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(編號2010ZX04014-072)和福特汽車公司大學(xué)研究計劃

2、項目的資助下,采用物理實(shí)驗、理論分析與建模、數(shù)值仿真和工藝驗證相結(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)計算材料韌性斷裂模型闞值的解析計算方法,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),將計算韌

3、性斷裂模型闞值的積分計算路徑分成兩段,即先線性加載到頸縮和后在平面應(yīng)變狀態(tài)下斷裂兩個階段。應(yīng)用不同的韌性斷裂模型對FLD中斷裂數(shù)據(jù)點(diǎn)分別進(jìn)行兩段路徑積分計算,可得到相應(yīng)的韌性斷裂模型的闞值。
　　基于解析計算獲得的闞值,分別進(jìn)行兩種路徑下的逆向分析。對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)變路徑計算闞值的方法

4、是可靠的和精確的。
　　采用4個不同的韌性斷裂準(zhǔn)則模擬了高強(qiáng)度鋼板的沖孔過程,預(yù)測了材料裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展模式,評估了斷面質(zhì)量。與沖孔實(shí)驗結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn):采用不同的韌性斷裂模型預(yù)測的斷面質(zhì)量與實(shí)驗結(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表層出現(xiàn)兩個應(yīng)力集中區(qū)域,這兩個集中區(qū)域在單次沖切過程中此消彼長,形成一個明顯的循環(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)部的碳顆粒周圍會產(chǎn)生微裂紋

5、,這些微裂紋極易發(fā)生生長和聚合,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)的法向位移量評估模具的磨損量,可以更為準(zhǔn)確地對模具磨損量進(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移動距離,以及模具材料的銷盤磨損試驗確定的材料磨損系數(shù),

6、應(yīng)用Archard磨損模型計算得到對應(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應(yīng)位置的磨損深度值,而連續(xù)節(jié)點(diǎn)的移動區(qū)域即為磨損體積。同時,也計算了磨損烈度指數(shù)WSI(Wear severe index)。對DP780板料翻邊成形過程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,計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結(jié)果進(jìn)行了比較。對比結(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,可以對比不同的模具材料和不同的模具輪廓與沖裁間隙對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作為四個象限對稱模具的凹模鑲塊,凸模鑲塊材料為4Cr13,CALDIE

8、,SKD11和A2,凹模材料對應(yīng)為4Cr13,CALDIE,SKD11和D60。在AHSS鋼板DP780的40,000次沖切試驗后,對比和評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,但其價格昂貴,性價比不高,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