先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板沖切模具的磨損特性研究.pdf

1、汽車輕量化的要求使先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板(AHSS)在汽車車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛。AHSS的高強(qiáng)度特性使模具材料在AHSS板料沖壓時(shí)產(chǎn)生更嚴(yán)重的磨損等問題,這直接導(dǎo)致了模具壽命的嚴(yán)重降低。運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù),分析模具磨損機(jī)理,評(píng)估模具壽命,尋找適合于AHSS沖壓用的模具材料,可有效地提高沖壓模具的穩(wěn)定性,對(duì)于控制產(chǎn)品質(zhì)量、提高模具壽命和降低成本具有重要意義。本文在國家重大科技專項(xiàng)(編號(hào)2010ZX04014-072)和福特汽車公司大學(xué)研究計(jì)劃

2、項(xiàng)目的資助下,采用物理實(shí)驗(yàn)、理論分析與建模、數(shù)值仿真和工藝驗(yàn)證相結(jié)合的方法,深入研究了AHSS沖壓模具的磨損特性。主要研究成果如下:
　　提出基于兩段線性應(yīng)變路徑假設(shè)計(jì)算材料韌性斷裂模型闞值的解析計(jì)算方法,避免了采用數(shù)值仿真反向擬合優(yōu)化而需要的數(shù)值仿真和無法考慮不同應(yīng)變路徑的不足。根據(jù)Nakazima LDH實(shí)驗(yàn)方法,利用DIC影像追蹤技術(shù)獲得斷裂點(diǎn)數(shù)據(jù)的FLD圖。對(duì)FLD圖中的斷裂點(diǎn)數(shù)據(jù),根據(jù)試樣先頸縮后斷裂的過程特點(diǎn),將計(jì)算韌

3、性斷裂模型闞值的積分計(jì)算路徑分成兩段,即先線性加載到頸縮和后在平面應(yīng)變狀態(tài)下斷裂兩個(gè)階段。應(yīng)用不同的韌性斷裂模型對(duì)FLD中斷裂數(shù)據(jù)點(diǎn)分別進(jìn)行兩段路徑積分計(jì)算,可得到相應(yīng)的韌性斷裂模型的闞值。
　　基于解析計(jì)算獲得的闞值,分別進(jìn)行兩種路徑下的逆向分析。對(duì)比兩種加載路徑的逆向分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同韌性斷裂模型的兩組逆向分析斷裂點(diǎn)的位置和Nakazima LDH實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)際斷裂點(diǎn)位置具有很好一致性,證明了基于兩段線性應(yīng)變路徑計(jì)算闞值的方法

4、是可靠的和精確的。
　　采用4個(gè)不同的韌性斷裂準(zhǔn)則模擬了高強(qiáng)度鋼板的沖孔過程,預(yù)測(cè)了材料裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展模式,評(píng)估了斷面質(zhì)量。與沖孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn):采用不同的韌性斷裂模型預(yù)測(cè)的斷面質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。
　　高強(qiáng)度鋼板的沖切數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):模具刃口在受載荷時(shí)表層出現(xiàn)兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域,這兩個(gè)集中區(qū)域在單次沖切過程中此消彼長(zhǎng),形成一個(gè)明顯的循環(huán)加載過程。模具刃口在經(jīng)歷沖裁次數(shù)的循環(huán)載荷作用后,材料內(nèi)部的碳顆粒周圍會(huì)產(chǎn)生微裂紋

5、,這些微裂紋極易發(fā)生生長(zhǎng)和聚合,進(jìn)而導(dǎo)致和模具母體材料分離而形成宏觀上的崩刃現(xiàn)象。
　　提出了磨損系數(shù)三段線性的修正的Archard模型,采用模具表面節(jié)點(diǎn)的法向位移量評(píng)估模具的磨損量,可以更為準(zhǔn)確地對(duì)模具磨損量進(jìn)行數(shù)值模擬。將修正的Archard磨損模型集成到ABAQUS用戶子程序UMESHMOTION中,根據(jù)AHSS沖切數(shù)值仿真得到的表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)和在接觸面上的相對(duì)移動(dòng)距離,以及模具材料的銷盤磨損試驗(yàn)確定的材料磨損系數(shù),

6、應(yīng)用Archard磨損模型計(jì)算得到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的法向位移量。將凸凹模表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的法向位移量定義為對(duì)應(yīng)位置的磨損深度值,而連續(xù)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)區(qū)域即為磨損體積。同時(shí),也計(jì)算了磨損烈度指數(shù)WSI(Wear severe index)。對(duì)DP780板料翻邊成形過程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,計(jì)算了翻邊成形中模具材料的磨損量,并與翻邊成形物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)翻邊模具的磨損主要發(fā)生在圓弧和直邊的交匯位置,與模擬結(jié)果吻合,表明了提出的磨損量計(jì)算方法

7、是可行的。
　　為了揭示AHSS鋼板沖切模具的磨損特性,設(shè)計(jì)了X型沖裁試樣和四象限鑲拼式凸凹模結(jié)構(gòu)的落料模具,可以對(duì)比不同的模具材料和不同的模具輪廓與沖裁間隙對(duì)模具刃口磨損的影響。作為探索,選擇一種低成本的高碳低鉻不銹鋼材料4Cr13并進(jìn)行滲碳處理,與其他典型冷作模具材料進(jìn)行磨損特性對(duì)比。選擇了另外4種典型冷作模具鋼CALDIE,SKD11,A2和硬質(zhì)合金D60作為四個(gè)象限對(duì)稱模具的凹模鑲塊,凸模鑲塊材料為4Cr13,CALDIE

8、,SKD11和A2,凹模材料對(duì)應(yīng)為4Cr13,CALDIE,SKD11和D60。在AHSS鋼板DP780的40,000次沖切試驗(yàn)后,對(duì)比和評(píng)估不同模具材料的抗磨損性能。
　　分析模具刃口輪廓和材料磨損率發(fā)現(xiàn):硬質(zhì)合金 D60的具有最佳的抗磨損性能和抗崩刃能力,但其價(jià)格昂貴,性價(jià)比不高,不推薦為成形 AHSS板料的模具材料的首選。經(jīng)過滲碳處理的4Cr13的抗磨損性能雖然弱于CALDIE和A2,但卻有和SKD11相接近的抗磨損性能,而