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沖擊載荷對(duì)深沖橢圓形汽車零部件的影響 Dong Hwan Park & Prasad K. D. V. Yarlagadda 板材成型方法是一種抽象的深沖過(guò)程，由于它的高效率而在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域非常 有用。要使用這種方法生產(chǎn)出最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品依賴于工藝變量例如毛坯形狀，凸模和 凹模的輪廓半徑和材料的可鍛性。在這些變量當(dāng)中，毛坯形狀是非常重要的，因?yàn)?它控制著成型因子。這篇文章報(bào)道了對(duì)三種毛坯形狀的研究和對(duì)三種變形方式的圓 形網(wǎng)格測(cè)試。深入的考慮在不同的情況下橢圓成型過(guò)程中的沖擊載荷分布，包括凸 模和凹模的輪廓半徑都將在文章里討論。這些試驗(yàn)闡明凸模和凹模的外形輪廓及毛 坯形狀對(duì)形深沖汽車橢圓形零件的沖擊載荷分布的影響。這項(xiàng)研究的目的在于調(diào)查 工藝參數(shù)在非軸對(duì)稱橢圓深沖過(guò)程中對(duì)拉延性能的影響以及獲取來(lái)自于工業(yè)領(lǐng)域的 有用的數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵字:深沖壓過(guò)程；毛坯形狀；沖擊載荷；輪廓半徑；沖擊行程；工藝參數(shù) 圖 1 橢圓形深沖試驗(yàn)設(shè)備 1引言 金屬板成型由于在削減研發(fā)時(shí)間和最終成本上有很大優(yōu)勢(shì),因而在汽車, 飛機(jī)，電器制 造業(yè)起了重要作用。總的來(lái)說(shuō)金屬板成型可能牽涉拉脹，拉深，反復(fù)彎曲和平直或 者由一些基本成型方法組合。許多關(guān)于圓筒形深沖的工藝參數(shù)研究已經(jīng)被應(yīng)用。許 多形狀例如方形，橢圓形和非軸對(duì)稱已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，大部分關(guān)于深沖工 藝的研究是針對(duì)軸對(duì)稱形狀的可成型性，但是很少有關(guān)于橢圓形件的可成型性的研 究。金屬板僅能被成型在局部出現(xiàn)變薄和頸縮之前的某一水平。這個(gè)水平主要依賴 于較大和較小應(yīng)變的組合比例。Kleeler 最先提出成形極限圖（ FLD） 。他的工作過(guò)去 局限于雙向拉深條件。換言之，即什么時(shí)候最大和最小表面應(yīng)變主應(yīng)變都是正的。 Goodwin 延伸 Keeler 的結(jié)論為包括拉深-壓縮主應(yīng)變區(qū)域。這個(gè)組合圖就是現(xiàn)在眾所 周知的 Keeler-Goodwin 成型極限圖。FLD 被廣泛使用于制造業(yè)來(lái)指導(dǎo)金屬板成型過(guò)程 的可成型性。 為了從非軸對(duì)稱的毛坯獲得最佳的橢圓形深沖件產(chǎn)品，在產(chǎn)品的拉延性能夠被 確定之前許多的工藝參數(shù)例如材料性能、凸模和凹模的輪廓半徑、潤(rùn)滑條件、沖擊 速度、毛坯的壓緊力（BHF ） 、間隙等等必須被考慮。除此之外，凸模和凹模的輪廓 半徑是最重要的參數(shù)，他們影響到深沖工藝的可成型性。深沖工藝的成型性能可以 被改進(jìn)，并且通過(guò)為深沖工藝選取采用適當(dāng)?shù)耐鼓：桶寄５妮喞霃揭约澳＞吲髁?可以減少時(shí)間和成本。 圖 2 橢圓深沖模具的幾何參數(shù) 探究非軸對(duì)稱毛坯在壓力條件下的成型性能，主要軸和次要軸之間的毛坯形狀 不同并且物質(zhì)流也不均勻。改變毛坯的形狀非常的重要，因?yàn)橐粋€(gè)毛坯和模具接觸， 隨著毛坯支撐面和模具的接觸面增大，模坯支撐力和沖壓力也增大。這就是隨著成 型抗力的增加而產(chǎn)生成型缺陷，為了解決這個(gè)缺陷，已經(jīng)對(duì)圓形和方形的毛坯進(jìn)行 了許多研究但是對(duì)橢圓形的毛坯深沖工藝的研究仍然不足。在這個(gè)研究中，通過(guò)分 析沖擊載荷的分布已經(jīng)調(diào)查清楚凸模和凹模的外形輪廓以及毛坯形狀對(duì)橢圓形深沖 工藝過(guò)程中成型性能的影響。 2深沖壓試驗(yàn) 2.1試驗(yàn)材料 材料使用 SECD 標(biāo)準(zhǔn) （KS ：韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）具有高的可成型性能質(zhì)量,并且厚度為 1.6mm。有 20um 的鍍鋅層。 拉伸試驗(yàn)在壓延方向的 0、45、90 度方向上進(jìn)行。拉力試棒的標(biāo)距長(zhǎng)度和寬度分別 為 25 和 50。拉延方向上的力學(xué)性能標(biāo)示在表格 1 中。拉深試驗(yàn)的樣本由電火花線切 割機(jī)切割并且基于 KS B 0801 No.5。樣品的抗拉強(qiáng)度在速度設(shè)置為 10mm/min 的 UTM 上通過(guò)拉力試驗(yàn)測(cè)出。 圖 3非軸對(duì)稱毛坯劃線圓標(biāo)記 2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件 表格 1 展示了使用的設(shè)備。水壓機(jī)（100t）使用模墊來(lái)控制毛坯的支撐力并且 通過(guò)測(cè)量過(guò)程中對(duì)上部的撞擊限制改變開(kāi)關(guān)。并且這個(gè)設(shè)備有一個(gè)計(jì)算機(jī)具有線性 變量差動(dòng)變壓器（LVDT） ，當(dāng)薄鋼板在這臺(tái)設(shè)備中成型時(shí)， LVDT 根據(jù)沖頭行程測(cè)量 沖擊載荷。 表格 2 展示試驗(yàn)條件如凸模和凹模的輪廓半徑。凸模圓角半徑固定在 6.4mm， 凹模圓角半徑基于兩種條件選擇。設(shè)備的沖擊行程由三部分組成，它們是（1）第一 過(guò)程為 46 mm， （2）第二過(guò)程為 62mm， （3）74mm，毛坯壓緊壓強(qiáng)為 2N/mm2。深 沖操作的潤(rùn)滑使用塑性加工用乳化油。表格 2 介紹了這次試驗(yàn)中非軸對(duì)稱橢圓形深 沖加工工藝使用的模具的幾何參數(shù)。 表格 1 拉伸方向上的機(jī)械力學(xué)性能 方向 楊氏模量 （GPa） 屈服強(qiáng)度 （Mpa） 抗拉強(qiáng)度 （Mpa） 延伸率 （%） 0 50.9 182 426 48.4 45 54.5 200 433 41.4 90 58.5 205 412 58.2 平均 54.6 195.7 423.7 46.0 2.3圓形網(wǎng)格試驗(yàn) 金屬板工件的變形引起的平面變形可以通過(guò)一系列小的直徑為 10mm 的圓測(cè)定， 印在毛坯表面的臨界變形區(qū)域。圖表 3 展示了劃線圓標(biāo)記的非軸對(duì)稱毛坯。這些圓 在變形過(guò)程中變形成各種不同的形狀。主要的和次要的軸標(biāo)示著主要的和次要的主 應(yīng)變方向。同樣的，測(cè)量尺寸被用來(lái)測(cè)定主要的和次要的主應(yīng)變幅度。這種圓形網(wǎng) 格測(cè)量的技術(shù)能夠被用來(lái)診斷在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中頸縮和破裂的原因并且調(diào)查是否這 些缺陷是由材料性能的變動(dòng)、工具的磨損，潤(rùn)滑的改變或者不正確的壓力機(jī)設(shè)定所 導(dǎo)致的。 圖 4第一次拉深后主要和次要應(yīng)變的分布（R P=6.4MM Rd=6.4mm） 在非軸對(duì)稱橢圓深沖中，發(fā)現(xiàn)三種成型方式模式，移動(dòng)、延伸和平面應(yīng)變，當(dāng)主 要和次要應(yīng)變確定時(shí)就能確定三種移動(dòng)模式。當(dāng)主要應(yīng)變確定而次要應(yīng)變不確定時(shí) 延展模式能確定，而當(dāng)主要應(yīng)變確定而次要應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)平面應(yīng)變能夠確定。圖表 4、5 和 6 表達(dá)了基于凸模和凹模半徑的通過(guò)劃線圓試驗(yàn)的第一次拉深后的主要和次 要應(yīng)變分布。 圖 5第一次拉深后主要和次要應(yīng)變的分布（R P=6.4MM Rd=11.2mm） 依據(jù)劃線圓試驗(yàn)的結(jié)果，這非軸對(duì)稱橢圓深沖的主要和次要應(yīng)變的三種變形方 式展示在表格 7 中。變形區(qū)域的壁和凸緣主要出現(xiàn)在移動(dòng)模式中，沖頭則作用于平 面應(yīng)變模式，轉(zhuǎn)角則處于延伸模式。 第一次過(guò)程凹 模圓角半徑 （MM） 第二次過(guò)程凹 模圓角半徑 （MM） 第三次過(guò)程凹 模圓角半徑 （MM） 備注（MM） 11.2 11.2 11.2 16 16 11.2 16 16 11.2 11.2 16 16 11.2 毛坯類型（A ,B ,C） 16 凸模圓角半徑 RP=6.4 表格 2 試驗(yàn)設(shè)備的凸模和凹模圓角半徑 圖 6第一次拉深后主要和次要應(yīng)變的分布（R P=6.4MM Rd=16mm） 3毛坯形狀設(shè)計(jì) 通常說(shuō)來(lái)，基于熟練的精密工具制作者的經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)法會(huì)增大時(shí)間和成本，現(xiàn)在都 謀求更加成熟度的毛坯形狀，因此，在這篇研究當(dāng)中，為了設(shè)計(jì)出表面面積相當(dāng)于 最終產(chǎn)品的毛坯形狀，我們通過(guò)三維模型計(jì)算最終產(chǎn)品的表面面積.我們使用三種毛 坯，他它們均有與最終產(chǎn)品相當(dāng)?shù)谋砻婷娣e，表格 8 展示了形狀的幾何結(jié)構(gòu)，A 型毛 坯的外形結(jié)構(gòu)大于 B 型和 C 型。B 型的短邊長(zhǎng)度小于 C 型毛坯。另一方面，B 型的長(zhǎng) 邊長(zhǎng)度略大于 C 型毛坯。在這次試驗(yàn)中產(chǎn)品的加工由七個(gè)深沖階段和三個(gè)修整、矯 形鍛壓階段組成等等。因此，整個(gè)的深沖階段有十個(gè)。在這篇研究當(dāng)中，測(cè)量沖擊 載荷的試驗(yàn)從第一個(gè)過(guò)程進(jìn)行到第三個(gè)過(guò)程。圖表 9 展示了基于過(guò)程的每種毛坯的 產(chǎn)品形狀。 圖 7 主要和次要應(yīng)變的三種變形方式 4結(jié)果和討論 圖表 10 展示了第一個(gè)過(guò)程中毛坯類型的沖擊載荷的比較。凸模圓角半徑固定在 6.4mm，第一過(guò)程的凹模圓角半徑基于兩種情況選擇，11.2 和 16mm。隨著非軸對(duì)稱 毛坯拉入陰模，初始沖擊載荷迅速增大導(dǎo)致短邊和長(zhǎng)邊阻力增大并且這時(shí)候在沖程 的 55%處測(cè)量到最大沖擊載荷。在達(dá)到最大沖擊載荷之后，載荷開(kāi)始減小一直到?jīng)_ 擊行程的下死點(diǎn)成型完成。隨著沖頭抵達(dá)沖擊行程的下死點(diǎn)變形總量增加而出現(xiàn)加 工硬化。在上死點(diǎn)沖擊行程完成。 與 B、C 毛坯相比較 A 型毛坯測(cè)量出的沖擊載荷較大，并且 B、C 毛坯的沖擊載 荷相似。A 毛坯的面積總體上說(shuō)要大于 B 和 C 毛坯。換句話說(shuō) ,A 毛坯的毛坯支撐接 觸面積大于 B 和 C.由于大的接觸表面積需要的大的支撐力將會(huì)在毛坯 A 上測(cè)到最大 沖擊載荷。表格 3 展示了基于第一階段凹模圓角半徑的毛坯最大沖擊載荷。當(dāng) Rdi=16mm 時(shí)最大沖擊載荷小于當(dāng) Rdi=11.2 時(shí)的沖擊載荷。 圖 8毛坯的幾何形狀 表格 11 展示了第二階段基于毛 坯形狀的沖擊載荷的比較。凸模圓角 半徑固定于 6.4mm，凹模圓角半徑固 定在 16mm，并且第二階段的凹模圓 角半徑基于兩種情況選取，11.2 和 16mm。當(dāng)使用 A 與 B 毛坯時(shí)在沖程的 80%處測(cè)到最大沖擊載荷，如表格 6 中展示的 當(dāng)使用 C 型毛坯時(shí)在 60%沖程處測(cè)到?jīng)_擊載荷。當(dāng)我們比較各個(gè)過(guò)程的沖擊載荷時(shí)， 第二階段的沖擊載荷小于第一階段的沖擊載荷并且結(jié)果顯示三種毛坯類型的沖擊載 荷相似。 由于拉距的減小當(dāng)從第一階段進(jìn)入第二階段時(shí)沖擊載荷減小。 圖 9各種形狀毛坯的產(chǎn)品 表格 3 第一次過(guò)程中基于凹模圓角半徑的最大毛坯沖擊載荷（R p=6.4） （單位：噸） 凹模圓角半徑 A 型 B 型 C 型 11.2 13.1 10.9 11.4 16 11.2 9.8 9.8 圖表 12 展示了第三過(guò)程基于毛坯形狀的沖擊載荷比較。凸模圓角半徑固定子啊 6.4mm，我們比較下面兩種情況：1 一個(gè)凹模圓角半徑在三個(gè)階段都是 16mm，2 其 他的凹模圓角半徑在三個(gè)階段都是 11.2mm。 相比較而言 A 毛坯的沖擊載荷相對(duì)說(shuō)大于 B 和 C 毛坯，然而在圖標(biāo) 12a 中顯示 當(dāng) Rd=11.2mm 沖擊行程會(huì)提升載荷。圖表 12b 顯示了 3 種形狀的沖擊載荷在沖擊行 程抵達(dá)下死點(diǎn)時(shí)相似而沒(méi)有什么大的差別，在圖表 10、11、12 中我們歸因于在沖頭 和薄鋼板之間的摩擦不同致使沖擊載荷不同。當(dāng)成型橢圓形非軸對(duì)稱產(chǎn)品時(shí)為了剪 切薄鋼板，最大沖擊載荷要大于剪切強(qiáng)度，這時(shí)候出現(xiàn)斷裂。理論上剪切強(qiáng)度通過(guò) 如下計(jì)算出：PF ? Lt sb ? 210 ? 1:6 ? 43:29 圖 10第一次拉深基于毛坯形狀的沖擊載荷比較 因?yàn)?A 型毛坯大于 B 和 C 型毛坯，毛坯支承力增加。因此，由于支承力力的增大 A 毛坯在每個(gè)階段都顯示出大的沖擊載荷。對(duì)比與 A 型毛坯，由于 B、C 的沖擊載荷小 于 A 型，毛坯的支承力也減小。因此，由于毛坯支撐力的減小使得 B、C 在每個(gè)階段 都顯示出較小的沖擊載荷。盡管 B 型毛坯的沖擊載荷在各個(gè)階段相似，一個(gè)好的沒(méi) 有間斷面的產(chǎn)品可以使用 C 型毛坯制造，因此，我期望在不久的將來(lái) C 型毛坯能夠 應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)。 5結(jié)語(yǔ) 在這篇研究當(dāng)中，我們?yōu)榱藱E圓形產(chǎn)品使用薄金屬板進(jìn)行拉延性能試驗(yàn)。因此， 這個(gè)試驗(yàn)的結(jié)論澄清了凸模凹模圓角半徑的影響和非軸對(duì)稱橢圓形深沖中毛坯形狀 對(duì)載荷載荷分布的影響。結(jié)果概括如下: （1）從劃線圓試驗(yàn)結(jié)果可以知道，變形區(qū)的壁和凸緣主要作用于移動(dòng)方式，沖頭主 要作用于平面變形方式，而轉(zhuǎn)角主要作用于深縮方式。 （2）我們能夠觀察到最大沖擊載荷主要作用隨著過(guò)程的推移逐漸減小。 （3）我們能夠看到過(guò)程中在三種毛坯型中 A 型毛坯有最大的最大沖擊載荷并且盡管 B、C 有相似的沖擊載荷，然而好的沒(méi)有間斷的產(chǎn)品會(huì)從 C 型毛坯獲得。