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热冲压

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3 回答

热冲压成形技术,在汽车制造业中有什么瓶颈?

机械自动化类 酒不醉人 2016-10-12 15:26 回复了问题 • 4 人关注 来自相关话题 产生赞赏:¥1.00

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超高强钢热拉深过程数值分析

机械自动化类 viko 2016-04-08 10:55 发表了文章 来自相关话题

超高强钢热拉深过程数值分析
作者:傅旻  刘杨  林立峰      
  

    在超高强钢热拉深过程中,凸缘部分温度下降过快会导致材料流动困难从而降低拉深极限。利用有限元软件Dynaform对22MnB5钢圆筒形拉深件进行了分析,发现压边圈的形状对板料的成形性能有很大影响。使用带有一定倾斜角的压边圈可以有效地减 查看全部
超高强钢热拉深过程数值分析
作者:傅旻  刘杨  林立峰      
  

    在超高强钢热拉深过程中,凸缘部分温度下降过快会导致材料流动困难从而降低拉深极限。利用有限元软件Dynaform对22MnB5钢圆筒形拉深件进行了分析,发现压边圈的形状对板料的成形性能有很大影响。使用带有一定倾斜角的压边圈可以有效地减
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热冲压成形技术,在汽车制造业中有什么瓶颈?

机械自动化类 酒不醉人 2016-10-12 15:26 回复了问题 • 4 人关注 来自相关话题 产生赞赏:¥1.00

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超高强钢热拉深过程数值分析

机械自动化类 viko 2016-04-08 10:55 发表了文章 来自相关话题

超高强钢热拉深过程数值分析
作者:傅旻  刘杨  林立峰      
  

    在超高强钢热拉深过程中,凸缘部分温度下降过快会导致材料流动困难从而降低拉深极限。利用有限元软件Dynaform对22MnB5钢圆筒形拉深件进行了分析,发现压边圈的形状对板料的成形性能有很大影响。使用带有一定倾斜角的压边圈可以有效地减小凸缘部分的降温速率,提高拉深极限。该结果对热冲压成形能提供理论参考。

    随着社会的发展,能源和环境问题越来越受到人们的关注,汽车轻量化技术成为一大研究热点。汽车轻量化的含义是:在保持汽车安全性、耐撞性、可靠性和舒适性的前提下,减轻汽车自身重量,同时成本不被提高。就目前来说,车用高强度和超高强度钢板以其轻质、高强度的特点在汽车制造业中倍受青睐,并且能够很好地满足汽车轻量化的要求。

    然而,高强钢的冲压性能随着强度的增加而下降,强度越高,成形性越差。若采用冷冲压工艺,有些零件成形后回弹过大,难以满足精度要求,而且当板料强度超过1000MPa时,某些复杂的零件几乎无法成形。高强度钢板的热冲压成形技术能很好地解决上述问题。
 
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    本文以高强度钢板22MnB5为研究对象,用有限元软件Dynaform建立其圆筒形件的拉深模型,研究了不同的压边圈形状对成形后制件的温度场、应力分布和拉深极限的影响。
 

1 圆筒形件热拉深有限元模拟

1.1 模型的建立与网格划分

    在Proe5.0中建立拉深模具模型并导入Dynaform中,其具体尺寸如图1所示,其中α为压边圈的倾斜角度。由于整个模型为轴对称结构,为了加快分析速度,节省计算机资源,故取1/4模型进行分析,划分网格后的有限元模型如图2所示。其中板料网格采用全积分Belytschko-Tsay壳单元,并开启网格自适应划分。





 
图1 拉深模具示意图





 
图2 拉深模具有限元模型
 
 

1.2 材料参数
    板料为厚度t=1.6mm的高强度钢板22MnB5,其密度为7830kg/m3。考虑到22MnB5的性能对温度很敏感,并且在拉深过程中,板料温度变化较大,故要在材料模型中输入不同温度下应变速率为1.0 s-1的应力应变曲线(如图3所示)。同时为了对拉深极限进行判断,还要定义材料的成形极限图(FLD)。





图3 不同温度下板料的应力应变曲线
 
 

1.3 定义接触与边界条件
    定义板料表面和模具的表面为接触面,采用钣金成形类接触,设定板料与模具间的摩擦系数为0.18。同时设置热分析边界条件为:板料初始温度820℃,模具初始温度25℃。



2 模拟结果与分析

2.1 倾斜角对板料温度分布的影响
    热冲压时,板料与模具间热量传递的方式主要是接触传导,接触面间隙越小,传热系数越大,热量传递就越快;同时接触面积越大,传热也越快。圆筒形件热拉深过程中,若使用平面压边圈,凸缘部分与模具是双面接触,圆筒件底部和筒壁部分与模具为单面接触,由于接触不均匀造成了板料温度分布不均匀,且凸缘部分温度较低;若使用带有斜面的压边圈,则可以减少凸缘部分与模具的接触面积,降低其降温速率。图4为压边圈取不同倾斜角α时板料拉深到16mm的温度分布。





图4 不同角度α时板料拉深到16mm的温度分布(℃)

    从图中可以看出,与使用平面压边圈相比,当α为1°时,凸缘部分的最高温度升高了约160℃。随着α的增大,凸缘部分最高温度变化不大,但高温区域所占比例越来越大。板料温度最低处出现在压边圈与板料接触最充分的位置,最低温度随着α的增大而有所增加。



2.2 倾斜角对板料应力分布的影响
    材料22MnB5的力学性能与其温度有很大关系,随着温度的升高,其流变应力大幅度下降,材料变形抗力降低。压边圈取不同角度α时板料拉深到16mm的Mises应力分布如图5所示。可以发现,筒形件底部的应力值与压边圈形状关系不大,基本稳定在120MPa左右;凸缘部分的应力值随着α的不同有很大变化,主要原因是压边圈形状对凸缘部分的温度和板料与模具接触情况有很大影响。与使用平面压边圈相比,当α为1°时,凸缘部分的应力值降低,接近90MPa,随着α的继续增大,板料最大应力值和凸缘部分应力值均有所减低,但降幅不大。





图5 不同角度α时板料拉深到16mm的Mises应力(MPa)



2.3 倾斜角对拉深极限的影响
    圆筒形件的拉深极限指的是:在压边力不变的情况下,筒形件所能拉深到不产生拉裂缺陷的最高高度。在冷拉深过程中,对于圆筒形件来说,其底部圆角部分一直受筒壁传递的拉应力,同时还受到凸模的压力。在拉、压应力的综合作用之下,此位置的材料减薄率最大,最容易出现拉裂缺陷。对于热拉深来说,若使用平面压边圈会使凸缘部分降温过快,导致板料流动应力增大,材料进入凹模困难,就进一步加大了筒形件底部圆角部分所受的拉应力。与此同时,可以从图4中看出,底部圆角部分的温度一直较高,所以此位置材料的变形抗力较小,受力时更容易变薄,拉裂的可能性也大大增加。
    角度α对圆筒形件拉深极限的影响如图6所示。使用带有3°倾斜角的压边圈比使用平面压边圈的拉深极限提高了近55%。当倾斜角超过3后,α对拉深极限的影响就不是很明显了,同时模拟中还发现随着α的继续增大,凸模与压边圈的间隙也越来越大,出现了压边不足的情况,拉深件产生了起皱缺陷。




图6 角度α对圆筒形件拉深极限影响



3 结论
    (1)热拉深件成形时板料与模具的接触状态不同造成了制件的温度分布的不均匀,传统的平面压边圈与板料接触良好,使凸缘部分温度明显低于其他部分的温度,不利于拉深的进行。
    (2)使用带有2°~3°倾斜角的压边圈能够明显改善拉深件的温度场与应力分布,增加板料在高温下的成形性能,提高拉深极限。
 
 
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超高强钢热拉深过程数值分析
作者:傅旻  刘杨  林立峰      
  

    在超高强钢热拉深过程中,凸缘部分温度下降过快会导致材料流动困难从而降低拉深极限。利用有限元软件Dynaform对22MnB5钢圆筒形拉深件进行了分析,发现压边圈的形状对板料的成形性能有很大影响。使用带有一定倾斜角的压边圈可以有效地减小凸缘部分的降温速率,提高拉深极限。该结果对热冲压成形能提供理论参考。

    随着社会的发展,能源和环境问题越来越受到人们的关注,汽车轻量化技术成为一大研究热点。汽车轻量化的含义是:在保持汽车安全性、耐撞性、可靠性和舒适性的前提下,减轻汽车自身重量,同时成本不被提高。就目前来说,车用高强度和超高强度钢板以其轻质、高强度的特点在汽车制造业中倍受青睐,并且能够很好地满足汽车轻量化的要求。

    然而,高强钢的冲压性能随着强度的增加而下降,强度越高,成形性越差。若采用冷冲压工艺,有些零件成形后回弹过大,难以满足精度要求,而且当板料强度超过1000MPa时,某些复杂的零件几乎无法成形。高强度钢板的热冲压成形技术能很好地解决上述问题。
 
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    本文以高强度钢板22MnB5为研究对象,用有限元软件Dynaform建立其圆筒形件的拉深模型,研究了不同的压边圈形状对成形后制件的温度场、应力分布和拉深极限的影响。
 

1 圆筒形件热拉深有限元模拟

1.1 模型的建立与网格划分

    在Proe5.0中建立拉深模具模型并导入Dynaform中,其具体尺寸如图1所示,其中α为压边圈的倾斜角度。由于整个模型为轴对称结构,为了加快分析速度,节省计算机资源,故取1/4模型进行分析,划分网格后的有限元模型如图2所示。其中板料网格采用全积分Belytschko-Tsay壳单元,并开启网格自适应划分。

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图1 拉深模具示意图

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图2 拉深模具有限元模型
 
 

1.2 材料参数
    板料为厚度t=1.6mm的高强度钢板22MnB5,其密度为7830kg/m3。考虑到22MnB5的性能对温度很敏感,并且在拉深过程中,板料温度变化较大,故要在材料模型中输入不同温度下应变速率为1.0 s-1的应力应变曲线(如图3所示)。同时为了对拉深极限进行判断,还要定义材料的成形极限图(FLD)。

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图3 不同温度下板料的应力应变曲线
 
 

1.3 定义接触与边界条件
    定义板料表面和模具的表面为接触面,采用钣金成形类接触,设定板料与模具间的摩擦系数为0.18。同时设置热分析边界条件为:板料初始温度820℃,模具初始温度25℃。



2 模拟结果与分析

2.1 倾斜角对板料温度分布的影响
    热冲压时,板料与模具间热量传递的方式主要是接触传导,接触面间隙越小,传热系数越大,热量传递就越快;同时接触面积越大,传热也越快。圆筒形件热拉深过程中,若使用平面压边圈,凸缘部分与模具是双面接触,圆筒件底部和筒壁部分与模具为单面接触,由于接触不均匀造成了板料温度分布不均匀,且凸缘部分温度较低;若使用带有斜面的压边圈,则可以减少凸缘部分与模具的接触面积,降低其降温速率。图4为压边圈取不同倾斜角α时板料拉深到16mm的温度分布。

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图4 不同角度α时板料拉深到16mm的温度分布(℃)

    从图中可以看出,与使用平面压边圈相比,当α为1°时,凸缘部分的最高温度升高了约160℃。随着α的增大,凸缘部分最高温度变化不大,但高温区域所占比例越来越大。板料温度最低处出现在压边圈与板料接触最充分的位置,最低温度随着α的增大而有所增加。



2.2 倾斜角对板料应力分布的影响
    材料22MnB5的力学性能与其温度有很大关系,随着温度的升高,其流变应力大幅度下降,材料变形抗力降低。压边圈取不同角度α时板料拉深到16mm的Mises应力分布如图5所示。可以发现,筒形件底部的应力值与压边圈形状关系不大,基本稳定在120MPa左右;凸缘部分的应力值随着α的不同有很大变化,主要原因是压边圈形状对凸缘部分的温度和板料与模具接触情况有很大影响。与使用平面压边圈相比,当α为1°时,凸缘部分的应力值降低,接近90MPa,随着α的继续增大,板料最大应力值和凸缘部分应力值均有所减低,但降幅不大。

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图5 不同角度α时板料拉深到16mm的Mises应力(MPa)



2.3 倾斜角对拉深极限的影响
    圆筒形件的拉深极限指的是:在压边力不变的情况下,筒形件所能拉深到不产生拉裂缺陷的最高高度。在冷拉深过程中,对于圆筒形件来说,其底部圆角部分一直受筒壁传递的拉应力,同时还受到凸模的压力。在拉、压应力的综合作用之下,此位置的材料减薄率最大,最容易出现拉裂缺陷。对于热拉深来说,若使用平面压边圈会使凸缘部分降温过快,导致板料流动应力增大,材料进入凹模困难,就进一步加大了筒形件底部圆角部分所受的拉应力。与此同时,可以从图4中看出,底部圆角部分的温度一直较高,所以此位置材料的变形抗力较小,受力时更容易变薄,拉裂的可能性也大大增加。
    角度α对圆筒形件拉深极限的影响如图6所示。使用带有3°倾斜角的压边圈比使用平面压边圈的拉深极限提高了近55%。当倾斜角超过3后,α对拉深极限的影响就不是很明显了,同时模拟中还发现随着α的继续增大,凸模与压边圈的间隙也越来越大,出现了压边不足的情况,拉深件产生了起皱缺陷。
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图6 角度α对圆筒形件拉深极限影响



3 结论
    (1)热拉深件成形时板料与模具的接触状态不同造成了制件的温度分布的不均匀,传统的平面压边圈与板料接触良好,使凸缘部分温度明显低于其他部分的温度,不利于拉深的进行。
    (2)使用带有2°~3°倾斜角的压边圈能够明显改善拉深件的温度场与应力分布,增加板料在高温下的成形性能,提高拉深极限。
 
 
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