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金属板材成型技术的新发展
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冲压模具/锻压/冷镦模具展厅
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轻型和抗压型车辆需要采用先进高强度钢(DP、TRIP、TWIP)和Al 合金,进行复杂形状零部件的成型。本文将分为两个部分,分别讨论材料性能的确定和适用于最佳成型条件的润滑油以及FE 模拟。

汽车行业在轻量化和降低成本方面面临着巨大的压力。因此,企业、OEM,以及一二级供应商,纷纷投资研发新材料,如Al 合金、AHSS 和硼钢,以减轻重量并提高安全性。而新材料则要求润滑剂、模具材料和涂层以及新设备等各方面取得同步提升。其中最普遍的做法是采用先进高强钢(AHSS)及热压和淬火硼钢。 AHSS 包括抗拉强度高达1200 MPa(175 Ksi)的双相牌号(DP 600~DP 1200),以及诱发塑性(TRIP)、马氏体(MS)和孪晶诱发塑性(TWIP)钢。热压硼钢在淬火后的抗拉强度可达到1500~1600 MPa(215~230 Ksi)。

材料特性

行业中普遍将有限元法(FEM)用于工艺设计, 来预测冲压时发生的金属流动和可能出现的缺陷。所输入数据的准确性会影响FEM 分析结果的精确度, 所以必须进行试验,以确定材料在冲压条件(双轴拉伸)下的应力应变特性。粘性介质压力胀形(VPB)和极限拱顶高(LDH)双轴试验,比常规的拉伸试验具有多项优点。流动应力曲线对于模拟和分析是必不可少的。通常,这些需要通过拉伸试验来确定。然而,在拉伸试验中得到的数据基于相对较小的应变,故必须应用外推法。另一方面,胀形试验则能提供更可靠的应变应力数据,且无需进行外推。

在与本田公司(Honda)进行的一项研究中,采用LDH 和VPB 试验来确定JAC 270E 钢板材料的流动应力。假定材料模型遵循Hollomon 关系式:σ = Kεn,其中σ 为实际应力,ε 为实际应变,K 为强度系数,n 是应变硬化指数。对这两种方法进行的比较表明,实验得到的k 和n 大致相同。

摩擦和润滑

在分析一种润滑剂对某一特定工艺的适用性时,必须考虑许多因素。仅凭摩擦系数的高低来选择冲压部件的润滑剂是远远不够的。还必须考虑工件材质、模具、刀具与工件的界面、变形区、设备、成品件,以及环境(包括处理及冲压前后的加工) 等众多因素。

因此从系统的角度考虑问题十分重要。如果某种润滑剂能带来低摩擦系数,但会导致工件或模具的腐蚀,造成环境恶化, 或是润滑油无法清除干净,那么该润滑剂就不适用于此应用。因此,在实验室试验时,要模拟实际冲压条件和过程,如此一来在为某种特定冲压操作选择润滑剂时,才能充分考虑这些因素。

在净成型制造工程技术研究中心(ERCNSM)评估润滑性及有关磨损、刀具材料和涂层有关的润滑剂的摩擦系数时, 会进行杯突试验和板材拉伸试验。

本田的一项研究中,通过板材拉伸和杯突试验,来分析镀锌DQS - 270D - GA 钢材用润滑剂。采用板材拉伸方法测试了18 种润滑条件,杯突方法只测试了12 种润滑条件(在板材拉伸试验中表现不佳的润滑剂被剔除掉)。杯突试验中, 试件夹持力(BHF)分别设定为20 吨、22 吨和24 吨,BHF 为20 吨时的试验结果如图1 所示。

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冲裁与扩孔

通过冲裁试验获取材料流变应力数据:冲裁是一个变形极大的成型过程,特别是对高强度且较厚的材料进行冲裁时, 工件的温度会显著上升。试件变形区的应变值可能高达2~3, 并可能转化为高达103 s-1 至105 s-1 的应变速率,具体随冲裁速度改变而有所不同。同时,视材料的导热率、强度和厚度的不同,试件温度会有不同,最高可达300℃。

被输入冲裁模拟的材料流变应力曲线,通常通过单轴拉伸试验、双轴圆顶试验或隆起试验获得。在大多数情况下,用上述方法可得到应变值小于1 的材料流变应力值。在这些试验中,一般不会达到104 ~ 105 这样的应变速率。因此,通常的做法是假设材料继续遵循应力应变曲线关系,通过拟合方程,将曲线外推到更高的应变值范围。本案例将冲裁作为潜在的测试方法进行了研究,旨在同时获取对应于高应变值和应变速率的流变应力数据。利用冲裁实验结合模拟,以确定流变应力,并获得对应高应变速率范围的流变应力数据。

冲头与模具的间隙对刀具寿命的影响:Hagman 进行的实验,是为了研究冲头与模具的间隙对矩形冲头弧形倒角方向的磨损,如图2 所示。实验采用了1mm 厚的Docol 800DP 板材, 刀具材料为硬度60HRC 的Vanadis 4( 是一种铬- 钼矾合金钢,是经粉末冶金炼钢工艺生产的高性能冷作模具钢,它有极好的耐磨性和高韧性的良好组合,特别适用于那些因黏着磨损和崩角。) 冲裁试验表明,弧形倒角半径为0.2mm 的冲头在45,000 次冲裁后出现开裂,而弧形倒角半径为0.5mm 的冲头则在200,000 次冲裁后仍然完好。该实验的FEA 模拟结果显示,当半径为0.2mm 时,最大冲头应力超过了材料2200MPa 的极限压应力; 而当半径为0.5mm 时,则仍低于2200MPa。因此, 与冲头与模具间隙保持不变相比,两者间隙可变会显著减小或加大磨损。

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孔翻边或扩孔试验:在扩孔试验中,冲裁孔在拉应力作用下发生拉伸,使孔径增大。而孔翻边加工,则是使已在先前冲孔过程中发生大量塑性变形和温度变化的边缘材料发生拉伸。因此,边缘在翻折过程中是否出现裂纹,与冲剪边缘的材料特性高度相关。在实际冲压孔和翻边工艺中,毛边位置取向是随机的。冲切孔的位置即可以在毛边与孔翻边冲头接触(毛边向下)的地方; 也可能在毛边与冲头不接触(毛边向上)的地方。

多数尝试使用有限元(FEM)对孔翻边建模的研究者,都忽略了冲裁边缘的几何形状及其先前发生的应变的影响,而将其假定为无初始应变的完美边缘。在净成型制造工程技术研究中心(ERCNSM),采用了锥形冲头扩孔试验模拟,以揭示由冲裁带来的剪切边缘变形所产生的影响。试验中所用的板材是DP 590,毛边向上。冲裁边缘应变所产生的影响是巨大的。翻折边缘的有效应变相当大,高达1.6,并随冲程持续增加。扩孔建模时,如果行程和扩孔率(HER)相同, 冲裁边缘观察到的应变更大。毫无疑问,这些较大的应变会对成型性能和边缘开裂产生影响。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-4-3)
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