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      TRIP600高強(qiáng)度鋼板成形U型件回彈控制研究

      2014-03-01 07:39:16趙仕宇
      裝備制造技術(shù) 2014年4期
      關(guān)鍵詞:壓邊圓角板料

      趙仕宇

      (寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,福建 福安 355000)

      TRIP600高強(qiáng)度鋼板成形U型件回彈控制研究

      趙仕宇

      (寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,福建 福安 355000)

      針對(duì)高強(qiáng)度鋼板沖壓成形過(guò)程中普遍存在的精度問(wèn)題,以U型件為研究對(duì)象,在分析TRIP600高強(qiáng)度鋼板材料性能的基礎(chǔ)上,分別研究了U型件成形時(shí)壓邊力和拉深筋的工作圓角半徑對(duì)回彈的影響。結(jié)果表明,TRIP600高強(qiáng)度鋼板在成形U型件時(shí),回彈隨著壓邊力的增加而發(fā)生有限減?。焕罱罟ぷ鲌A角半徑越大,回彈值越大。

      高強(qiáng)度鋼板;沖壓成形;回彈;拉深筋

      隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高,汽車(chē)進(jìn)入了千家萬(wàn)戶(hù),由汽車(chē)帶來(lái)的能源消耗、安全性等問(wèn)題,已成為了亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。高強(qiáng)度鋼板具有較高的比強(qiáng)度,能有效地兼顧減輕車(chē)身重量,降低燃料消耗以及提高汽車(chē)安全性能等多方面的要求,因此受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,也對(duì)其展開(kāi)了深入研究[1~3]。高強(qiáng)度鋼板分為傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼板(HSS)和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板(AHSS)。目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼板的品種和質(zhì)量與國(guó)外差距不大[4]。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板中雙相(DP)鋼板、相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)鋼板由于具有優(yōu)良的綜合特性,成為了目前研究關(guān)注的熱點(diǎn)。相比DP鋼板,TRIP鋼板開(kāi)發(fā)時(shí)間較短,在研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等方面明顯落后,但TRIP鋼板具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,良好的塑性和成形性能,是為滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)對(duì)高強(qiáng)度、高塑性新型鋼板需求而開(kāi)發(fā)的鋼材新品種[5~6],因此,有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

      汽車(chē)零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大,變形不易控制,特別是成形過(guò)程中由回彈引起的成形精度問(wèn)題極為突出。目前的理論研究與實(shí)踐中,還難以對(duì)回彈進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),如何有效地控制高強(qiáng)度鋼板的回彈是業(yè)界關(guān)注的問(wèn)題。本文在分析TRIP高強(qiáng)度鋼板成形特性的基礎(chǔ)上,以類(lèi)U型件為研究對(duì)象,研究成形過(guò)程中壓邊力、拉深筋對(duì)回彈的影響。

      1 TRIP600鋼板性能及模擬模型建立

      1.1 TRIP鋼板性能

      TRIP高強(qiáng)度鋼板多用于需高強(qiáng)度、高抗碰撞吸收能且成形要求較為嚴(yán)格的汽車(chē)零件,其微觀組織主要由鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體三相組織組成(圖1所示),其中殘余奧體的含量在5%~15%,強(qiáng)度范圍是600MPa~800MPa[1]。TRIP鋼中殘存奧氏體應(yīng)變誘發(fā)使TRIP鋼中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,從而具有高的延伸率,同時(shí)相變引起的體積膨脹伴隨著局部加工硬化指數(shù)增加,使得變形很難集中在局部區(qū)域??傊?,TRIP鋼板具有高強(qiáng)度、高塑性的同時(shí)還具備極佳的抗疲勞性能[7];具有優(yōu)良的拉深翻邊性能和彎曲性能[8];具有良好的成形性和焊接性[9]。本文研究所采用的材料為寶鋼生產(chǎn)的TRIP600鋼板,厚度1.2mm,其成形極限圖如圖2所示,材料的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

      圖1 TRIP鋼微觀組織

      圖2 TRIP600成形限圖

      表1 TRIP600高強(qiáng)度鋼板材料參數(shù)[3]

      1.2 U型件有限元模型的建立

      在Dynaform板料成形有限元數(shù)值模擬軟件中建立模型,U型件截面幾何尺寸如圖3(a)所示,零件數(shù)值模擬模型如圖3(b)所示,坯料尺寸為240mm×70mm×1.2mm。采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)其進(jìn)行劃分,網(wǎng)格大小為2mm;材料模型選用針對(duì)薄板金屬成形分析而提出的,既考慮材料厚向異性對(duì)屈服面的影響,又考慮材料平面內(nèi)的各向異性對(duì)屈服面影響的3參數(shù)Barlat模型;單元類(lèi)型選擇Belytschko-Tsay殼單元,厚向積分點(diǎn)個(gè)數(shù)為7。其他主要工藝參數(shù)為:摩擦系數(shù)取0.125,模具間隙1.32mm,沖壓速度 5 000mm·s-1,壓邊力取 48 000 N。

      圖3 零件截面尺寸和數(shù)值模擬模具模型圖

      2 回彈影響因素分析

      回彈是影響高強(qiáng)度鋼板成形質(zhì)量精度的主要問(wèn)題,也是板料成形研究的焦點(diǎn)?;貜椏刂品椒ㄓ?種[10],第一種是工藝控制法,即通過(guò)工藝優(yōu)化手段,使板料發(fā)生充分的塑性變形抑制回彈;第二種是模型補(bǔ)償法,通過(guò)在特定工藝條件下,預(yù)測(cè)回彈量的大小,然后修正模具形狀,使回彈后的形狀恰好符合設(shè)計(jì)要求;第三種是過(guò)程控制法,通過(guò)控制沖壓成形的壓邊力、模具溫度等手段減小回彈,這種方法效率較低,在工業(yè)上很少應(yīng)用。本文選擇第一種方法進(jìn)行研究。

      在汽車(chē)覆蓋件成形中廣泛采用設(shè)置拉深筋來(lái)提高成形質(zhì)量,它是調(diào)節(jié)和控制壓料面作用力的一種最有效和實(shí)用的方法,在成形中主要起增大進(jìn)料阻力,調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力分布,降低對(duì)壓料面加工工藝要求等作用。拉深筋類(lèi)型主要有半圓形筋、矩形筋、三角形筋和拉延檻等,根據(jù)零件成形情況,本文選擇生產(chǎn)中常用的半圓形拉深筋進(jìn)行研究,并在有限元軟件中建立相應(yīng)的真實(shí)拉深筋模型。

      2.1 壓邊力對(duì)回彈的影響

      零件的壓邊面積為10 640 mm2,TRIP600高強(qiáng)度鋼板的單位壓邊力取值范圍是3~4.5MPa[11],即零件的壓邊力為31 920~47 880 N,分別取32 000 N、40 000 N、48 000 N進(jìn)行有限元模擬,模擬結(jié)束后的回彈值分別為4.62mm、4.159mm、4mm,回彈值隨著壓邊力的增加而減小,但減小趨勢(shì)變緩,因此,通過(guò)增加壓邊力可以減小回彈,但改變量有限。

      圖4 壓邊力對(duì)回彈的影響

      2.2 拉深筋工作圓角半徑R對(duì)回彈的影響

      根據(jù)文獻(xiàn)[11],拉深筋工作圓角半徑取3t~5t較為合適(t為板料厚度),因此,令R分別為3 mm、4mm、5mm、6mm進(jìn)行分析。其模擬結(jié)束后的成形極限圖如圖5所示,成形厚薄分布圖如圖6所示,回彈值如圖7所示。

      圖5 成形極限圖

      圖6 變薄率分布圖

      圖7 回彈值分布圖

      從圖5可知,當(dāng)R=3mm時(shí),零件上部分節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值超過(guò)了破裂成形極限線(xiàn),零件出現(xiàn)破裂,因此未進(jìn)一步分析其減薄率和回彈值。當(dāng)R=4、5、6mm時(shí),零件沒(méi)有出現(xiàn)破裂和破裂趨勢(shì),但是零件上各節(jié)的最大應(yīng)變值離破裂成形極限線(xiàn)的距離有差異。R=5mm時(shí)零件各節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)變值點(diǎn)離破裂成形極限線(xiàn)的距離較大,且零件與壓料面接觸區(qū)域除有部分出現(xiàn)拉伸不足現(xiàn)象外,零件沒(méi)出現(xiàn)起皺現(xiàn)象,成形質(zhì)量較好。R=4mm,6mm時(shí),零件各節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)變值點(diǎn)離破裂成形極限線(xiàn)的距離較小,且零件與壓料面接觸區(qū)域除有部分出現(xiàn)拉伸不足現(xiàn)象外,零件還出現(xiàn)起皺現(xiàn)象,零件成形質(zhì)量呈先變好后變差的趨勢(shì)。

      圖6為R=4、5、6mm的變薄率分布圖。當(dāng)R=4mm時(shí),零件的最大減薄率為21.774%;當(dāng)R=5mm時(shí),零件的最大減薄率為19.319%;當(dāng)R=6mm時(shí)零件的最大減薄率為22.48%,零件的減薄率呈現(xiàn)先減小后增加現(xiàn)象。這是由于板料流經(jīng)拉深筋時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲、回復(fù)、彎曲的反復(fù)變形,隨著拉深筋工作圓角半徑增加,拉深筋的金屬流動(dòng)阻力減小,且隨著拉深筋高度的增大,拉深筋阻力也有增大的趨勢(shì),在兩者相互作用下,使得板料經(jīng)過(guò)拉深筋時(shí)金屬的流動(dòng)阻力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

      圖7為拉深筋工作圓角半徑R=4、5、6mm的回彈值分布圖。當(dāng)R=4mm時(shí),零件的最大回彈值為1.599mm;當(dāng)R=5mm時(shí),零件的最大回彈值為2.058mm;當(dāng)R=6mm時(shí),零件的最大回彈值為2.803mm。拉深筋的工作圓角半徑越小時(shí),坯料通過(guò)拉深筋時(shí)產(chǎn)生的塑性變形越多,零件成形后的回彈值越小,成形精度越高,成形后零件的回彈值呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)。

      從圖5~圖7的分析結(jié)果可知:拉深筋工作圓角半徑較大時(shí)坯料經(jīng)過(guò)拉深筋時(shí)產(chǎn)生的塑性變形較少,回彈值較大;拉深筋工作圓角半徑較小時(shí),坯料塑性變形較大,零件易出現(xiàn)破裂及破裂趨勢(shì),且零件的變薄率呈先變小再變大趨勢(shì)。因此,高強(qiáng)度鋼板沖壓成形采用半圓形拉深筋控制回彈,應(yīng)綜合考慮零件的沖壓成形質(zhì)量選擇合適的拉深筋工作圓角半徑。

      3 結(jié)束語(yǔ)

      本文基于有限元數(shù)值模擬方法,研究了TRIP高強(qiáng)度鋼板成形U型件時(shí)壓邊力、半圓形拉深筋工作圓角半徑變化對(duì)成形質(zhì)量、變薄率、回彈的影響,得出以下結(jié)論:

      (1)TRIP600高強(qiáng)度鋼板成形時(shí)通過(guò)調(diào)整壓邊力,控制回彈的能力有限;

      (2)成形類(lèi)U型件成形時(shí)半圓形拉深筋工作圓角半徑增大,回彈值呈線(xiàn)性增加;

      (3)變薄率和零件成形后各節(jié)點(diǎn)中最大應(yīng)變值離破裂成形極限線(xiàn)的距離,出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。

      [1]蔣浩民,陳新平,石 磊,等.先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的沖壓成形特性及其應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報(bào),2009,16(4):183-186.

      [2]楊 亙,夏琴香,邱遵文,等.高強(qiáng)度鋼板在汽車(chē)上的應(yīng)用級(jí)沖壓成形性能研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代制造工程,2012(7):138-143.

      [3]石 磊,肖 華,陳 軍,等.先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板彎曲類(lèi)回彈特性的試驗(yàn)研究[J].材料科學(xué)與工藝,2009,17(5):671-674.

      [4]徐宏偉.國(guó)外汽車(chē)用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板及其標(biāo)準(zhǔn)綜述[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2007,44(2):8-13

      [5]胡 平,沈劍平,王光耀,等.汽車(chē)輕量化用高強(qiáng)度鋼板現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車(chē)工程材料,2006,30(3):4-7

      [6]景財(cái)年,王作成.TRIP-相變誘發(fā)塑性鋼的研究進(jìn)展[J].特殊鋼,2004,25(4):1-5.

      [7]T.Yokoi,K.Kawasaki,M.Takahashi,K.Koyama,M.Mizui,Fatigue propertiesofhigh strength steels containing retained austenite[J],JSAEReview,1995,16(3):318-320.

      [8]Sugimoto,Nakano.K,Song.S.M,etal.Retained Austenite Characteristics and Stretch flangeability of High-strength Low-alloy TRIP Type Bainitic Sheet Steels[J].ISIJ Intern.,2002,42(4):450-455.

      [9]張 梅,李 麟,符仁鈺,等.0.11C-0.6Si-1.6Mn相變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼的成形性和可焊性[J].金屬熱處理,2006,31(4):39-42.

      [10]謝 暉,潘志紅,等.高強(qiáng)度鋼板沖壓位移回彈補(bǔ)償技術(shù)研究與應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報(bào),2012,19(5):72-77.

      [11]韓鵬彪,秦志國(guó),等.半圓形拉深筋的Dynaform研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(2):147-150.

      Study on Springback Controlof U-form Sheet Form ing in TRIP600

      ZHAOShi-yu
      (Ningde Vocationaland TechnicalCollege,DepartmentofMechanicaland Electrical Engineering,F(xiàn)u'an Fujian 355000,China)

      To study the accuracy in the forming processofhigh strength steel,based on the analysisofmaterial property of TRIP600,a U-form componentwas used to study the influence of blankholder force and working radius of drawbead on springback in forming process.The result showswhen TRIP600 is used in U-form sheet forming,springback gets restricted decrease with the increase of blankholder force,and the bigger ofworking radius of drawbead the bigger of springback.

      high strength steel;stamping forming;springback;drawbead

      TG386

      B

      1672-545X(2014)04-0243-03

      2014-01-05

      福建省教育廳A類(lèi)項(xiàng)目(編號(hào):JA12453)

      趙仕宇(1978—),女,貴州遵義人,碩士,講師,主要研究方向:板料成形工藝,模具CAD/CAM。

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