高强铝合金车身构件伺服热冲压工艺与性能调控

摘要

汽车轻量化是国家重大科技需求，也是汽车重要的发展方向。将铝合金等轻质材料运用于车身是汽车轻量化的主要方法之一。然而，铝合金板材室温成形时存在材料不易流动，易引起裂纹、起皱等缺陷；而热冲压工艺下，铝合金流动性好，成形性能得到一定程度的提升，但由于散热系数大，存在温度下降快且分布不均匀等问题。采用伺服热冲压工艺，依据高温状态下板材力学特性精确控制冲压速度，能够进一步提高材料的成形性能。本文采用有限元模拟、试验等方法对7075-T6高强铝合金伺服热冲压工艺进行了研究，主要内容如下： （1）对7075-T6高强铝合金板材进行等温单向拉伸试验，得到不同温度和不同应变率下材料的真实应力-应变曲线。分析了温度和应变速率对真实应力-应变曲线的影响，发现高温环境下应变速率对高强铝合金的流变应力影响显著。根据耦合位错密度的粘塑性本构模型建立了高强铝合金的高温本构模型，利用向前欧拉积分法和遗传算法计算并优化高温本构模型的材料常数，利用适应度函数验证模型的准确性。依据此模型，预测了其他温度下7075-T6高强铝合金的真实应力-应变曲线，为铝合金伺服热冲压有限元建模提供材料性能数据支撑。 （2）基于伺服工艺曲线设计原则提出了基于急动度的伺服速度控制方法，能够实现位移、速度、加速度和急动度的连续可调。根据不同的急动度设计了6条伺服工艺曲线，在ABAQUS有限元数值分析软件中模拟了不同伺服工艺曲线对圆筒、方盒等简单零件热冲压成形性能的影响。结果表明，在圆筒伺服热冲压有限元模拟中，伺服工艺曲线3、4、5下成形性能最好。在方盒伺服热冲压有限元模拟中，伺服工艺曲线4、5下成形性能最好。 （3）建立了包括重力加载、冲压成形、保压冷却、切边冲孔等工序的高强铝合金汽车中立柱伺服热冲压有限元模型，分析了不同伺服工艺曲线对高强铝合金汽车中立柱成形性能的影响。在伺服工艺曲线3、4、5下成形力变化较平缓且最大值较小，说明伺服工艺能够减少最大成形力，降低压力机的吨位要求。在伺服工艺曲线4、5下板料危险点的厚度减薄较小，温度下降较慢，最大平面主应力和主应变的变化也更加平缓，板料的成形性能变好。 （4）进行了高强铝合金汽车中立柱伺服热冲压试验，分析了伺服热冲压工艺对零件性能的影响规律。在伺服工艺曲线2、3下，试样都在危险点处出现了破裂；在伺服工艺曲线6下，试样在危险点处出现明显颈缩；在伺服工艺曲线4、5下，试样没有明显缺陷。在伺服工艺曲线5下，铝合金中立柱的成形精度最好（三维误差小于2.187mm），危险截面厚度较高（厚度大于1.38mm），硬度也较高（硬度大于57.8HV）。试验结果证明，采用合理的伺服冲压速度能够有效调控具有复杂型面的高强铝合金构件成形性能、几何精度和力学性能。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景及研究意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2 铝合金伺服热冲压工艺国内外研究现状

1.2.1 铝合金热冲压工艺国内外研究现状

1.2.2 伺服冲压工艺国内外研究现状

1.2.3 铝合金伺服热冲压存在的问题

1.3 研究内容及方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 技术路线

第2章 耦合位错密度的高强铝合金高温本构模型

2.1 引言

2.2 高强铝合金板高温单向拉伸实验

2.2.1 实验材料与试样尺寸

2.2.2 高强铝合金高温单向拉伸试验方案

2.3 高强铝合金板热拉伸实验结果分析

2.3.1 变形温度对真实应力-应变曲线的影响

2.3.2 应变速率对真实应力-应变曲线的影响

2.3.3 温度对断裂应变和抗拉强度的影响

2.4 耦合位错密度的高强铝合金板高温力学本构模型及其求解

2.4.1 耦合位错密度的粘塑性本构模型

2.4.2 本构模型材料常数的求解与优化

2.4.3 高强铝合金真实应力-应变曲线的预测

2.5 本章小结

第3章 伺服热冲压工艺对板料成形性的影响

3.1 引言

3.2 考虑伺服特性的伺服工艺曲线设计原则

3.2.1 伺服压力机的特点

3.2.2 伺服工艺曲线设计原则

3.3 基于急动度的伺服工艺曲线设计

3.3.1 基于急动度的伺服冲压速度控制方法

3.3.2 数学表达式的求解

3.4 伺服热冲压工艺对圆筒拉深的影响

3.4.1 圆筒伺服热拉深三维模型

3.4.2 网格划分及约束

3.4.3 主要参数

3.4.4 伺服工艺对FLDCRT及最大减薄率的影响

3.4.5 伺服工艺对危险路径上应力应变的影响

3.4.6 伺服工艺对危险路径上厚度及温度的影响

3.5 伺服热冲压工艺对方盒拉深的影响

3.5.1 方盒拉深有限元模型

3.5.2 伺服工艺对FLDCRT及最大减薄率的影响

3.5.3 伺服工艺对危险路径上应力应变的影响

3.5.4 伺服工艺对危险路径上厚度及温度的影响

3.5.5 伺服工艺对圆筒、方盒热成形性能的影响规律

3.6 本章小结

第4章 汽车中立柱伺服热冲压有限元模拟

4.1 引言

4.2 汽车中立柱伺服热冲压工艺设计

4.2.1 汽车中立柱伺服热冲压工序设计

4.2.2 汽车中立柱伺服热冲压伺服工艺曲线

4.3 汽车中立柱伺服热冲压有限元模型的建立

4.3.1 汽车中立柱伺服热冲压三维模型

4.3.2 网格划分

4.3.3 约束及边界条件

4.4 模拟结果分析

4.4.1 各工序下板料的温度分布云图

4.4.2 伺服工艺曲线对成形力的影响

4.4.3 伺服工艺曲线对危险点减薄率的影响

4.4.4 伺服工艺曲线对危险点温度的影响

4.4.5 伺服工艺曲线对危险点应力应变的影响

4.5 本章小结

第5章 高强铝合金汽车中立柱伺服热冲压试验

5.1 引言

5.2 试验设备与试验材料

5.2.1 试验设备

5.2.2 试验材料

5.3 试验步骤

5.3.1 板料加热及转移

5.3.2 伺服冲压成形及保压冷却

5.4 试验结果分析

5.4.1 成形外观分析

5.4.2 成形精度分析

5.4.3 危险截面厚度分析

5.4.4 硬度分析

5.5 本章小结

第6章 结论

6.1 研究总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的研究成果