基于热-力耦合和变摩擦系数高强钢冷冲压成形研究

摘要

随着汽车工业的发展，汽车轻量化、环保法规和安全性要求不断提高，高强钢在汽车车身上的应用不断增加。由于高强钢具有高的屈服强度和抗拉强度，成形难度大，其成形性一直是学界研究的热点和重点，对其缺陷如起皱、开裂、尤其是回弹，产生了大量研究成果。在以往高强钢的研究中，冷冲压的成形性分析一般不考虑温度的影响，仅作为结果输出，而在热成形中，温度区间一般在700℃以上，需要同时考虑温度和相变的影响。在近几年的研究中发现高强钢在冷成形过程中摩擦热和塑性变形热可以使模具和板料的温度达到180℃和100℃以上，此时金属的塑性流动行为受到影响，并会导致材料屈服准则与室温时产生差异。然而目前广泛应用的商业有限元软件，在成形分析时没有考虑到温度的影响，可能对分析结果产生较大偏差。
　　本文对上述问题进行了深入的研究。首先通过销-盘式摩擦试验，以与实际冲压板料和模具相同材料的DP780高强钢和SKD11分别为销和摩擦盘，测定了20-160℃区间不同温度下的摩擦系数，并对温度-摩擦系数曲线进行了拟合，建立了基于温度的变摩擦系数模型。
　　接着以材料为DP780双相高强钢的某车型中大梁为研究对象，研究过程采用数值分析和冲压实验相结合的方式进行，在数值模拟分析中，建立了三种初步的模具型面方案，通过多次分析调整有限元模型和工艺参数，最终确定采用切边线在拉延面方案最佳，并以此为参考做出曲面质量良好的最终型面。分别设置了引入温度场和变摩擦系数模型的热变组与没有考虑温度影响的参照组的两组仿真分析，以冲压零件为实验组。并且将热变组和参照组中的成形极限图，减薄率和回弹等仿真分析结果和实验数据进行了对比。
　　结果显示，热变组中板料最高温度达到121.8℃，摩擦热和塑性变形热在热变组的仿真分析中能够得到有效反映，取相同的截面进行减薄率对比，热变组中温度升高明显的区域，板料减薄程度更小，不易开裂，表现出更好的延展性，而温升不明显的区域减薄率很接近。从回弹偏移量看，热变组的值比冲压实验测量值偏小，而参照组的值偏大，且相比于冲压实验测量值的误差,热变组仅为参照组的27.8％，与冲压实验符合度更好，该方法可以有效提高高强钢冷冲压成形性分析精度，以期指导实际生产，提高零件生产合格率。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2汽车用高强钢的分类和应用

1.3高强钢成形的缺陷及解决措施

1.4板料冲压成形的研究方法

1.5考虑温度和摩擦的冲压成形性国内外研究现状

1.6本文研究的主要内容

第2章 板金冲压有限元成形及理论

2.1冲压中单元理论

2.2材料的屈服准则

2.3接触算法

2.4有限元求解算法

2.5冷冲压中的温度场

2.6传热学基本原理

2.7温度相关材料本构方程

2.8本章小结

第3章 变摩擦系数模型

3.1冲压中的摩擦模型

3.2常规摩擦实验方法

3.3本文的实验方案和设备

3.4实验结果及分析

3.5变摩擦模型的建立

3.6本章小结

第4章 基于中大梁的分析有限元模型建立

4.1中大梁的零件初步分析

4.2有限元模型的建立

4.3模拟工序的设置

4.4冲压实验

4.5本章小结

第5章 结果及分析

5.1拉延仿真结果及分析

5.2回弹工序的设置

5.3回弹分析结果

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)

致谢