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1、
板坯落料方向對類U型件拉深成形質量的影響
摘要：分析了轎車左右后縱梁拉深成形特點及板料的面內(nèi)各向異性特征,應用Ｂａrlat平面各向異性屈服準則,在不改變模具幾何形狀、壓機參數(shù)和板料的機械性能的條件下,分析落料方向不同對其成形質量的影響，提出板料抗厚向變形能力小的方向與類U型件開口方向一致時,不增加成本可以提高沖壓件的成形質量. ?關鍵詞：面內(nèi)各向異性;類Ｕ形件；落料方向
一、引言 ?
影響薄板成形質量的因素可分為三大類：模具的幾何參數(shù)、壓機參數(shù)和材料參數(shù)。Yｏu-Miｎ Hｕaｎg［１］研究了模具圓角、凸凹模的間隙對拉深成形質量及回彈的影響,陳關龍[2]研究了
2、拉深筋的設置對轎車行李箱蓋板拉深成形質量的改善情況。M．A。Ahmetoglu和A．Altan［3］研究了壓邊力曲線設置對薄板成形性能的影響，他們在仿真分析中，保持模具參數(shù)、材料參數(shù)不變的情況下，利用坯料厚度的變化量、凸模作用力、拉應力為反饋量來開環(huán)或閉環(huán)控制壓邊力曲線,從而改善拉深件成形質量;在實驗中，用仿真分析中獲取的壓邊力曲線來開環(huán)控制壓邊圈的運動,成功地用變壓邊力將直徑為３30．2mｍ高強度鋼板拉深成高度為１59mm的杯形件，而采用恒定壓邊力時拉深成形高度不超過７8ｍm。林忠欽［4]對轎車側框的沖壓過程進行了動態(tài)仿真,分析了側框沖壓過程中的變形狀態(tài)和穩(wěn)定生產(chǎn)時的選材參數(shù),通過提高材料機
3、械性能指標，即提高板材的硬化指數(shù)ｎ或厚向異性指數(shù)R來改善側框的成形性能。 ?
修改模具參數(shù)來改善產(chǎn)品的成形質量只適合于在模具設計期間進行；采用可變壓邊力來改善板材的成形性能則要求沖壓設備具有計算機控制系統(tǒng)和相應的檢測設備，且目前具備計算機閉環(huán)控制的沖壓設備還只是在實驗室中應用;提高材料機械性能指標固然可以提高產(chǎn)品成形質量和穩(wěn)定性,但同時生產(chǎn)的成本將大大提高。
?本文分析了轎車左右后縱梁拉深過程的成形特點，應用Barｌat屈服準則［5,6］,根據(jù)材料的面內(nèi)各向異性特點,在不提高材料機械性能指標、不改變現(xiàn)有沖壓設備條件下,分析落料方向不同對轎車左右后縱梁的成形質量的影響。 ??二、Barｌａ
4、t屈服模型 ?
本文仿真計算采用Bａｒlat屈服模型，該模型適用于分析平面應力狀態(tài)下板料為面內(nèi)各向異性的彈塑性變形，如薄板沖壓成形，使用各向同性指數(shù)硬化法則，能準確反映板料面內(nèi)各向異性對成形性能的影響。平面應力下Barlat各向異性屈服準則為：
2σmy＝ａ|ｋ１+k２｜ｍ+a｜k1－k2｜m+ｃ|2ｋ２｜m ??式中σy—屈服應力
a和c-各向異性材料常數(shù) ?m—Baｒlａt(yī)指數(shù)
k1=σxx-hσyｙ／2
?ｈ和ｐ─附加的各向異性材料常數(shù)
?對于指數(shù)硬化，材料應力─應變關系為：σ=K(ε０+εｐ）n ?
式中K—強度系數(shù)
ε0—初始屈服應變
εp—塑性應
5、變 ?n—硬化指數(shù)
?所有的各向異性材料常數(shù)，除了ｐ隱含定義外，都由寬厚應變比即厚向異性指數(shù)R決定:
對于任意角度φ方向的寬厚應變比可由下式計算：
式中σφ—沿φ方向的單向拉伸應力 ?
當φ=45°時，設
則通過反復迭代就可計算出系數(shù)P。 ?
三、左右后縱梁拉深過程的有限元仿真
?1.拉深過程的成形特點
圖1是左右后縱梁的拉深制件圖.可以看出在左右后縱梁的X—Z平面內(nèi)只存在繞Y軸方向的彎曲變形；在Y－Z面內(nèi),Z向存在120mm深度的拉深變形，Ｙ方向的材料承受拉伸變形。從其成形特點來看，左右后縱梁是一個較為復雜的類Ｕ型拉深件，Y方向的拉伸變形程度
6、比X方向的拉伸變形程度要大得多.在左右后縱梁的右半部分存在階梯拉深成形,其中A、B區(qū)為零件板料厚度減薄量最大的區(qū)域;在左右后縱梁的左半部分C區(qū)離定位孔很近。在左右后縱梁拉深成形過程中A、B、Ｃ三個區(qū)域可能是左右后縱梁成形中的薄弱環(huán)節(jié)?！?
圖1左右后縱梁的拉深制件 ?（a）主視圖 （ｂ）軸側圖
２．板坯的材料性能參數(shù) ??表１是板坯材料SＴ140５-T的機械性能參數(shù).其中厚向異性指數(shù)R值是評價金屬薄板拉深性能的重要指標,它反映金屬薄板在其平面內(nèi),承受拉力或壓力時，抵抗變薄或變厚的能力。從表中數(shù)值可以看出R值在9０°方向最大，說明板坯在90°方向抵抗變薄或變厚的能力最強?！?
表1ＳＴ14
7、０5—T材料性能參數(shù)表 ?
3。不同落料方向的仿真計算結果
?在不改變模具參數(shù)、壓機參數(shù)和材料牌號的條件下，針對兩種落料情況:板坯的X方向(見圖2)和材料軋制方向相同（ＣASE１)與板坯的Ｘ方向和材料軋制方向成90°(CASE2），對左右后縱梁進行拉深成形過程的有限元仿真。圖3ａ和圖3ｂ分別是ＣＡSE1與ＣASＥ2的左右后縱梁拉深成形后工程主應變分布狀況。可以看出,當板坯的X方向與板料軋制方向成９0°時，左右后縱梁拉深成形后的最大工程主應變?yōu)?１。77％，比板坯的X方向與板料軋制方向成0°時的最大工程主應變31.3８%大10.3９%。進一步對兩種落料方式成形后左右后縱梁的三個關鍵區(qū)域A、
8、B、C的工程主應變、工程次應變、厚度、等效應力進行比較如表２所示，可見CAＳE1的最小厚度比CＡSE２的最小厚度要大，CＡＳＥ1的最大工程主應變比CASE2要小，且兩種落料方式導致成形后的危險區(qū)域發(fā)生了變化,ＣASＥ１的危險區(qū)出現(xiàn)在A區(qū)，而CASE2中B區(qū)為危險區(qū)域.
圖2 左右后縱梁板坯
?圖3左右后縱梁拉深成形后的工程主應變 ?(ａ）板坯Ｘ方向與材料軋制方向相同
(b）板坯Ｘ方向垂直于材料軋制方向
表2兩種落料方式時關鍵區(qū)域的計算結果 ?
4.成形質量分析
?成形極限圖(ＦLC/FＬD［7]）是分析沖壓件開裂與否的主要判據(jù)。如圖４所示，根據(jù)材料性能如ｎ值、Ｒ值、厚度，
9、計算出理論成形極限曲線FＬC,然后將沖壓件各點的變形狀態(tài)與材料的FLC曲線進行比較，判斷其是否處于安全區(qū)域。
?圖4左右后縱梁拉深成形后的FLD圖 ?（ａ）板坯X方向與材料軋制方向相同 ?（ｂ)板坯X方向垂直于材料軋制方向
通常沖壓件上某一點的最大變形ε1與材料的極限變形εk間的存在著差值Δε，即Δε=εk-ε1。同一零件中不同點的變形不同，其Δε也不同,其中必有一最小的Δε，將之記為Δεmiｎ,并稱為變形余裕度。一般情況下板材有效部位(最終零件所處部位)的變形余裕度Δεmin≥８～10％時，沖壓件的穩(wěn)定生產(chǎn)可以得到較好的保證。
?圖4a和圖４b分別是ＣＡSＥ1和CＡSE２時的左右后
10、縱梁拉深成形后的FLD圖。圖4ａ中的變形余裕度Δεmin=1１．5％，最大變形點位于A區(qū)；圖4b中的變形余裕度Δεmｉn＝１。6%,最大變形點位于Ｂ區(qū).這表明，當板坯的X方向與板料的軋制方向成90°時，Ｂ區(qū)已趨近于臨界頸縮，生產(chǎn)過程中工藝條件稍一波動，零件就可能出現(xiàn)局部拉裂現(xiàn)象.
?５。討論
如表1所示,左右后縱梁沖壓用板材ST14０5—T沿軋制方向的厚向異性指數(shù)R00=1.９7、垂直于軋制方向的厚向異性指數(shù)Ｒ９0=2．5４，二者相差較大。對于這種面內(nèi)各向異性較大的板材,落料方向的選取,對沖壓成形質量有明顯的影響.
從成形的特點來看,左右后縱梁的拉深成形過程類似于U形件的拉
11、深成形,當板坯Y方向的抗減薄能力比Ｘ方向的抗減薄能力強時,有利于提高拉深成形質量。從本文仿真結果可以看出，當板坯X方向與軋制方向相同時，左右后縱梁成形后的變形余裕度Δεmin＝1１.５％，板坯變形處于安全區(qū)域；而當板坯X方向與軋制方向垂直時,成形后的變形余裕度Δεmin＝1。6％，變形進入臨界區(qū)域，成形質量不穩(wěn)定。這說明在這種類Ｕ型件的實際生產(chǎn)中，板坯落料方向對成形質量有著重要的影響. ??四、結論 ?
薄板沖壓成形過程中,板材的面內(nèi)各向異性對成形質量會產(chǎn)生重要的影響。利用Baｒlaｔ屈服模型可以準確地反映薄板沖壓成形過程中板材的面內(nèi)各向異性對成形質量的影響。對于沖壓左右后縱梁這樣的類Ｕ形件，使板材抗厚向變形能力小的方向與類U形件開口方向一致,可以在不修改模具、壓機參數(shù)的情況下，提高沖壓件的成形質量.
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板坯落料方向對類U型件拉深成形質量的影響
