硕士论文-超高强度钢板热冲压成形基础研究.pdf

申请同济火学工学硕士学位论文 超高强度钢板热冲压 成形基础研究 培养单位：机械工程学院 一级学科：机械工程 二级学科：机械制造及其自动化 研究生：谭志耀 指导教师：林建平教授 副指导教师：田浩彬博士 二o o 六年兰月 摘要 摘要 使用超高强度钢板是实现汽车轻量化的重要途径。但随着强度性能的提高， 超高强度钢板的成形性能大大降低，成形过程中极易产生破裂等现象，因此需 要采用热冲压工艺来实现超高强度钢板的成形。热冲压成形工艺主要是利用金 属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降的特点，通过 模具使零部件成形的工艺。与板料冷冲压相比，板料的热冲压成形具有塑性好、 成形极限高、易于成形等优点。近年来，对超高强度钢板热冲压成形工艺的研 究国外给与了很大重视，但国内对其研究很少。因此，研究超高强度钢板热冲 压成形工艺具有重要意义。 a r e e l o r 公司的u s i b o r l 5 0 0 是一种典型的超高强度硼钢板，可以通过热冲 压成形工艺进一步提高其性能。本文主要针对u s i b o r l 5 0 0 钢板的力学性能进 行了研究，首先测量了其常温下的力学性能，然后对在不同温度、不同变形速 率下的试样进行拉伸试验，对试验结果采用最小二乘法进行多元线性回归，建 立了高温状态下的变形抗力数学模型，为超高强度钢板的热成形提供了科学依 据；其次，本文还对高温状态下的板料进行了气体淬火试验，得到了淬火冷却 的速度范围，并在此基础上进行了固体淬火试验及有限元模拟，得出了使用固 体淬火完全能够满足淬火速度要求的结论，简化了模具的冷却方案。 关键谒：高温成形，超高强度钢，数学模型，有限元模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a h i g h s t r e n g t hs t e e lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea u t o m o t i v el i g h t w e i g h t i n g i n d u s t r y h o w e v e r , w i t ht h ee n h a n c e m e n to ft h es t e e ls t r e n g t h ，i t sf o r m a b i l i t yi s w o r s e n e dd r a m a t i c a l l y s o ，f a i l u r ea n df r a c t u r ea r ea l w a y so c c u r r e di ns t a m p i n g a sa n e w p r o d u c t i o np r o c e s s ，h o ts t a m p i n gc a nh e l pt os o l v et h e s ep r o b l e m s h o ts t a m p i n g i ss u c hat e c h n o l o g y , b yw h i c ht h em e t a lw i t hh i g ht e m p e r a t u r eh a sg o o dp l a s t i c i t y a n dd u c t i l i t y , a n di t sy i e l ds t r e n g t hd e c r e a s e s t h em a t e r i a lh a sb e t t e rp l a s t i c i t y , h i g h e r f o r m i n gl i m i ta n de a s i e rt os h a p ei nh o ts t a m p i n gt h a ni nc o l ds t a m p i n g i nr e c e n t y e a r s ，m a n yf o r e i g nc o m p a n i e sp a ym u c ha t t e n t i o nt ot h es t u d yo fh o ts t a m p i n go f u l t r a h i g h - s t r e n g t hs t e e l ，b u tl e s ss t u d yo fo u rc o u n t r yi sc a r r i e do u t t h u s ，i ti s m e a n i n g f u lt ot a k et h es t u d yo nh o ts t a m p i n go f u l t r a h i g h s t r e n g t hs t e e l a r c e l o rc o m p a n y su s i b o r l 5 0 0i sar e p r e s e n t a t i v eu l t r a h i 曲- s t r e n g t hb o r o n s t e e lp l a t e ，w h i c hm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ec a nb eg r e a t l ye n h a n c e dt h r o u g hh o t s t a m p i n gp r o c e s s t h i sp a p e r sr e s e a r c hs t u d i e so nt h eu s i b o r l 5 0 0b o r o ns t e e l p l a t e f i r s t l y , i t sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ei sm e a s u r e di nn o r m a lt e m p e r a t u r e t h e d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ei nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，d i f f e r e n ts t r a i na n dd i f f e r e n ts t r a i n r a t ea r e i n v e s t i g a t e dw i t ht e n s i l ee x p e r i m e n t s ，a n d t h em a t h e m a t i cm o d e lo f d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo fs t e e li sb a s e do nl i n e rr e g r e s s i o nw i t hl e a s t - s q u a r em e t h o d ， w h i c hp r o v i d e st h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ep r o d u c t i o n s e c o n d l y , t h eq u e n c h i n gs p e e d i so b t a i n e dt h r o u g hg a sq u e n c h i n g e x p e r i m e n t ，w h i c hi sp e r f o r m e do nt h ep l a t ew i t h h i g ht e m p e r a t u r e b e s i d e s ，as o l i dq u e n c h i n ge x p e r i m e n t i sc a r r i e do u ta n d c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o ni st a k e n ，w h i c hd r a wac o n c l u s i o nt h a ts o l i dq u e n c h i n g s a t i s f i e st h ed e m a n do f q u e n c h i n gs p e e d t h i sc o n c l u s i o nm a k e st h ec o o l i n gm e t h o d s i m p l e r , w h i c hc a nd i r e c tt h em o u l dd e s i g n k e yw o r d s ：h o ts t a m p i n g ，u l t r a h i g h s t r e n g t hs t e e l ，m a t h e m a t i cm o d e l ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：碑苫施 沙年5 月沙日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月目 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：溺乙抱 纱移年) 月z u 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着世界汽车保有量与日俱增，汽车正以越来越大的影响力改变 着人们的工作与生活。但随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益 突出。汽车消耗着大量的燃油，汽车尾气对地球环境特别是对人类健康的危害 日趋严重，伴随而生的排气污染则给人类带来了灾难。另外，随着人们对汽车 安全性、舒适性、环保性能要求的提高，汽车安装空调、安全气囊、隔热隔音 装置、废气净化装嚣卫星导航系统、无线电通讯等设备越来越普及，这无形中 增加了汽车的质量耗油量和耗材量。着眼于长远的可持续发展，节约资源、减 少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。减轻汽车质量降低燃油 消耗和减少排放污染的任务就显得尤为迫切，节能成为汽车工业发展的核心问 题。 为达到上述目的，世界主要汽车制造商一方面从设计着手提高发动机的效 率，减少行驶阻力，改善传动机构效率，另一方面就是汽车的轻量化。所谓汽 车轻量化，就是减轻汽车的自重。汽车的燃油消耗与汽车运动总质量成正比， 而汽车总质量为汽车自重与载荷之和。由于汽车的自重远大于载荷，因此汽车 降低自重尤为重要。据统计，汽车每减重1 0 ，油耗可降t 氐8 - 1 0 “3 。1 9 9 4 年我 国私人汽车保有量为2 0 5 万辆，l i l j 2 0 0 3 年私人汽车保有量1 2 0 0 万辆，十年间我国 私人汽车总量增长了6 倍，可见汽车减重对节能、改善环境的意义十分巨大。汽 车的轻量化不仅可以减小汽车的滚动阻力，加速阻力和爬坡阻力、降低燃油消 耗，而且也有利于改善汽车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能，同时 还可以降低噪声、振动，为实现大功率化创造条件。 汽车工业的精髓是汽车车身的制作，汽车公司投资的6 0 是车身( 包括门窗、 盖、车身板) 的制作。1 。当前的汽车是大规模生产，车身零部件大多是冲压成 第1 章绪论 形，对板材的尺寸偏差、表面质量和内部组织的要求极为严格。车身作为汽车 的重要组成部分，其质量占汽车总质量的3 0 一4 0 ， 因此车身的轻量化对于整 车的轻量化起着举足轻重的作用。 减轻汽车自重是节约髭源和提高燃料经济性的最基本途径之一，但是汽车 轻量化不能盲目的减重，汽车轻量化的基本要求如下： i 保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度的减轻各零部件的质 量，降低燃耗，减少排放污染。 2 在使汽车减轻质量、降低燃耗、减少排放的同时，努力谋求高输出功率、 商响应性、低噪声、低振动、良好的操纵性、高可靠性和高舒适性等。 3 在汽车轻量化的同时，汽车的价格应当下降或保持在合理水平，具有商 业竞争能力，即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量一性能一价格的技术。 因此实现汽车车身的轻量化，主要依靠以下两种途径。一是改进汽车结构， 利用结构解析技术和c a d 、c a m 和有限元等技术进行结构优化设计，在确保性 能和功能的前提下，削除无用的材料，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合 化，以及对内饰、发动机和汽车底盘等所有汽车零部件进行结构和工艺改进等。 汽车各部分的质量是相互关联的，如果减轻发动机质量，底盘质量就能相应减 轻，而减轻车身零部件的质量支承它的车架、车桥、车轮、悬架等行走系的负 荷就会降低，其质量和尺寸可相应减小，从而使发动机和制动器的质量和尺寸 也可相应减小。两个或多个零件集成为个单个零件，不仅工序简化而且有减 重的效果。比如，将前置发动机后轮驱动结构改为前轮驱动结构。可以减少传 动系统重量，目前欧洲已有约6 0 改为前轮驱动”1 。二是采用轻量化的金属，如 铝合金、高强度钢等。铝的密度是铁的i 3 ，作为汽车材料有许多优点，如在满 足相同机械性能的条件下、比钢减少质量6 0 、易于回收、在碰撞过程中比钢多 吸收5 0 的能量、不需防锈处理等“3 。然而，比较同一重量下铝与钢的特性可看 出，钢可获得很好的抗凹陷性能。另一方面，从耐载荷与耐疲劳强度看，如果 第1 章绪论 钢的强度上升多j 7 8 0 m p a 级，则与同一重量的铝具有同等特性，这在经济上是有 利的。因此，今后钢板高强度化的目标是：开发7 8 0 m p a 级以上、成形性等各种 性能优异的钢板”。 但是随着钢材强度的提高，其延伸率下降( 见图1 1 ) 、成形性能也大大降 低，成形过程中还容易产生破裂、起皱、尺寸和形状不良等问题。因此，传统 的冷冲压成形工艺己不能满足技术和生产发展的需要，产生了一种新的加热成 形工艺方式热冲压成形工艺。 图1 1 钢板强度与延伸率的关系 1 2 国内外研究现状 国外钢铁企业十分注重高强度钢板的研究开发和生产，以适应汽车工业对 高强度钢板的需要。铡如日本钢管( n k k ) 使用水淬连续退火生产汽车用9 8 0 m p a 和1 1 7 0 m p a 级别的超高强度钢板；德国蒂森克虏伯钢铁公司有4 套宽带钢热轧 机，均能生产高强度钢板其生产的马氏体寿l j 组织钢的热轧带钢的强度可达到 1 2 0 0 m p a ”1 。1 9 9 4 年，世界1 8 家汽车生产厂组成了汽车钢铁合股伙伴关系，共 同研究开发超轻钢材车身，项目名称为u l s a b ( u l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ) 。 现在u l s a b 已经完成了设计和工程等工作。并已经生产出实用的轻型汽车车身。 在u l s a b 推出的u l s a b ，a v c 计划中，车身全部采用高强度钢板，并且超高强度 舞1 章绪论 钢的强度上升l j 7 8 0 m p a 级，则丐同重量的铝具有同等特巾牛，这在经济七是有 利的。因此，今后钢板高i 虽度化的1 7 标是：开发7 8 0 m p a 级以上、成形性等各种 性能优异的钢板”3 。 但是随着钢材强度的提高，其延伸率下降( 见图1 1 ) 、成形性能也大大降 低，成形过程中还容易产生破裂、起皱、尺寸和形状不良等问题。因此，传统 的冷冲压成形工艺已不能满足技术和生产发展的需要，产生了一种新的加热成 形工艺方式热冲压成形工艺。 1 2 国内外研究现状 图1 1 钢板强度与延伸率的关系 国外钢铁企业十分注重高强度钢板的研究开麓和生产，以适应汽车工业对 高强度钢板的需要。例如日本钢管( n k k ) 使用水淬连续退火生产汽车用9 8 0 m p a 和1 1 7 0 m p a 级别的超高强度钢板；德国蒂森克虏伯钢铁公司有4 套宽带钢热轧 机，均能生产高强度钢板其生产的马氏体拥组织钢的热轧带钢的强度可达到 1 2 0 0 m p a ”1 。1 9 9 4 年。世界1 8 家汽车生产厂组成了汽车钢铁台股伙伴关系，共 同研究开发超轻钢材车身，项目名称为u l s a b ( u l t r a l i g h t s t e e l a u t o b o d y ) 。 现在u l s a b 经完成了设计和工程等工作，并已经生产出实用的轻型汽车车身。 在u l s a b 推出的u l s a b a v c 计划中，车身全部采用高强度钢板，并且超高强度 在u l s a b 推出的u l s a b - a v c 计划中，车身全部采用高强度钢板，并且超高强度 第1 章绪论 钢板的应用量占8 0 “。目前，国外钢铁公司推出一系列具有更高强度的淬火硼 钢系列，经过热处理后，其屈服强度可达1 2 0 0 m p a ，抗拉强度可达1 5 0 0 m p a 。采 用此种钢板生产的汽车零件可以使同等强度、刚度的零件减重5 0 以上。因此 这种钢板受到汽车厂家的重视，在汽车的一些重要安全结构零件陆续使用了淬 火硼钢等超高强度钢板成形技术。 在国内，轿车采用的高强度钢板的强度级别为：冷轧板：3 2 0 7 8 5 m p a ，热 轧板：3 8 0 5 4 0 m p a ；国产供汽车用含p 冷轧高强度钢板强度级别为3 4 0 4 2 0 ， 3 7 0 4 5 0 ，3 8 0 4 7 0 ，3 9 0 4 8 0 ，4 4 0 5 6 0 m p a ，热轧供汽车梁用钢板为3 7 5 6 1 0 m p a 0 1 ，先进的高强度钢板的研究、生产和使用相对于国外较落后，在热轧 先进高强度钢板生产方面，国内宝钢、武钢和鞍钢可生产一些低级别的双相钢， 在冷轧先进高强度钢生产方面，宝钢可生产一部分。总体而言，先进的高强度 钢板目前在国内多处在研发阶段。造成国内a h s s 钢板同国外品种差距较大的原 因主要是国内需求少，生产设备的制约也在一定程度上限制了a h s s 钢板的开 发。尽管目前这一系列的钢板市场需求少，但随着国内外汽车钢板接轨步伐的 加快，国内汽车采用a h s s 钢板用量大大提高”1 。如在国内上海大众引进了德国 大众的b 6 车型，为了安全起见，其中一部分重要结构零件如门槛、门内侧梁、 底板中央通道、b 柱等预采用超高强钢板进行成形，若这些零部件采用热成形， 重量比采用冷成形可减轻2 8 k g ，并且还增强了汽车的安全性，因而淬火硼钢等 一系列超高强度钢在汽车零部件的应用是发展的必然趋势。 1 3 课题研究的背景和意义 1 3 1 板料热冲压成形的基本概念 热冲压成形工艺主要是利用金属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加， 屈服强度迅速下降的特点，通过模具使零部件成形的工艺。采用热冲压成形工 艺，一般是将板料加热到再结晶温度以上某个适当的温度( 对于钢铁材料，加 4 第1 章绪论 热至奥氏体状态) 时进行冲压成形，使板料成形时的流动应力降低、提高板料 的成形性、降低成形件的回弹，并且降低所需设备的吨位，冲压成形后进行快 速冷却淬火从而提高其强度。热冲压成形工艺的流程见图1 2 。 甸留目 加热到奥氏体湿度冲压成形并快速冷却 成形件强度可 达l5 0 0 m p a 图1 2 热冲压成形工艺的流程图 与板料冷冲压相比，板料的热冲压成形具有以下优点：变形抗力小、塑性 好、成形极限高、易于成形；由于变形抗力降低，所以减小了模具的单位压 力，相应降低了对模具和机床的要求；由于成形性能的提高，减少了变形的 工序数从而缩短了生产周期。对于硼钢，通过热成形不仅具有以上所描述的热 成形的优点，并且配以合适的后继热处理方式，还可以使板料发挥其最佳的性 能，为汽车提供高质量的零部件，从而不但降低了汽车零部件的重量，还提高 了其抗冲击性能及疲劳性能，提高了汽车的安全性。 1 3 2 研究板料热冲压工艺的意义 含硼超高强度钢板的强度可达1 5 0 0 m p a ，为普通钢板强度的3 4 倍，将其应 用于汽车零部件成形不仅可直接降低车身重量，还可提高汽车的安全性，以及 相关联的降低油耗，节约能源、减少汽车排放等。并且，硼钢属于含硼高强度 钢板，废物可以充分回收利用，有利于降低环境污染。此外，车身重量的减轻， 还有助于改善汽车的行驶、转向、加速、制动等运动性能和排气性能，同时， 还为降低噪声、振动、实现大功率创造条件。 我国汽车工业已进入高速增长的发展阶段，2 0 0 3 年汽车产量超过4 0 0 万辆， 己成为世界汽车生产大国，2 0 1 0 年前，年均增长率为1 0 1 5 。汽车轻量化 s 麓戳缫矽 一去化 一 一，除氧皮 壹 第1 章绪论 和原料国产化、高性能化是中国汽车工业及相关工业努力的方向。因此，汽车 的轻量化不仅是汽车制造商亟待解决的问题，还要依托各有关企业和厂家通力 合作、立项攻关，研究开发新材料、进一步加快原料和成形工艺开发，使中国 汽车工业在产量迅速增长的同时，质量、性能和档次上也都上新台阶，真正跻 身世界汽车制造工业前列。 1 4 数值模拟技术在板料成形中的应用 薄板冲压成形是种十分重要的制造技术，在汽车、航空、电器和国防等 工业中都有广泛应用。薄板冲压成形在汽车制造中尤为重要，因为汽车覆盖件 大都采用薄板冲压而成。汽车覆盖件的冲压成形过程不仅影响汽车外观，更影 响汽车制造的成本以及新产品开发的周期，因而影响整个汽车产品的综合经济 效益。 由于冲压成形过程是一个非常复杂的物理过程，传统的模具与工艺设计只能 以许多简化和假设为基础进行初步设计计算，然后大量的依赖经验与反复的试 模、修模来保证零件的品质。这样的方法用于新产品、尤其是像汽车覆盖件一 类的大型复杂零件的模具与工艺设计，不仅时间长、费用高，还往往难以保证 零件的品质。随着计算机技术、有限元方法及计算机图形学等相关学科的发展， 包办冲压成形过程的计算机仿真技术日趋成熟并在冲压模具与工艺设计中发挥 越来越大的作用。冲压成形过程的计算机仿真实质上就是利用数字模拟技术分 析给定模具和工艺方案所冲压的零件变形的全过程，从而判断模具和工艺方案 的合理性。每一次仿真就相当于一次试模的过程。因此成熟的仿真技术不仪可 以减少试模次数，在一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格从而避免修模。 这就可大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。 对成形过程进行模拟可以预测材料的成形能力，这免去了大量的试验但是 却可以得到比较精确的结果，因而数值模拟方法得到了突飞猛进的发展，并应 用到各种行业之中。如在锻压成形方面，哈尔滨工业大学的刘建生对龃轴的弯 6 第1 章绪论 曲镦锻过程进行了有限元热力耦合模拟，得到了曲轴成形过程中工件温度场的 变化“；在塑料板热成形方面，哈尔滨工业大学的宋玉华对塑料板材的变形和 温度场进行了有限元模拟，得到了热成形过程中的温度场的分布并分析了其对 最终制件的厚度分布的影响“”；然而，在金属板料成形方面，对其的数值模拟 大部分是针对冷冲压成形，如华中科技大学的徐金波对汽车翼子板零件冲压成 形过程进行的模拟“，而对板料热成形过程的数值模拟研究较少，在国内未查 阅到相关资料，在国外查阅到少量关于板料热成形过程的数值模拟的文献 ( l g a r c i aa r a n d a d 对u s i b o r1 5 0 0 淬火钢的汽车b 柱热冲压进行了模拟，得 到了接触点的温度分布“”) ，但可能由于保密等原因只是泛泛的介绍。由于在板 料热冲压成形过程中，温度对材料性能有很大的影响，因此通过对温度场的数 值模拟可以得到成形件各点随着温度变化的材料性能参数，对准确模拟板材热 成形过程有着直接的影响。热成形过程中的温度场分布还对热成形后的冷却工 艺也有重要影响。因此，对热成形过程中的温度场进行准确的数值分析，对合 理设计冷却工艺，对优化高强度钢板热成形工艺有着重要的意义。 1 5 本文研究的主要内容 目前热冲压成形工艺在国外也才刚刚起步，国内还未见相关研究的报导。本 文针对a r c e l o r 公司的u s i b o r15 0 0 超高强度硼钢板进行研究，测量了其常温下 的力学性能，并对不同温度、不同变形速率下的试样进行高温拉伸试验，根据 高温拉伸的实验数据建立了材料的高温变形抗力数学模型，为超高强度钢板的 热成形提供了科学依据；还对高温下的板料进行了气体淬火试验，得到了淬火 冷却的速度范围，并在此基础上进行了固体淬火试验及有限元模拟。 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 金属薄板在发生变形的过程中内部微观结构、内能变化复杂，对冲匿件的质 量、效率有很大的影响，且这种变化受材料、施力方式、模具结构等多种外部 因素影响，长期以来人们在这方面作了大量的研究，是我们进行有限元仿真研 究的基础。同时，有限元仿真方法研究冲压成形就必须从最基本的力学、数值 计算考虑，才能制定出最合理的仿真方案，达到运用有限元技术解决实际问题 的目的。因此，在对板料成形过程的仿真研究之前必须了解材料的力学特性和 塑性变形的力学特点，以及仿真研究中对冲压的力学特性、材料特性的处理和 数值计算方法，确定出我们的仿真方案，其中包括计算方法的选用，壳单元的 确定，接触处理方法和材料本构模型的选择。 2 1 金属薄板冲压成形原理 板材冲压成形是利用金属塑性变形的特点，通过一定方式对金属板料施加压 力，在上下模腔的约束下产生所需的塑性变形，从而获得满足所需的各种形状 的零件。在圆筒形件的简单冲压过程中，当凸模向下运动时，凸模的底部首先 压住坯料中间部分；凸模继续下行，即将坯料的凸缘逐步拉入凹模模腔内，凸 缘材料便不断的转化为零件的壁。由此可见，冲压成形的实质就在于凸缘部分 的变形，冲压成形过程就是使坯料凸缘逐步收缩形成零件的壁的过程。在这一 过程中，材料形状的改变归根结底都是材料内部的微观变化弓 起的，既与金属 晶格的变形有关，又与材料内部的应力变化有必然的联系。 1 冲压过程的金一变形 冲压成形过程的金属变形包括弹性变形和塑性变形两个发展阶段，两个发展 过程既相互区别又相互关联。没有外力时，金属晶格中的原子处于稳定的平衡 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 状态( 如图2 1 a ) 。冲压时的外力作用破坏了这种平衡，引起了原子间距离的改 变，造成了晶格的畸变，使晶格中的原子处于不稳定的状态，晶格的畸变必然 表现为整个晶体的变形( 如图2 1 b ) 。外力除去后，晶格的原子因为内力的作用， 立即恢复到原来稳定平衡的位置，晶格的畸变和整个晶体的变形也就立即消失 了。这就是弹性变形的实质。 如果外力进一步加大，金属晶格的弹性畸变程度也随之而加大，当外力和畸 变到达一定程度时，晶格的一部分即相对另一部分产生较大的错动( 滑移或李 动，如图2 1 c ) 。错动以后的晶格原予，就在新的位置与其附近的原子组成新的 平衡。这时如果卸去外力，原子间的距离虽然仍可恢复原状，但是错动的晶格 却不再回到其原始位置了( 如图2 1 d ) 。于是，晶体产生了一种不可恢复的永久 变形塑性变形。塑性变形是晶格之间的错动形成的，因此可以产生比弹性 变形大的多的变形量。 二一 ( b f c )t d ) 图2 1 金属晶格的弹塑性变形过程 由此可见，金属在塑性变形过程中必须首先经过弹性变形阶段，即在外力作 用下金属晶格先产生晶格的畸变，外力继续增大时，才产生晶格之间的错动。 由于晶格的错动过程中晶格的畸变仍然存在，因此在塑性变形过程中弹性变形 和塑性变形是同时存在的，外力消除后，总变形量中的弹性变形也就消失了。 2 冲压过程的力学分析 冲压拉深过程中，毛坯各部分的应力应变状态是彳i 同的，变形区的应力、应 变状态决定了板料的变形性质。这里以筒形件为例说明变形区的应力、应变状 9 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 态。 or r 图2 2 拉深过程中板料各区域的应力状态 如图2 2 毛坯所处的拉深状态“，按照应力应变状态可以分为5 个区： 1 凸缘变形区( 主要变形区) 材料在径向拉应力0 ，和切向压应力。的作用 下，产生径向伸长和切向压缩变形，在厚度方向，压边圈对材料施加压应力0 。， 其o 。的值远小于o ，和o 。，所以料厚稍有增加，如果不压料，料厚增加相对大 一些。 2 凸缘圆角部分( 过渡区) 位于凹模圆角处的材料。变形比较复杂，除了有 与平面凸缘部分相同的特点外，还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用而产生 压应力o 。 3 筒壁部分( 传力区) 这部分材料己经变形完毕，此时不再发生大的变形。 在继续拉深时，凸模的拉深力经由筒壁传递到凸缘部分，故它承受单向拉应力 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 o 。的作用，发生少量的纵向伸长和变形。 4 底部圆角部分( 过渡区) 这部分材料一直承受筒壁传来的拉应力，并且受 到凸模的压力和弯曲作用。在拉、压应力综合作用下，使这部分材料变薄严重， 最容易产生裂纹。故此处称为危险断面。 5 筒底部分这部分材料基本上不变形，但由于作用于底部圆角部分的拉深 力，厚度略有变薄。 2 2 金属塑性成形分析方法 金属的冲压成形过程是一个复杂的变形过程，材料特性、变形速度、温度、 摩擦条件、坯料形状及尺寸、模具形状等因素都会对成形过程产生一定的影响， 因此金属的冲压成形过程是一个复杂的非线性问题，包括材料非线性( 应力与 应变之间的非线性) 的和几何非线性( 应变与位移之间的非线性) 。 冲压成形问题的分析由于需要考虑下列问题而难于用解析方法求解：材料本 构关系中冷加工时的加工硬化、各向异性；热加工时的温度分布和材料速率敏 感性等；工件的复杂情况；摩擦边界条件；有限变形等方面的问题。解决这些 阀题的方法，一是采用简化的假设，将问题简化可以用数学工具处理。这样做 通常得到的解答不够精确，甚至有时是错误的。二是在建立计算模型时保留其 较复杂的物理特性，编制程序，用计算机进行数值模拟。 金属成形问题的分析方法大致可分为两类：一类是解析计算法，如主应力法 ( 切片法) ，滑移线场理论，极限法，均匀变形能法，流函数及希尔( h i l l ) 的 一般解法等；另一类是数值分析，包括有限差分法，上限元法，边界元法和有 限元法等。当然，有些解析计算法也可采用数值计算的方法。 1 一般分析方法4 4 1 1 ) 主应力法 根据金属流动方向，沿变形体整个截面切取基元体，切面上的正应力假定为 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 主应力，由此建立该基元体的平衡方程，联立塑性条件进行求解。在列出该基 元体的塑性条件时，通常假定接触面上的正应力为主应力，即忽略了摩擦应力 的影响，从而使塑性条件简化。 主应力法的数学演算比较简单。但这种方法，只能确定接触面上的应力大小 和分布。计算结果的准确性和所做假设与实际情况的接近程度有关。 2 ) 滑移线法 塑性变形体内各点最大剪应力的轨迹称为滑移线。由于最大剪应力成对正 交，因此滑移线在变形体内成两族互相正交的线网，组成所谓的滑移线场。滑 移线法就是针对具体变形过程，建立滑移线场，然后利用某些特性求塑性成形 问题，如确定变形体内的应力分布、计算变形力、分析变形和决定毛坯的合理 外形、尺寸等。 严格的说，滑移线法仅适用于处理理想刚塑性体的平面应力问题。人们也力 图应用于求解平面应力问题、轴对称问题。近年来已开始探讨建立强化效应和 各向异性材料以及速率敏感材料滑移线场的可能性。用滑移线法能方便的研究 变形体内的应力场；但建立变形体的滑移线场通常很复杂，往往需要配合专门 的实验 3 ) 上限法 5 0 年代由英国学者j o h n s o n 和日本学者工滕等人提出，根据理想塑性材料 的极值原理推导的求极限载荷的方法。利用该方法计算出的成形载荷一般总比 真实载荷高，故称为上限法。它的优点是不仅适用于平面应变问题，也适用于 轴对称和三维问题，同时不用解复杂的平衡方程，数学运算比较简单，而且上 限解对工程实际来说也比较安全。但是，上限法的应用是建立在对变形体提出 合适的运动学许可速度场模式基础上的，在很多情况下需要借助实验来建立运 动学许可速度场。 2 有限元法i “i 有限元法诞生于二十世纪六十年代初，开始时主要是对二维结构问题进行数 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 值计算，后来把它的应用扩展到能建立变分公式的广泛领域，成功的用于分析 许多不同形式的边值问题。 综观目前已有的金属成形过程数值模拟方法，不难看出，有限元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d f f m ) 是应用最广泛的数值方法。有限元法功能强、精度高、解 决问题的范围广，可以用不同形状、不同大小和不同类型的单元来描述任意形 状的变形体，适应于任意速度边界条件，可以方便合理的处理模具形状、工件 与模具之间的摩擦、材料硬化效应、温度等各种工艺参数对成形过程的影响， 能够模拟整个成形过程中的金属流动规律，获得成形过程中任意时刻的力学信 息和流动信息，如应力场、应变场、位移场、速度场、温度场以及预测缺陷的 生成与扩展等等。因此，用有限元法模拟塑性成形过程已成为塑性成形理论研 究的中心问题。 就金属成形领域而言，有限元法大致分为两类，其一是固体形塑性有限元 ( s o l i df o r m u l a t i o n ) ，包括弹塑性有限元和弹粘性有限元，这类有限元同时考虑 弹性变形和塑性变形，弹性区域采用h o o k e 定律，塑性区域采用p r a n d t l r e u s s 方程和m i s e s 屈服准则，对于小塑性变形所求未知量是单元节点位移，适用于分 析构件的失稳、屈服等工程问题。对于大塑性变形，采用增量法分析。这类有 限元的特点是考虑弹性区和塑性区的相互关系，既可分析加载过程，又可分析 卸载过程包括计算残余应力、应变、回弹、以及模具和工件之间的相互作用， 可以处理几何非线性和非稳态问题，其缺点是所取步长不能太大，计算工作量 繁重，累积误差大，对于非线性硬化材料计算复杂。 其二是流动形塑性有限元( f l o wf o r m u l a t i o n ) ，包括刚塑性有限元和刚粘塑 性有限元。刚( 粘) 塑性有限元法不计弹性变形，采用l e v y m i s e s 方程作为本 构方程，满足体积不变条件，采用n e w t o n r a p h s o n 迭代方法求解，求解变量为 单元节点的速度增量，适用于各类冷态体积成形问题的分析，刚粘塑性有限元 视变形体为连续介质非牛顿流体，适用于速率敏感材料热成形过程的热力耦合 分析。刚塑性有限元、刚粘塑性有限元所取增量步长较大，计算工作量较小， 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 精度较高并避开了几何非线性问题，因而能够模拟复杂的大变形过程，但不能 计算弹性变形和卸载过程，故无法求得残余应力、应变和回弹。 一般而言，弹塑性有限元适合于分析板料成形如拉延、弯曲、缩口等工艺， 刚塑性、刚粘塑性有限元适用于分析挤压、锻造、压印、轧制等大变形的体积 成形问题。 2 3 刚粘塑性有限元法 1 刚粘塑性有限元法概况 刚粘塑性有限元法是求解金属高温塑性成形问题的一种计算机数值模拟方 法，能对金属成形过程进行全面的分析，可有效的提供材料变形力学方面的详 细信息，使过去传统的依靠定性分析和实践经验的工艺分析转变为定量的数值 分析，大大的节约了时间和实验费用，同时可以获得在实验过程中所不能得到 的许多有用的信息。 在大变形的金属成形中，弹性变形部分比起塑性变形部分是很小的，人们自 然会想到将弹性变形部分忽略，建立刚塑性材料的模型，从而简化有限元列式 和计算过程。刚塑性有限元采用率方程表示，这样材料变形后的构形可通过在 离散空间对速度的积分而获得，从而避开了应变与位移之间的几何非线形问题； 同时可采用比弹塑性有限元大的增量步长，以减少计算时间，提高计算效率， 并能保证足够的工程精度。 刚塑性有限元法只适用于冷加工。对于热加工( 再结晶温度以上) ，应变硬 化效应不显著，而对变形速率有较大的敏感性，即变形速率的增加会引起变形 抗力的明显增加。因此热加工时要用粘塑性本构关系，相应的发展了刚粘塑性 有限元法，刚( 粘) 塑性有限元数值模拟系统的程序流程如图2 3 所示。 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 2 剐粘塑性基本假设4 7 j y e s ， 、 ( 结束) 、。一， 图2 3 有限元模拟系统程序简图 金属成形过程中，材料塑性变形的物理过程甚为复杂。为便于数学上的处理 和简化计算，需要对材料性能和变形过程做出一些必要的假设。 用刚粘塑性有限元法分析大变形塑性问题时的基本假设有： 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 忽略材料的弹性变形，即：s o d e 。= 0 ： 材料的体积不可压缩； 忽略成形过程中的b a u s c h i n g e r 效应； 材料具有均质各向同性； 不计体积力( 重力和惯性力等) 的影响。 3 刚粘塑性基本方程州 刚粘塑性材料在变形时应满足的基本方程有： 平衡微分方程： 6 u i = 0 本构方程( 应力应变率关系) ： 2 手 巧；2 _ 8 3 手 f 1 式中：手2 j 考圣”岛为等效应变率，万为流动应力。 几何协调方程( 应变率位移关系) ： 誉，l 。( u + , j j ) 体积不变条件： ，= 岛6 ，= 0 边界条件： 1 ) 力学边界条件：在力面& 上 吼n ，= f 2 ) 速度边界条件：在速度面s 。上 v ，= v ? ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 2 4 塑性成形过程中传热问题的基本理论 塑性加工过程的传热问题是一个很复杂的热力学问题。坯料在变形过程中， 既通过其自由表面以对流和辐射方式与外界环境进行热量交换，又由接触表面 以传导方式向模具传热，并且伴随着变形过程自由表面不断减小，而接触表面 不断扩大，使得坯料的散热条件不断发生变化。由于坯料表面的热量损失，造 成坯料内部各点温度不同程度下降，从而改变其温度分布形态。与此同时，坯 料内部所消耗的塑性变形功绝大部分转变为热，引起坯料温度升高，这种温度 升高与坯料内部的变形分布密切有关。上述两种因素的同时作用，使得用解析 方法精确求解坯料温度场的分布是相当困难的，而数值解法中的有限元法，却 是十分有效的工具。 2 4 1 瞬态传热问匿的基本方程 塑性变形中传热问题属于含内热源的瞬态热传导问题，其内热源是由变形过 程中变形体的塑性变形能转变而来的。假设材料导热各向同性，则坯料瞬态温 度场丁( z ，y ，z ，f ) 在直角坐标系中应满足微分方程： 七( 窘+ 寄+ 窘卜一胪于= 。 阮z t ， 七l 订+ 矿+ 万j + 口叩卜o “- 趴 简化为： k l , + 寸一p c t = 0 ( 2 2 2 ) 式中，k 一材料的热传导系数 p 一材料密度 c 一材料比热容 尊一内热源率 其中，内热源率即为塑性变形能产生的热源率，可以用下式表示： j 7 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 口= k p 露 ( 2 - 2 3 ) 式中，k 。为塑性变形功转变为热能的比例系数，一般可取0 9 左右。塑性 变形功的剩余部分则消耗在材料的微观变化方面，如位错、晶界和相结构等。 2 4 2 初始条件和边界条件 瞬态热传导问题中温度t 与时间t 有关，则方程( 2 2 1 ) 的定解需要有初始条 件，即坯料变形开始时的初始温度分布，一般表示为在控制体积v 内： t ( x ，y ，z ，t ) t _ 0 = t o ( x ，y ，z ) ( 2 2 4 ) 其中，t 0 ( x ，y ，z ) 表示时间为零( 初始状态) 时所规定的温度分布。 传热问题可能的边界条件有以下三种： ( 1 ) 第一类边界条件 第一类边界条件是指给定表面( 边界) 上质点的温度值在传热过程中保持不 变，即温度值是给定边界条件，设该表面为s ”，则表示为： t ( x ，y ，z ，t ) = t 0o 0 ，s 墨) ( 2 2 5 ) ( 2 ) 第二类边界条件 若物体表面上给定热通量q ，则称之为第二类边界条件，用下式表示： 后娶一g ：0( r 0 ，s s ：) ( 2 2 6 ) 式中，k 为材料的热传导系数，1 3 表示表面任意点的外法线方向。 ( 3 ) 第三类边界条件 表面上热损失给定，即： 露娶+ 矗( r l ) ：0( o ，s s 3 ) ( 2 2 7 ) u h 式中，h 为放热损失系数，t 为环境温度。 依照传热学中边界条件的分类，可以对塑性加工的传热问题的边界条件进行 第2 章冲压成形理论及数值模拟理论 分析和归类。如前所述，变形坯料的边界( 即外表面) 可以分为自由表面s ，和与 模具接触表面s 。两部分，下面将分别给出这两种边界上的边界条件 ( 1 ) 自由表面s ， 塑性变形时，坯料通过其自由表面以对流和辐射两种方式向环境放热。根 据传热学，对流换热可以表示为： q 。= h c ( 丁一l )( s s ，) ( 2 2 8 ) 式中，h 。称为对流换熟系数，瓦为环境温度。而辐射换热遵循 s t e f a n - b o l t z m a n n 定律，即： q ，= c r e ( t 4 一l 4 )( s s ，) ( 2 2 9 ) 盯此处为s t e f a n b o l t z m a n n 常数，表示物体表面黑度。 ( 2 ) 接触表面s ， 热变形时模具与坯料温差较大，所以坯料与模具的最大热交换量发生在接触 表面上。从微观上看，坯料与模具接触时，仅在界面上的某些突出部位有真正 的接触，其余部分是空隙。空隙由液体( 如冷却液) 、固体( 如氧化皮) 和气体 这些间隙物质所充填。因此，界面上的热交换是通过真正接触点的导热、间隙 物质导热及高温