DC04、DC05冷轧深冲板圆筒形件极限拉深系数研究

发布时间：2016-11-26 07:26

第一章  绪论 

1.1 引言 
伴随着人类文明的进步，工业化程度越来越高，汽车应用的范围越来越广，逐渐成为人类社会活动中越来越重要的工具，，很多时候把汽车工业视为衡量一个国家经济实力的重要标准。我国的汽车工业发展开始于建国之后，尤其是改革开放对汽车工业发展起到极大的促进作用。经过近几十年坚持不懈的奋斗我国的汽车产量也达到了千万辆级。早在 2009 年我国的汽车产量已经超越美国、德国和日本成为汽车产量最大的国家。根据中国汽车技术研究中心数据显示，我国汽车今年至 5 月底的产量达到了 717.8 万辆，同比累计增长 32.18%[1]。汽车工业发展势头良好，可以获取丰厚的利润，汽车的制造又与原材料和加工技术密不可分，原材料中钢铁的需求量最大，整车车身、发动机、变速器等等零部件均是钢铁构成的，根据德国权威资料数据显示，钢铁材料在一辆汽车所有的原材料中占有的比重接近 70%。所以钢铁材料中的深冲板成为汽车原料用的最多和最重要的材料，因此说钢板的成形性能直接汽车质量相关，钢板的成形性能越强，生产的汽车强度越高，质量越好市场占有率越高；反之，钢板的成形性能越差，生产的汽车强度越低，质量越差，市场占有率越低。为了占据更广阔的市场和获取丰厚的利润，无论是国内钢铁企业还是国际钢铁企业纷纷将研究重点转移到钢板的成形性能上，尤其是对于整车车身使用最多的冷轧深冲板成形性能的研究。经各大企业的研究后，冷轧深冲板的性能日以改进。 汽车车身是一个结构复杂的焊接件，它是有无数块大小不一，形状不同的零部件焊接而成的。这些零部件的成形方式有冲裁、拉深、弯曲等多种多样，其中拉深工艺是应用最多的一种成形工艺。因此研究钢板的深冲性能显得尤为重要，钢板的深冲性能越好，越容易实现形状复杂的零部件成形，相反钢板的深冲性能越差，零部件在成形时越容易发生破坏失稳。可以说钢板的深冲性能是衡量板料价值的标准。通过研究薄钢板的成形过程和成形极限，得到钢板的深冲性能，对指导薄板的生产意义重大[2-4]。
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1.2 冷轧深冲板的国内外研究现状
冷轧深冲板是指经过冷轧成形后具有深冲性能的钢板。由于冷轧深冲板优点明显被广泛应用到机械工业、汽车制造和航空航天等行业中，冷轧深冲板产品的主要优点有  [8]： (1)成形性能良好，塑性应变比 r 值比较高可以成形各种复杂曲面和结构的产品； (2)产品尺寸精度高，板面平直度高 (3)焊接强度高，焊接表面质量好； (4)塑性变形后光洁度变化不大； (5)含氧量低，抗腐蚀性良好； (6)可以抵抗很高的变形，多用于汽车外板。冷轧深冲板的发展是深冲性能由差变强的过程。根据冷轧深冲板的发展历程可以将其总结为三次改进： 第一次改进：1950 年代~1960 年代，产生了以沸腾钢为主要代表的第一代冷轧板。该冷轧板只能适用于普通的深冲件，其主要原因是直接影响冷轧板深冲性能的因子塑性应变比 r 的值较低，仅为 1.1 左右，远远小于目前的 2.0~3.0，并且应变时效明显，因此不适用于要求较高的深冲件。 第二次改进：1960 年代~1980  年代，产生了以铝镇静钢为主要代表的第二代冷轧板。该钢板与第一阶段的钢板最主要的改进是在轧制成形中加入了铝元素，铝元素吸收氧元素的能力远大于铁元素，脱去了板料中的氧元素，在轧制过程中严格控制氮化铝的含量，退火之后的时效处理时绝大部分的碳在中以 Fe3C 的形式析出，因此该冷轧板的深冲性能要高于沸腾钢的深冲性能。 
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第二章  拉深成形理论介绍

2.1 拉深成形理论介绍

拉深也可以称为拉延，是使用专用摸具将平板坯料冲压成为一种开口空心零件的成形工艺方法[40]。相比于其他成形工艺，用拉深工艺来生产薄壁空心件优点很多，生产效率较高，节省原材料，产品的刚度和强度高，尺寸精度高。拉深工艺可以加工很多零部件，小至几毫米，大至 2-3 米的零件均可以加工。因此，拉深成形工艺在汽车、电器、航空航天、电子和国防等工业部门以及日用品生产中，占据十分重要的地位[41-43]。图 2-1 是表示拉深成形过程。在凸模 1 向下运动时，坯料 3 被凸模拉进凹模中，形成圆筒形件。圆筒形件高度为 h，该部分是由坯料的环形(外径为0D ，内径为 d 之间)部分变形得到的，因此，拉深成形时的变形区域是坯料的外部环形部分，不变形区域是圆筒形件的底部部分；示意图中凸模与凹模间隙的直壁部分已经完成拉深变形称之为已变形区。显而易见，图中坯料被拉深成为圆筒形件的过程中，并没有产生多余的废料。从拉深示意图看到，由圆形毛坯成为圆筒形零件，整个过程没有产生废料。

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2.2 极限拉深系数模型
拉深变形过程中凸缘变形区厚度方向的压应力很小，可以忽略不计，要求解两外两个方向上的应力只要建立关于力学的平衡微分方程和材料的塑性方程便可解决，坯料凸缘变形区的应力分析如图 2-7 所示[44]。显而易见的坯料材料和拉深凸模尺寸对极限拉深系数影响很大。相同的材料、相同的工况，在不同尺寸的拉深凸模下拉深时,得到的极限拉深系数也会不同。拉深凸模直径越小越不利于拉深,极限拉深系数也会越大。同样，相同的材料、相同的工况、凸模尺寸不变,而坯料的厚度发生变化时,极限拉深系数也会有所变化。坯料的相对厚度 t/D 越小,材料拉深时抵抗失稳起皱的能力越差，极限拉深系数就越大，反之，相对厚度越大，材料拉深时抵抗失稳起皱的能力越强，极限拉深系数也就越小[46]。 
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第三章 板料的机械性能测试及其极限拉深系数预测.... 19 
3.1 引言 .......... 19 
3.2 试样制备与试验方法 ..... 19 
3.3 试验结果分析............ 26 
3.3.1 材料的抗拉强度随板料角度的分布情况........... 26 
3.3.2 材料的屈服应力随板料角度的分布情况 ........... 27 
3.3.3 塑性应变比 r 值随板料角度的分布情况 ........... 28 
3.4 极限拉深系数预测....... 29 3.5 小结........... 30 
第四章 圆筒形件极限拉深系数 CAE 模拟分析.......... 31 
4.1 有限元模拟软件（DYNAFORM 软件）介绍....... 31
42 极限拉深系数的有限元模拟预测.... 35
4.3 有限元模拟结果分析...... 38 
4.4 圆筒形件极限拉深系数的优化....... 40 
4.5 小结........... 41 
第五章 极限拉深系数试验........ 42 
5.1 引言 .......... 42 
5.2 坯料制备及拉深设计方案........... 42
5.3 极限拉深系数试验 ....... 46
5.4 极限拉深系数试验结果分析......... 50 
5.5 小结........... 52 

第五章  极限拉深系数试验 

5.1 引言 
各向同性材料在不同方向具备同样的性能；各向异性材料在不同方向具备不同性能，当达到拉深极限时，各向异性材料的拉裂出现在特定的方向。同时冷轧深冲板轧制技术成熟，《冲压手册》中原有的极限拉深系数已经不适用于冷轧深冲板。如果依旧使用冲压手册的中极限拉深系数，会造成原材料浪费，生产成本增加。 本章根据前面两章的理论预测和有限元模拟预测的极限拉深系数为基础设定 DC04、DC05 极限拉深系数试验。试验所用的板料是宝钢生产的冷轧深冲板中最具代表性的 DC04 和 DC05 冷轧钢板。DC04 和 DC05 冷轧钢板性能明显优于其他钢板，其中包括良好的深冲性，优良的抗凹性等等。本次试验 DC04 和 DC05 冷轧钢板厚度均为 0.8mm，表5-1 为冷轧板各元素组成表。 极限拉深系数试验采用最简单的圆形毛坯进行拉深，测定圆筒形件的极限拉深系数，毛坯中心设置中心孔，中心孔的作用是拉深试验时其定位作用，中心孔的大小为 1mm，圆毛坯规格和数量参考表 5-2。本章采用优化后的拉深系数设计极限拉深系数试验，共设置了四组 DC04、DC05 冷轧深冲板圆筒形件极限拉深系数试验。首先介绍了使用激光设备制作坯料，阐述了板材成形设备的成形原理，以及板材成形设备的调试过程。详细说明了四组圆筒形件极限拉深系数试验的试验过程，对拉深结果的评定，对极限拉深试验值和理论计算值、有限元模拟值进行对比分析，发现有限元模拟值与试验值偏差较小理论计算值偏差较大，但是在误差允许的范畴内，对试验值和《冲压手册》中拉深系数进行对比，发现《冲压手册》中最小的拉深系数与试验值偏差远大于理论计算值的偏差和有限元模拟值的偏差。综合考虑，在实践生产中为了缩短试模首期以及提高生产效率、降低生产成本可以使用基于塑性应变比的极限拉深系数模型快速判断板料的极限拉深系数。   
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总结

本文基于拉深成形理论，引入了基于塑性应变比的圆筒形件极限拉深系数模型，介绍了各向异性屈服理论，推导了材料的塑性应变比、屈服应力随材料方向分布的理论计算模型，通过单向拉伸试验得到材料各方向的屈服应力、抗拉强度、塑性应变比和应变硬化指数，并对比了屈服应力和塑性应变比的理论计算值，结果表明，DC04 和 DC05 板料的屈服应力在各方向上最大的偏差均不超过 2.6%，塑性应变比在各方向上最大的偏差不超过 3.5%，且屈服应力和塑性应变在各角度方向上的分布规律一致，理论值和试验值的偏差在误差允许范围内可以佐证冷轧深冲板的单向拉伸试验可靠，并依据单向拉伸试验试验得到的塑性应变比和应变硬化指数计算出 DC04 和 DC05 冷轧深冲圆筒形件理论极限拉深系数的计算值。依据最差角度方向上的拉深系数设计冷扎板的有限元模拟方案，应用有限元软件DYFORM，模拟出了 DC04 和 DC05 的圆筒形件极限拉深系数，优化单向拉伸试验得到 DC04 和 DC05 圆筒形件极限拉深系数计算值和有限元模拟值。 设计了Ⅰ型拉深模具和Ⅱ型拉深模具对 DC04 和 DC05 冷轧板进行四组圆筒形件极限拉深系数试验，得到了板料在 45°方向出现拉裂情况，结合材料机械性能在各方向上的分布情况，指出材料的屈服应力越大（屈强比越大）和塑性应变比越小的方向上，越容易出现开裂。本文主要得到以下结论： 

（1）对钢板各向异性理论进行研究，发现 DC04 和 DC05 板料在不同方向的屈服应力s 、抗拉强度b和塑性应变比 r 的分布不同，通过进行单向拉伸试验得到了与轧制方向呈 0°、15°、30°、45°、60°、75°和 90°方向的屈服应力、抗拉强度和塑性应变比。分析试验值与理论值的偏差，DC04 和  DC05 板料偏差都不超过 2.6%，塑性应变比偏差也不超过 3.5%，且屈服应力和抗拉强度在 0°和 90°方向最小，而塑性应变比在 0°和 90°方向最大，可以得到钢板在45°方向上的性能最差，在 0°或者 90°方向上的性能最好。 
（2）设计了Ⅰ型拉深模具和Ⅱ型拉深模具对 DC04 和 DC05 板进行圆筒形件极限拉深系数试验，得到了板料在 45°方向出现开裂情况，结合材料机械性能在各方向上的分布情况，指出材料的屈服应力越大（屈强比越大）和塑性应变比越小方向上，越容易出现拉裂。通过四组极限拉深系数试验确定了 DC04 和DC05 的圆筒形件极限拉深系数，对比极限拉深系数模型得到的理论极限拉深系数和有限元模拟得到的极限拉深系数，最小偏差为 2.6%，因此，可以通过极限拉深系数的理论模型初步计算板料的极限拉深系数。 
（3）通过四组圆筒形极限拉深系数试验得到关于 DC04 和 DC05 精确极限拉深系数，对比试验值和《冲压手册》中的原始数据发现偏差很大，冲压手册的拉深系数已经不适用于冷轧深冲板。试验得到的圆筒形件极限拉深系数试验值补充到《冲压手册中》，应用于实际生产中，可以有效的减少原材料的浪费，降低生产成本。
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参考文献(略) 

本文编号：193913