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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中國上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(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。它們在汽車外觀上有很大的影響。這些缺陷在人工制造中應(yīng)該受到嚴(yán)格的檢測和限制。Liu et al[1]提出了用光反射法來檢測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)來檢測簡單沖壓面板的表面缺陷。同時在他的實(shí)驗(yàn)中使用探針測量技術(shù)。Fu et al[3]使用石刻法檢測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)值模擬會議，Wang Huiping et al.[8]做了一個關(guān)于板料表面變形預(yù)測的研究。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為一個簡單的面板。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ΨQ的，故我們只需建立四分之一的樣品模型并在對稱軸上建立對稱邊界條件。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
表面缺陷簡化為平面應(yīng)力條件下的矩形板，如圖4所示。板的長為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，等式有一個唯一解，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，我們測量了Z軸方向（拉伸方向）兩個點(diǎn)的移位。兩個點(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.選擇測量的點(diǎn) 圖6.表面缺陷的歷程
圖6是在整個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。在拉伸的最后階段，表面彎曲僅有0.01mm。在回彈中，表面彎曲的絕對值急劇增加。在回彈最后階段，表面彎曲的絕對值從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.臨界壓力的計算值
網(wǎng)格序號
壓應(yīng)力σx
（MPa）
壓縮長度
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振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目支持、中國20100073110034中國教育部博士基金的支持、由上海市教育委員會“曙光”項(xiàng)目的支持和上海教育發(fā)展基金會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.
[3] Fu Zhengchun, Hu Ping, Wang Huiping, Zhao Kunmin. Research on experiment and simulation of automobile panel redrawing character.Numisheet 2008,step,1-5,2008-interlaken,Switzerland.
[4] Fukumura Masaru,Yamasaki Yuji,Inage Daisuke,Fujita Takashi.Finite Element Simulation of Surface defects in the automobile door outer panel.CP712,Materials Processing and Design:Modeling,Simulation and Application,NUMIFORM 2004.
[5] Park C.D,Chung W.J,Kim B.M:Journal of Materials Processing Technology 187-188,99-102.
[6] Hu Yang,Zhu xinhai,Lee Wing.Surface low prediction using Is-dyna and dynaform.Numisheet 2008,step.1-5,2008-Interlaken,Switzerland.
[7] Yang Y.Y.,Zhao L.H.,Sun Z.Z.:Jouranl of Materials Processing Technology 187-188,145-149.
[8] Wang Huiping ,Xu siguang,Cao Jian,Chen Wayne,Cheng Hang S.,Wang Chuan-Tao.Prelimilary study on a surface distortion predictor for sheet metals:validation in Yoshida buckling problems.Numisheet 2008,Sep.1-5,2008-Ineterlaken,Switzerland.
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℃時溫度對拉伸回彈的影響，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)樗阽叴帧D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。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。同時也討論了彎曲角和相對彎曲半徑對板料殘余應(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。相對彎曲半徑可由公式r/t計算得出。鐓粗的深度可由s與t的比值計算出來。首先，凸模下壓知道模具與凸模距離為t。在這個過程中，產(chǎn)生板料的彎曲變形。接著當(dāng)凸模上升到距離s時停止運(yùn)動。兩邊的壓塊在凸模的作用下沿著模具斜面對板料施加壓力。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發(fā)生塑性變形。