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板料沖壓過程中表面低缺陷的機(jī)理
Hongqing Shen1,2,a,Shuhui Li1,2,band Guanlong Chen1,c
1中國(guó)上海交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車車身制造中心
2中國(guó)上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
aShenhongqing82@tom.com,blishuhui@sjtu.edu.cn,cglchen@sjtu.edu.cn
摘要：在本文中，我們研究的是板料沖壓過程中表面缺陷的形成機(jī)理。首先，我們通過有限元法（FEM）模擬了一個(gè)沖壓件的形成過程，并觀察沖壓件表面缺陷的形成過程。接著，我們建立一個(gè)分析模型，通過分析模型推導(dǎo)出局部彎曲的臨界壓力。最后，我們利用臨界壓力來檢測(cè)沖壓件的彎曲面積。有限元法仿真結(jié)果顯示在彎曲回彈過程中，厚度方向的不統(tǒng)一變形導(dǎo)致了表面缺陷的形成。而且，仿真得到的局部彎曲面積與實(shí)驗(yàn)得到的表面缺陷的面積相同。這表明，表面缺陷現(xiàn)象產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是在表面回彈中殘余應(yīng)力導(dǎo)致的面板局部彎曲。
關(guān)鍵字：低表面；表面缺陷；沖壓；板料成形；局部彎曲；
1. 引言:
表面缺陷是在包含有突然的形變的大平板上的小的局部撓度。它們?cè)谄囃庥^上有很大的影響。這些缺陷在人工制造中應(yīng)該受到嚴(yán)格的檢測(cè)和限制。Liu et al[1]提出了用光反射法來檢測(cè)汽車面板成形中的表面缺陷。Andersson[2]使用稱為WMS光反射系統(tǒng)來檢測(cè)簡(jiǎn)單沖壓面板的表面缺陷。同時(shí)在他的實(shí)驗(yàn)中使用探針測(cè)量技術(shù)。Fu et al[3]使用石刻法檢測(cè)位于凸模邊角周圍的表面缺陷。隨著有限元法的發(fā)展，使數(shù)值分析來預(yù)測(cè)表面缺陷成為可能。Fukumura et al[4]模擬了汽車門外部面板表面缺陷。Park et al[5]開發(fā)了一種曲率算法在模擬表面缺陷過程中使其可視化。Hu et al[6]開發(fā)了一種石刻算法在模擬表面缺陷過程中使其可視化。Andersson[2]采用了一種基于曲率可視化算法來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真預(yù)測(cè)之間的一致性。如今，表面缺陷的形成機(jī)理備受關(guān)注?；趯?shí)驗(yàn)的結(jié)果，Yang Y.Y.et al.[7]指出殘余壓應(yīng)力是臨界表面撓度的力學(xué)條件。在2008年的成形數(shù)值模擬會(huì)議，Wang Huiping et al.[8]做了一個(gè)關(guān)于板料表面變形預(yù)測(cè)的研究。他們認(rèn)為表面變形的機(jī)理是面板的局部彎曲。在本文中，板料成形中表面缺陷的形成機(jī)理將得到進(jìn)一步研究。
有限元模擬
在這項(xiàng)研究中，F(xiàn)u et al[3]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的模擬。圖1是實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)備的截面圖。模具底部表面的半徑是170mm，拉深深度是40mm，模具底部凸模的體積是150×150×150mm3。圖2為一個(gè)簡(jiǎn)單的面板。實(shí)驗(yàn)毛坯是可循環(huán)使用，它的半徑是500mm。汽車外部面板材料采用的是低碳鋼，材料的具體特性如下表1。
圖1.實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)備的截面圖 圖2.簡(jiǎn)單面板
表1.材料的具體特性
厚度
[mm]
楊氏模量
[GPa]
泊松比
屈服強(qiáng)度[MPa]
極限抗拉強(qiáng)度
[MPa]
總延伸量[L]
厚向異性[r]
應(yīng)變硬化指數(shù)[n]
0.7
207
0.333
157
520
0.4
1.75
0.23
因?yàn)闃悠肥菍?duì)稱的，故我們只需建立四分之一的樣品模型并在對(duì)稱軸上建立對(duì)稱邊界條件。有限元模型如圖3。有限元模型仿真了面板的拉伸和回彈過程。拉伸過程是通過ABAQUS顯示模塊來仿真完成的，回彈過程是通過ABAQUS標(biāo)準(zhǔn)模塊來仿真完成的。為了簡(jiǎn)單起見，假設(shè)材料是各向同性的。應(yīng)用了線性，有限薄膜拉力、縮減積分、四邊形殼單元（S4R）。在板料成形過程中這個(gè)元素已經(jīng)被證明是有效的和合適的。細(xì)化凸模周圍的網(wǎng)格使能更準(zhǔn)確的表示小的撓度。最小的元素是1×1mm2。
圖3.沖壓的有限元模型 圖4.分析模型
分析模型
表面缺陷簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力條件下的矩形板，如圖4所示。板的長(zhǎng)為a，寬度為b，厚度為t。板受到沿X方向均勻分布的壓應(yīng)力σx作用，受到沿Y軸均勻分布的拉應(yīng)力σy作用。板模型的邊界條件假設(shè)只是受到四個(gè)方向的力的作用。表面缺陷的深度接近于板料的厚度，那么只用考慮中間表面的變形。平衡微分方程為：（1）
W是撓度，Nx,Ny和Nxy是合模壓力。在這個(gè)模型中，假設(shè)Nx,Ny是沿厚度方向均與分布的，Nxy等于零。則Nx,Ny和Nxy可表示為：
(2)
根據(jù)模型的邊界條件，屈曲薄板的表面撓度可以表示：
（3）
Amn代表偏轉(zhuǎn)振幅。聯(lián)立等式（1）、（2）、（3）得：
(4)。D是抗彎剛度，。當(dāng)Amn=0時(shí)，等式有一個(gè)唯一解，W=0。這表明板料沒有彎曲。當(dāng)Amn0且
，（5）
方程的解不唯一。這表明板料彎曲。由（5）我們可以得到彎曲壓應(yīng)力，
（6）
每一對(duì)n和m代表模型的屈曲模式。主要的壓應(yīng)力是所有的屈曲模式的屈曲應(yīng)力的最小值。因此，
從（6）式可得:
(8)
所以主要的壓應(yīng)力可以表示為：
(9)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論
為了觀察表面缺陷的生長(zhǎng)，我們測(cè)量了Z軸方向（拉伸方向）兩個(gè)點(diǎn)的移位。兩個(gè)點(diǎn)的位置如圖5所示。點(diǎn)A位于凸模的拐角處，根據(jù)Fu et al[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此處易發(fā)生表面缺陷。點(diǎn)B位于點(diǎn)A的附近，此處不易發(fā)生表面缺陷。Z方向偏移的不同代表不同的變形區(qū)域。
圖5.選擇測(cè)量的點(diǎn) 圖6.表面缺陷的歷程
圖6是在整個(gè)成形過程中表面缺陷的歷程。在拉伸過程中，表面彎曲在00.1mm范圍內(nèi)波動(dòng)。在拉伸的最后階段，表面彎曲僅有0.01mm。在回彈中，表面彎曲的絕對(duì)值急劇增加。在回彈最后階段，表面彎曲的絕對(duì)值從0.01mm增至0.1mm（負(fù)值表示凹陷，正值表示凸起），是原來數(shù)值的10倍。這表明在拉伸過程中板料發(fā)生顫動(dòng)但不發(fā)生缺陷。而在回彈中，因板料厚度方向的變形不一致導(dǎo)致了缺陷的產(chǎn)生。
局部彎曲 表面缺陷（探針）
圖7.較小的應(yīng)力分布 圖8.表面缺陷的面積和彎曲的面積
圖7為凸模邊角較小的應(yīng)力分布。與其他的區(qū)域不同，在表面缺陷的區(qū)域較小的應(yīng)力值是負(fù)的。這表明表面缺陷區(qū)域處在一個(gè)壓力和拉力共同作用的平面應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)圖4的分析模型，如果區(qū)域的壓應(yīng)力大于平均值，板料彎曲就可能發(fā)生。
表2.臨界壓力的計(jì)算值
網(wǎng)格序號(hào)
壓應(yīng)力σx
（MPa）
壓縮長(zhǎng)度
a（mm）
平均應(yīng)力σcr
(MPa)
彎曲
與否
1
2
3
4
5
6
7
234
210
190
170
150
100
50
12
15
18
22
26
27
34
645
412
286
191
137
127
80
No
No
No
No
Yes
No
No
根據(jù)圖7和方程（9）的應(yīng)力分布，我們可以得到被壓應(yīng)力水平（如圖表2所示）分開的網(wǎng)格的主要應(yīng)力。根據(jù)結(jié)果，彎曲發(fā)生在網(wǎng)格5，邊界壓應(yīng)力為150MPa。預(yù)測(cè)彎曲區(qū)域如圖8所示，并與Fu et al[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較?？梢悦黠@看到局部的彎曲的區(qū)域與檢測(cè)的表面缺陷的區(qū)域一致。這表明，表面缺陷現(xiàn)象的本質(zhì)是在回彈中在殘余壓應(yīng)力的作用下面板的局部彎曲。
結(jié)論
本文中，我們的工作主要集中在研究板料沖壓過程中表面缺陷的形成機(jī)理?；谟邢拊抡娴慕Y(jié)果，理論的分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，得出以下結(jié)論：
在拉伸過程中沖壓面板發(fā)生顫動(dòng)但表面不發(fā)生缺陷。在彎曲回彈過程中沿厚度方向上的變形不一致導(dǎo)致表面缺陷的產(chǎn)生。
彎曲回彈中在殘余壓應(yīng)力作用下的面板局部彎曲是板料沖壓中產(chǎn)生表面缺陷的主要原因之一。
致謝
非常感謝來自機(jī)械系統(tǒng)與MSVMS201101振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目支持、中國(guó)20100073110034中國(guó)教育部博士基金的支持、由上海市教育委員會(huì)“曙光”項(xiàng)目的支持和上海教育發(fā)展基金會(huì)10SG13的支持。
參考文獻(xiàn)
[1] Liu L.Sawada T.Sakamoto M.:Journal of Materials Processing Technology 103,280-287.
[2] Andersson A.:Journal of Materials Processing Technology 209,821-837.
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2024鋁合金板料鍛壓成型中殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬
Da Li,Lei Deng,Xinyun Wang*,Junsong Jin and Juchen Xia
湖北武漢華中科技大學(xué)材料處理和模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
*wangxy_hust@163.com
關(guān)鍵字：殘余應(yīng)力，鍛壓成形，2024鋁合金，板料，數(shù)值模擬。
摘要：薄板材的不合適殘余應(yīng)力對(duì)其尺寸和性能有著不良的影響。沖壓和鍛造結(jié)合的方法能減少薄板材的殘余應(yīng)力。通過有限元分析軟件Abaqus對(duì)彎曲和鍛造后的2024V形鋁合金內(nèi)的殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，鍛壓工藝能有效的減少V形件圓角處的殘余應(yīng)力，同時(shí)減低回彈值和提高薄板材的尺寸精度。
引言
由于2024鋁合金有著優(yōu)良的力學(xué)性能和可加工性，因此被廣泛用作制造航空航天飛行器的材料[1]。為了獲得高強(qiáng)度和韌性，材料必須接受熱處理和時(shí)效處理，或者塑性成形，經(jīng)過這些處理后材料內(nèi)或多或少有殘余應(yīng)力。因?yàn)闅堄鄳?yīng)力在屈服強(qiáng)度、蠕變、疲勞破壞、應(yīng)力腐蝕開裂和零件在使用中常發(fā)生的其他失效現(xiàn)象中占很大比例而且嚴(yán)重影響零件尺寸和航天結(jié)構(gòu)件的壽命[2]。因此，為了獲得良好的性能和輕型航空零件，迫切需要開發(fā)一種低殘余應(yīng)力的薄板料成形方法。
一些學(xué)者已經(jīng)研究了塑料成型和板料成形的工藝參數(shù)，提出了減小殘余應(yīng)力分布的方法。R.Greze[3]研究了從室溫到200℃時(shí)溫度對(duì)拉伸回彈的影響，發(fā)現(xiàn)增加溫度有利于減少殘余應(yīng)力分布。M.S.Ragab[4]研究了變薄拉深對(duì)沖壓外圈的彎曲殘余應(yīng)力分布的影響，發(fā)現(xiàn)小的變薄拉深力能有效的減小殘余應(yīng)力。A.Gisario[5]通過使用高能量激光掃描預(yù)彎曲的鋁合金板材來防止回彈，優(yōu)化了在板材上殘余應(yīng)力的分布。M.Koc[6]研究了減低7050淬火的鋁合金剛中殘余應(yīng)力的兩種不同的冷加工方法（壓縮和拉伸），發(fā)現(xiàn)這兩種方法都能減少超過90%的殘余應(yīng)力。
近年來，新的板料成形技術(shù)——冷鍛壓成形技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。這個(gè)技術(shù)在20世紀(jì)90年代首次被日本的學(xué)者Nakano.Takashi提出[7]。鍛壓成形過程包含了沖壓和鍛造的特點(diǎn)。它可用作復(fù)雜零件的局部增厚，因?yàn)樗阽叴?、擠壓和其他三維體積成形過程中融入了沖裁、彎曲、拉伸、翻邊和其他常見的板料成形工藝[8,9]。本文中，基于鍛壓成形變形的特征，提出一種包含沖壓和鍛造的成形方法來調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng)。通過數(shù)值分析彎曲和鍛壓后的V形2024鋁合金內(nèi)的殘余應(yīng)力的分布。同時(shí)也討論了彎曲角和相對(duì)彎曲半徑對(duì)板料殘余應(yīng)力分布的影響。
彈塑性彎曲的應(yīng)力分析
在彎曲過程中，板料的彎曲半徑減少使凸模的深度下降，同時(shí)增加了變形程度。板料的內(nèi)部和外部邊角首先達(dá)到屈服條件開始發(fā)生塑性變形。如果凸模繼續(xù)下降，板料的纖維逐漸從外到內(nèi)發(fā)生破壞。在彎曲變形的圓角區(qū)，內(nèi)外表層為塑性變形區(qū)域，中間為彈性變形區(qū)域。也就是說彈塑性變形發(fā)生在板料的表層。對(duì)于理想彈塑性材料，彎矩Mcp方程（1）[10]: (1)
板料的寬為b，高為h，為彈性變形區(qū)的厚度，σ為屈服應(yīng)力。
卸載過程相當(dāng)于在板料加一個(gè)反向的彈塑性彎矩-Mcp，殘余應(yīng)力是彎曲應(yīng)力和彈性卸載應(yīng)力的疊加，如圖1所示。
圖1.彈塑性變形后彎曲圓角的殘余應(yīng)力：（a)彎曲應(yīng)力σ；（b）彈性卸載力σ’；（c）殘余應(yīng)力σ”
從方程（2）可以得到殘余應(yīng)力[10]：
（（2）
σs是屈服強(qiáng)度，Z是中性層與計(jì)算位置之間的距離。
如圖1所示，卸載后的板料上殘余應(yīng)力的分布更為復(fù)雜。在彎曲過程中，彎曲應(yīng)力只是簡(jiǎn)單的拉力和壓力，然而在卸載后保證板料平衡狀態(tài)殘余應(yīng)力呈現(xiàn)變化的拉力和壓力分布。圓角內(nèi)側(cè)任保持殘余拉應(yīng)力，圓角外側(cè)任保持殘余壓應(yīng)力。這種狀態(tài)是由于在彎曲過程中，內(nèi)外層不同程度的變形導(dǎo)致的。
本文提出的鍛壓成形方法可通過改變彎曲圓角的變形形式從而調(diào)整殘余應(yīng)力的分布。其原理如圖2所示。
圖2.鍛壓成形的原理
圖2中，r為彎曲圓角的內(nèi)半徑；t為板料的厚度；a為彎曲角；s為凸模與板料之間的距離。相對(duì)彎曲半徑可由公式r/t計(jì)算得出。鐓粗的深度可由s與t的比值計(jì)算出來。首先，凸模下壓知道模具與凸模距離為t。在這個(gè)過程中，產(chǎn)生板料的彎曲變形。接著當(dāng)凸模上升到距離s時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。兩邊的壓塊在凸模的作用下沿著模具斜面對(duì)板料施加壓力。在鐓粗力的作用下板料厚度發(fā)生變化，形成與凸模一樣的形狀。在鐓粗過程中，圓角和板料的直邊都會(huì)發(fā)生塑性變形。