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研究冲压工艺中成型参数对轴对称弯曲件的塑性变形的影响

摘要：由于在冲压工艺中轴对称部分易发生裂纹和皱褶，通过专业出版的有限元软件和控制变量法，对筒形件的简单的有限元模拟分析是可以执行的。为了探索在冲压工艺中压边力，摩擦系数，和其他因素对筒形件流动部分的形状的冲压部分的质量的影响。

关键词：轴对称部分，冲压成型，塑性流动，成型质量

介绍：随着社会和经济的快速发展，传统的调查方法不再适用于快速发展的制造业。快速发展的电脑科技为板料金属的塑性流动的控制提供了新的方法。近几年随着有限元法的持续发展，在模具工艺中运用有限元软件已经成为一种趋势，这个研究是基于有限元软件去控制板料金属成型工艺中的模拟分析。通过大量参数的动态模拟，我们可以鉴别出在成型工艺中不同的材料参数的最佳组合。

实验方法：实验设备：

在整个实验过程中，通过使用锥形部分和智能拉深实验系统，如图1所示，可以改变压边力，摩擦系数，和其他因素。不同因素对轴对称冲压部分的影响进行检查，并且对理论结果和实际结果进行比较，然后得到影响板料金属塑性流动的规律。

在拉伸工艺中轴对称弯曲部分的力学模型：椎体是轴对称拉深中最典型的结构，图二展示了变形平板的锥形部分的几何关系，工件的变形过程可以分为5个区域，0 le; xi; le; RA，RA le; xi; le; RB, RB le; xi; le; RC, RC le; xi; le; RD 和RD le; xi; le; RR，（xi;是在变形过程中瞬时径向坐标x的值）接触面的摩擦被简单的表示在图三，然后通过直的母线的假设，稳定区域的假设，和直光弯曲假说，和基本的能量守恒定律推导出拉拔力和行程的解析表达式

每个符号的定义如下：P是拉深力，Q是压边力，h是拉深的高度，r是各向异性的系数，t0是钢板厚度，xi;是变形过程中点x的瞬时径向坐标，mu;是摩擦系数，D0是变形前端的直径，R是凸缘外半径，theta;是微粒流动的绝对方向的角度，w是径向位移速度，RB, RC 和 RD，分别是图b，c，d的曲率半径，

拉深过程中轴对称弯曲部分的有限元分析：

建立有限元模型：有限元模型的建立如图4所示。底部半径是60mm，上部半径为80mm，两处圆角半径为3mm，凸缘半径为92mm，拉深深度为15mm。

例子：分析表明压边力对拉深过程中轴对称弯曲部分的表面的塑性流动有很大的影响，采用08AL，分别加载3种不同的压边力，进行测试，测试结果如表1，从实验结果可以看出以线性方式进行加载最不利于拉深，以先加载压边力后卸载的方式有利于拉深，可以从表一宽处实验结果和模拟结果是一致的。

结果和讨论：分析不同的参数对模具弯曲部分的摩擦系数的影响：

摩擦系数对板料的成型性能有很严重的影响，恒定的压边力为200kn厚度为0.1mm，冲裁力为0.1t，分别模拟08AL,ST12，H62三种材料的摩擦系数，如图5所示的，拉深过后的厚度也如图5所示的，最终变形的结果如图6，7，8，所示。

从图5可以得出：在成型过程中板料的变薄率随着三种材料的摩擦系数增加而增加。加厚的部分随着摩擦系数的增大而减小，ST12的最大变薄系数和摩擦摩擦系数的改变是明显的，08AL也一样，H62的变薄系数是最小的，并且摩擦系数对板料部分的厚度影响较小，板料厚度增加的部分他的厚度随着摩擦系数的增大而减小，08AL 和ST12的厚度增加很大，H62随着摩擦系数的的改变最小。

图6到8分别表示了3种不同的板料金属在不同的摩擦系数下的成型结果，从图6到8可以看出，当摩擦系数是0.04时，08AL ,ST12，H62三种金属的拉深底部没有变形而法兰部分的起皱现象比较严重，当摩擦系数是0.16时，ST12的板料成型较好，08AL展现出有一定的开裂趋势，由于软件本身的缺陷和厚度的变化可以被视为是较好的成型，在H62的底部没有发生明显的变形，但在法兰处的气走现象就更为的严重，当摩擦系数是0.24时，08AL 和ST12已经发生明显的开裂，部分甚至毁坏，然后H62的拉深变化比之前更加的小，对于H62铜当底部的摩擦系数增加到0.6 材料的塑性变形发生时它的破裂倾向就更加的明显，当摩擦力增加到0.76时板料开裂，通过对模拟结果的综合分析，在这些条件下，08AL的成型结果较好，当摩擦系数是0.146。ST12有较好的成型结果是当摩擦系数为0.19。当摩擦系数为0.25时H62有较好的成型结果。

板料厚度：

现在分析板料厚度对板料拉深性能的影响，08AL ,ST12和H62的摩擦系数都为0.125，其他的参数就如上所述保持不变，厚度改变如图9所示，板料的厚度变化如图8所示，三种材料中最大的厚度增加量随着板料厚度的增加而增加，08AL 和ST12的增厚率随着板料厚度的增加而增加，H62的增厚率基本保持不变，3种材料的厚度减少量的最大值随着板厚的增加而增加，但是08AL的变薄速率随着厚度的增大而减小，H62和ST12的变薄率随着厚度的增加而增加，考虑到了起皱的各种情况，起皱应该可以被减少，板料的张力可以通过减少变薄率来减小。对于08AL刚板当板料厚度为1mm时成型的结果较好，对于ST12和H62来说，在条件允许的情况下，板料的厚度越小其成型的性能也越好。

凸凹模间隙：

凸凹模间隙也是一个重要的影响因素对于板料成型的性能，在同样的条件下，凸凹模间隙的改变三种材料的的厚度变化如图10所示，图9展示的 是板料厚度的变化。

压边力：

在加载过程中压边力的变化对拌料金属成型的质量有很大的影响，压边力太小了，则不能够充分的塑性变形，导致起皱，更严重的是，在卸载的过程中，可能会导致回弹，如果压边力太大，限制了凸缘部分的金属流动，导致变形区域的金属变薄，在拉深过后甚至发生开裂。

在其他条件不变的情况下，仅仅改变压边力的加载，08AL，ST12，H62三种金属的变形结果如表2所示，如表1所示在线性加载的过程中08AL,ST12最不利于成型拉深。在圆柱体的底部发生开裂，因为压边力过大，但是当压边力太小了则筒壁会发生严重的起皱，这是因为在成型过程中持续增加压边力是不利于成形阶段的金属流动，压边力也会导致拉延筋的开裂，在压边力持续加载的条件下，拉深件的质量比第一部分的要好，压边力先增加后减小是有利于拉深成型，例如表一的第三种加载情况，这是因为压边力在早期阶段的增加有利于抑制金属的流动，减少拉深部分的起皱倾向，减少压边力是有利于金属的流动，并且有利于防止后期拉深时的开裂，对于H62铜，压边力对于它的影响倾向和之前两种金属相同，但是H62铜金属的板料成型性能比上诉的两种材料要差。

结论：

在这篇文章中运用有限元分析软件进行有限元分析，圆柱体零件被作为实验对象，在不同的条件下对ST12，08AL,H62 三种材料的性能进行试验。在工艺条件下对成型质量的影响如下所诉：

更大的摩擦系数，越有利于板料金属的流动，越有利于板料的成型。当摩擦系数太小会导致起皱，间隙过大时回弹的问题就更严重，如果间隙过小，会很容易导致部分开裂，较大的压边力可以防止法兰部分的起皱，如果压边力太大则会导致了金属的流动不充分，最终导致部分开裂。

图一：对于椎体拉深的只能实验系统。

图二：变形前后的几何关系

图三：简化的接触摩擦链

图四：部分有限元模型

图5：三种不同材料的厚度变化，图a为厚的板厚随着摩擦因数的变化情况，图b为最薄出随着摩擦因数的变化情况。

图6:08AL板料金属在不同的摩擦因数下的图表

图7：ST12在不同的摩擦因数条件下的图表

图8为H62在不同的摩擦因数条件下的图表

图9：厚度随着板厚的变化的变化。图a为板厚的增加和增加率随着板厚的改变。图b为板厚的变薄和变薄率随着板厚的改变。

图10：板厚的厚度随着间隙值变化的该变而改变的倾向。图a为最大厚度，图b为最小厚度

表1:在不同的压边力加载的实验结果与模拟结果的比较

表2：在三种不同的压边力加载情况下的三种材料的成型结果。

对超高强度钢的热冲压通过水和模具淬火来提高生产效率和成形性

摘要:

为了提高超高强度刚在热冲压时的生产效率，不仅模具的一些部分需要淬火，而且需要同底部死点保持接触在水中。由于用水淬的冷却速度是比模具淬火的更快，硬化的保持时间就会被减少，在热冲压时，水被保持在更低的界面去降低模具淬火的冷却速度。另外在冲模圆角处的局部变薄被水和模具淬火防止，从而拉深性能提高。

1介绍：

为了减少重量和，提高汽车冲撞时的安全性，淬火板料钢的热冲压渐渐的被广泛的运用于高强度钢产品当中。通过加热钢板，成型的加载力显著减小，回弹也被防止，成形性能也得到提高，另外冲压部分由于淬火使强度提高，从而大约拥有拉深强度为1.5gpa的高强度钢，再对一个较低的成型载荷就可以获得。在热冲压中模具被控制在底部死点10秒钟为了去加强冲压部分，从而导致热冲压的效率很低，每分钟只有2到3个工件，马氏体不会发生在接触不足的情况下，即没有硬化，由于较低的热传递，所以模具淬火的冷却速度比水淬的更低。另外冲压件的厚度分布不均匀从而在接触时只有部分与模具有接触，如图二所示，在冲压过程中模具的局部接触引起的温度分布导致了局部变薄现象的发生，由于模具淬火的冷却速度受模具压力的影响，为了增加模具淬火的冷却速度就需要更大的夹持力，由于生产效率的提高，在成形工业中减少模具死点的接触死点是有希望的，在本次研究中，高强度钢的热冲压的生产效率和成形性能由于水和模具淬火得到提高。另外通过水和模具淬火，压边被延迟，从而提高凸缘部分的强度。

2通过水淬火、和模具淬火减少死点的接触时间：

为了提高高强度刚在热冲压时的生产效率。死点的接触时间不仅仅通过水淬火还通过模具淬火，水被保持在下模，以便在冲压期间与坯料接触，模具与坯料的间隙，被水充满，从而该部分没有与模具接触但是也有较快速的冷却速度，坯料是被高传热性的水所冷却，

3杯形热冲压没有加强凸缘部分，使用工具进行分离。

3.1热冲压工艺中用水和模具淬火如图4所示，圆形的加热后的坯料被模具拉深成有凸缘的杯子。由于作为产品时杯子的凸缘部分常被削去，凸缘没有被压边圈的分离而得到硬化，而是仅仅到达了下部的死点，这使得没有加强的凸缘可以进行冷剪切，为了提高拉深性能，拉深时的阻力应该减小，可以通过在插入比模具和压边圈间隙更厚的垫板，成型过程中凸缘的温度下降变小，是因为在坯料和压边圈之间的垫板，导致的间隙，在冲压之前，水被保持在下模之中，在冲压的过程中会从旁边的孔溢出。

3.2用水淬火和模具淬火的结果。

用水淬和模具淬火的杯形零件如图6所示，t是被保持在死点的接触时间，杯子表面的氧化程度用没有用水淬火差别不大，在凸缘出的起皱也相当小即使在间隔件间。水很难溅处即使在压力机最大的速度下，而且只是被快速冷却的坯料蒸发成气体，因为水冲压之前注入的所以几乎没有蒸汽生成直到开始冲压，在离开死点接触的1.6s后得温度分布在有水和没有水的情况下如图7温度由移动到模具上方的红外测试仪来进行测量。在有水的情况下t=3秒是的温度分布和没有水的情况下，t=5秒时的温度分布类似，另一方面，到达死点后工具与凸缘分离能够阻止凸缘的温度降低。

冲压杯体在有水和没有水得情况下的维氏硬度的分布如图8，并且有水和没有工具的分离作为比较，硬度的分布在有水的时候t=3秒是与没有水t=5s时是类似的，意思是在死点的接触时间变短了，当t=3s时，在下模的水表面的高度对于冲压杯体的维氏硬度分布的影响如图9

当水表面的高度增加时锥形部分的硬度增加，而底部的硬度与高度无关，

3.3通过水淬和模具淬的成型性能的提高。

水淬和模具淬不仅能够缩短接触时间并且能够防止局部变薄，如图10所示。没有水时，坯料的变形倾向于集中在冲模圆角边界外，是由于与凸模圆角接触导致更高的温度，从而导致更低的流动应力。这样在有水的时候变形集中会得到大大的缓解。

在t=3s时，采用不采用水两种情况下冲压杯体的厚度分布如图11所示凸模圆角外边界的局部变薄得到释放，由于水淬和模具淬。变形的行为被水所影响。在有水和没有水时杯体的拉深极限如图12.其中坯料的直径被改变。尽管先前的实验结果是通过直径为170mm的坯料，如图4所示。没有了坯料和压边圈见得间隔件，拉深极限减小了， 拉深能力通过水淬和模具淬得到了提高。

4在热冲压中，杯体的凸缘部分通过延迟压边得到加强

为了使凸缘部分加强，压边被从压边圈突出的凸模延迟。在拉深的前面阶段，坯料在没有压边的时候被拉深，具有较小的阻力去拉深凸缘，并且压边力在后期才施加去减缓起皱，这就导致了在冲压期间，凸缘的温度下降减少了。用来热冲压的工具在延迟压边时，使用水淬或模具淬，如图14.下模的高度应该增加，为了容纳足够的水。由于图5所示的工具因为变形的局限性不适合测试拉深性能，下模孔的深度增加到杯子的断裂处。在延迟压边时，当l=12.5mm，使水或模具淬凸缘的变形行为如图15，虽然凸缘的起皱发生在冲压的前期，但在后期被模具与压边圈压缩，最终凸缘变平。在延迟拉深时凸模的高度对拉深性能性能的影响如图16所示。拉深性能随着凸出部分的高度增加增加。成型性能被延迟压边所提高。冲压杯体的平均起皱高度与凸模的凸出高度之间的关系如图17所示。

当在L=12.5mm一下时，起皱的平均高度是非常小的。当L=12.5MM,S=18.5mm时用或不用水的冲压杯体的维氏硬度分布如图18，当有水 时T=3s时硬度大于450hv。可以发现水和模具淬火可以有效的提高生产率和热冲压的工艺性能。

结论： 热冲压中模具淬火是对于高强度钢产品来说是一种创新。淬火工

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