機床商務網
技術文章
DP600高強鋼零件沖壓成形有限元仿真及試驗
閱讀：1127 發布時間：2013-4-18引 言
過去40 年, 汽車成形技術主要發展方向為安全性、電氣化和節能。當前, 能源問題和日益嚴格的環保法規使汽車制造技術發生很大變化, 輕量化是zui突出的發展方向[ 。車身約占整車重量的50%,
因此, 車身減重是汽車輕量化設計的關鍵。采用*的高強鋼板, 特別是兼顧良好碰撞吸能和成形性能的雙向鋼（ Dural phase, DP 鋼） , 在保證車身安全性能的同時, 能夠顯著降低車身重量,得到廣泛關注 , 為鋼板供應商和汽車生產廠聯手建立高強鋼性能與零件的可成形性的對應關系提供了可能。控制鋼板性能參數, 保障成形過程無開裂、不起皺等, 已成為鋼鐵行業和汽車行業共同追求的目標。因此, 需要在綜合評價高強鋼板成形性能的基礎上, 充分了解沖壓零件的應變狀態、應變量和危險部位的變形情況, 通過對板材成形性能和成形技術的深入研究, 實現真正意義上的合理選材和用材 。
本文針對北京奔馳某款車使用DP600 高強鋼的橫梁減震器后橋零件為例, 在模具開發階段, 采用有限元仿真和網格試驗研究的方法分析變形特征,以及主要力學性能參數對沖壓成形的影響, 提出保證零件成形的鋼板關鍵性能指標及控制范圍, 為該零件沖壓成形質量的控制提供了技術依據。
1 FEM 模型及材料影響規律
1.1 FEM 模型
橫梁減震器后橋零件采用的是強度級別60kg的DP 鋼, 原為德國進口材料, 寶鋼國產材料通過奔馳鋼種論證后, 在新車型國產化階段進行替代,對應寶鋼牌號為HC340/ 590DP E + Z, 為雙面電鍍純鋅鋼板, 材料厚度為1mm。采用JIS13A 號試樣,利用寶鋼Instr on 電子拉伸機進行力學性能測試,其力學性能如表1 所示。
利用HyperMesh 進行模具型面的網格劃分,基于商用軟件AutoForm 進行成形分析。該零件拉延過程的仿真分析模型如圖1 所示。在沖壓過程中采用單動模型, 凹模在上, 凸模在下。沖壓時, 凹模下行, 與壓邊圈貼緊, 壓緊材料; 然后凹模、板材和壓邊圈下行至與凸模貼模, 完成成形過程。
表1 寶鋼DP600 的材料性能
圖1 有限元仿真模型
模具上設置拉延筋, 是zui常用的調控材料流動阻力的手段, 在仿真模擬中普遍采用等效拉延筋模型, 設置4 條等效拉延筋, 其位置與實際模具吻合, 如圖2 所示。毛坯尺寸為1060mm @400mm,厚向積分點為7 個, 壓邊力為80t 與現場一致; 采用庫侖摩擦定律, 摩擦系數取試驗測量值01 15。在AutoForm 中, 對于判斷是否開裂的成形極限曲線FLC, 有Keeler 和Arcelor V9 兩種模型。由于基于Keeler 準則的經驗公式不適合于DP 鋼,因此采用Arcelor V9 模型, 該模型適用于抗拉強度1500MPa 以下、厚度01 25mm~ 31 5mm 的材料, 本仿真分析的DP600 其FLC0 = 21%。
圖2 拉延筋設置
1. 2 成形特征分析及減薄分布
拉延成形終了, 橫梁減震器后橋零件的厚度減薄率分布如圖3a 所示。可以看到, 除了板料4 個邊角區域材料略微增厚外, 大部分區域的材料均為減薄。材料的zui大厚度減薄率、增厚率及其位置如圖3b 所示, 可見zui大厚度減薄率為191 7%。
圖3 壁厚分布及zui大壁厚減薄位置
a） 壁厚分布; b） zui大壁厚變化及位置
零件變形終了階段的應變狀態在FLD 中的分布及安全裕度如圖4 所示, 零件在拉延工序中變形均處于安全狀態, 無起皺和開裂的發生, 能夠順利成形。另外, 從應變狀態分布可知, 零件變形兼有拉延、平面應變和脹形3 種狀態, 其中高應變區域的變形狀態是以拉延和平面應變為主。
圖4 零件變形狀態和安全裕度分布
a） 零件變形安全狀態; b ） 應變狀態在FLD 中的分布
1.3 材料性能波動的影響規律
沖壓成形過程中, 材料、工藝和模具等影響因素較多, 而且各因素間交互作用, 使得變形過程異常復雜。在實際生產過程中, 供貨的材料性能必然存在波動, 對零件安全裕度造成影響, 借助于有限元仿真分析, 可以方便地得出材料性能對零件成形的影響, 對于合理控制材料性能具有重要的指導意義。
高強鋼由于成形性能的下降, 容易產生開裂,因此保障成形順利需予以特別關注。以DP 鋼為代表的高強度鋼板, 材料性能控制參數為屈服強度、抗拉強度、材料硬化指數n 和延伸率D。很明顯,低的屈強比、高的延伸率和n 值, 均有利于成形,但相應增加了鋼廠的生產成本和控制難度, 因此需要對鋼板性能的范圍進行合理控制。
1. 31 屈服強度的影響規律
保持材料性能參數Rb = 633MPa, n= 01 17 和摩擦系數01 15 不變, 分別取材料屈服強度Rs =350MPa, 400MPa, 430MPa, 450MPa, 即屈強比分別為Rs / Rb = 01 55, 01 63, 01 68, 01 71, 進行仿真計算。結果表明, 隨著屈服強度的增大, 板料zui大減薄增大, 成形后零件的zui大減薄率分別為191 7%、201 2% 、211 1% 和221 0%。當屈服強度增大至Rs = 450MPa 時, 即屈強比達到01 71, 部分網格應變臨近FLC 曲線, 表明零件處于破裂臨界狀態。說明隨著材料屈服強度的增大, 屈強比增大, 材料成形性能降低, 增大了破裂的可能性。
因此, 為保證零件的順利成形, 在滿足寶鋼標準, 即屈服強度Rs \ 340MPa、抗拉強度Rb \590MPa 的前提下, 屈強比應控制在01 68 以內, 且要求較小的屈服強度。
1.32 n 值影響規律
保持材料性能參數Rs = 350MPa、Rb = 633MPa和摩擦系數01 15 不變, 取n 值分別為01 19、01 17、01 15 和01 13 進行仿真計算。結果表明, 隨著n 值降低, 板料均勻變形能力減弱, 成形后零件的zui大減薄率分別為191 2%、191 7% 、191 9% 和201 2%。
FLC 曲線的高度與n 值和板厚t 密切相關。n值越高, 材料抵抗局部變薄的能力升高, FLC 的曲線位置也相應升高。因此, 當n 值降低到01 13 時,不僅材料均勻變形能力降低, 而且成形極限下降,因此部分網格應變超過FLC 曲線, 表明發生破裂,如圖5 所示。
圖5 n= 01 13 時應變狀態在FLD 中的分布
要保證零件整體成形的安全裕度, n 值應控制在n \ 01 15。
1.33 典型材料的仿真分析
選取寶鋼大批次生產的實際性能的材料進一步進行分析, 根據大批次生產的1mm 的DP600 電鍍純鋅鋼板的力學性能的統計結果, 按照設定的屈強比Rs/ Rb< 01 68, n \ 01 15 的標準, 選取5 種典型材料進行分析, zui大減薄率計算結果如表2 所示。從分析結果看, 同樣表現出隨著屈強比的增大和n 值的降低, zui大減薄率有升高的趨勢。另外, 5 種材料的應變狀態分布均在FLC 曲線下方, 表明零件沒有開裂。
表2 典型B340/ 590DP+ Z 鋼板的力學性能
綜合上述分析可知, 應用DP600 于橫梁減震器后橋零件, 屈強比值小的材料成形性好, n 值是影響零件成形的材料敏感參數。保證該零件安全裕度的關鍵性能參數的選取準則為: 屈強比Rs/ Rb [01 68, 且要求較小的屈服強度Rs ; 材料硬化指數n \ 01 15, 斷裂延伸率D\ 25% 。
2 試驗與生產驗證
網格分析技術（ Cir cle Grid Analyses, CGA）是分析復雜零件成形和判定成形安全裕度的有效方法 。為確定該零件沖壓成形板料關鍵性能參數選擇準則的合理性, 采用網格分析技術對其成形過程進行試驗驗證。在實際沖壓時, 零件試制前, 在鋼板表面印上5mm 圓形網格, 沖壓后測量不同區域網格的變形情況, 計算得到該處的應變, 然后把各處應變與材料FLC 相比較, 得到該零件的安全裕度。
試驗的HC340/ 590DP E+ Z 材料力學性能為,屈服強度Rs = 394MPa, 抗拉強度Rb = 640MPa, 屈強比Rs/ Rb = 01 62, 斷裂延伸率D= 25%, n= 01 17,r0= 01 67, r 45= 01 81, r90 = 01 97。
試驗鋼板沖壓后零件高變形區域分布如圖6a 中的A~ I 區域所示。測量A~ I 區域內的網格應變,將所測應變與材料的成形極限曲線相比較, 獲得的安全裕度如圖6b 所示, 該零件成形后的安全裕度為6%。對于高強鋼, 6% 的安全裕度能夠滿足穩定生產的需求。zui大應變主要分布在E、G 區域, 兩個區域材料主要變形方式均為平面應變和脹形。
在試模現場, 對于該批次材料, 連續沖壓100件均無開裂發生。后續批量供貨時, 由于材料的關鍵性能嚴格按照上述范圍進行控制, 生產穩定, 制件無開裂發生。
圖6 橫梁減震器后橋的網格應變分布
3 結 論
針對某車型橫梁減震器后橋零件應用DP600 高強鋼, 以控制沖壓成形質量、減少零件廢品率為目的,采用有限元仿真模擬和網格應變分析技術, 對其成形過程進行綜合分析, 研究其變形特征及厚度減薄規律, 獲取了材料性能的合理控制范圍。
1） 采用CAE 和網格分析技術相結合的方法,是分析成形過程, 保障產品質量的有效手段。
2） 橫梁減震器后橋零件高應變區域變形方式,是以平面應變和深拉延變形為主。
3） 穩定沖壓所需的關鍵性能參數及控制范圍為, 屈強比Rs / Rb [ 01 68, 材料硬化指數n \ 01 15,斷裂延伸率D\ 25%。