决定：对于任意角度φ方向的宽厚应变比可由下式计算：式中σφ—沿方向的单向拉伸应力当φ＝45°时，设则通过反复迭代就可计算出系数P。三、左右后纵梁拉深过程的有限元仿真1.拉深过程的成形特点图1是左右后纵梁的拉深制件图。可以看出在左右后纵梁的X-Z平面内只存在绕Y轴方向的弯曲变形；在Y-Z面内，Z向存在120mm深度的拉深变形，Y方向的材料承受拉伸变形。从其成形特点来看，左右后纵梁是一个较为复杂的类U型拉深件，Y方向的拉伸变形程度比X方向的拉伸变形程度要大得多。在左右后纵梁的右半部分存在阶梯拉深成形，其中A、B区为零件板料厚度减薄量最大的区域；在左右后纵梁的左半部分C区离定位孔很近。在左右后纵梁拉深成形过程中A、B、C三个区域可能是左右后纵梁成形中的薄弱环节。图1左右后纵梁的拉深制件(a)主视图(b)轴侧图2.板坯的材料性能参数表1是板坯材料ST1405-T的机械性能参数。其中厚向异性指数R值是评价金属薄板拉深性能的重要指标，它反映金属薄板在其平面内，承受拉力或压力时，抵抗变薄或变厚的能力。从表中数值可以看出R值在90°方向最大，说明板坯在90°方向抵抗变薄或变厚的能力最强。表1ST1405-T材料性能参数表3.不同落料方向的仿真计算结果在不改变模具参数、压机参数和材料牌号的条件下，针对两种落料情况：板坯的X方向(见图2)和材料轧制方向相同(CASE1)与板坯的X方向和材料轧制方向成90°(CASE2)，对左右后纵梁进行拉深成形过程的有限元仿真。图3a和图3b分别是CASE1与CASE2的左右后纵梁拉深成形后工程主应变分布状况。可以看出，当板坯的X方向与板料轧制方向成90°时，左右后纵梁拉深成形后的最大工程主应变为41.77%，比板坯的X方向与板料轧制方向成0°时的最大工程主应变31.38%大10.39%。进一步对两种落料方式成形后左右后纵梁的三个关键区域A、B、C的工程主应变、工程次应变、厚度、等效应力进行比较如表2所示，可见CASE1的最小厚度比CASE2的最小厚度要大，CASE1的最大工程主应变比CASE2要小，且两种落料方式导致成形后的危险区域发生了变化，CASE1的危险区出现在A区，而CASE2中B区为危险区域。图2左右后纵梁板坯图3左右后纵梁拉深成形后的工程主应变(a)板坯X方向与材料轧制方向相同(b)板坯X方向垂直于材料轧制方向表2两种落料方式时关键区域的计算结果4.成形质量分析成形极限图(FLC/FLD［7］)是分析冲压件开裂与否的主要判据。如图4所示，根据材料性能如n值、R值、厚度，计算出理论成形极限曲线FLC，然后将冲压件各点的变形状态与材料的FLC曲线进行比较，判断其是否处于安全区域。图4左右后纵梁拉深成形后的FLD图(a)板坯X方向与材料轧制方向相同(b)板坯X方向垂直于材料轧制方向通常冲压件上某一点的最大变形ε1与材料的极限变形εk间的存在着差值Δε，即Δε＝εk-ε1。同一零件中不同点的变形不同，其Δε也不同，其中必有一最小的Δε，将之记为Δεmin，并称为变形余裕度。一般情况下板材有效部位(最终零件所处部位)的变形余裕度Δεmin≥8～10%时，冲压件的稳定生产可以得到较好的保证。图4a和图4b分别是CASE1和CASE2时的左右后纵梁拉深成形后的FLD图。图4a中的变形余裕度Δεmin＝11.5%，最大变形点位于A区；图4b中的变形余裕度Δεmin＝1.6%，最大变形点位于B区。这表明，当板坯的X方向与板料的轧制方向成90°时，B区已趋近于临界颈缩，生产过程中工艺条件稍一波动，零件就可能出现局部拉裂现象。5.讨论如表1所示，左右后纵梁冲压用板材ST1405—T沿轧制方向的厚向异性指数R00＝1.97、垂直于轧制方向的厚向异性指数R90＝2.54，二者相差较大。对于这种面内各向异性较大的板材，落料方向的选取，对冲压成形质量有明显的影响。从成形的特点来看，左右后纵梁的拉深成形过程类似于U形件的拉深成形，当板坯Y方向的抗减薄能力比X方向的抗减薄能力强时，有利于提高拉深成形质量。从本文仿真结果可以看出，当板坯X方向与轧制方向相同时，左右后纵梁成形后的变形余裕度Δεmin＝11.5%，板坯变形处于安全区域；而当板坯X方向与轧制方向垂直时，成形后的变形余裕度Δεmin＝1.6%，变形进入临界区域，成形质量不稳定。这说明在这种类U型件的实际生产中，板坯落料方向对成形质量有着重要的影响。四、结论薄板冲压成形过程中，板材的面内各向异性对成形质量会产生重要的影响。利用Barlat屈服模型可以准确地反映薄板冲压成形过程中板材的面内各向异性对成形质量的影响。对于冲压左右后纵梁这样的类U形件，使板材抗厚向变形能力小的方向与类U形件开口方向一致，可以在不修改模具、压机参数的情况下，提高冲压件的成形质量。