镀锌钢板冲压成形表面损伤行为的研究

摘要

随着汽车产业的高速发展和人们对安全、节能、环保、防腐蚀的要求越来越高，镀锌钢板在汽车行业得到了越来越广泛的应用。但由于镀层和基体力学性能的差异，镀锌钢板冲压过程中会产生镀层粉化、剥落、开裂等镀层损伤现象，同时，工件表面容易产生划痕、拉毛等缺陷。镀锌钢板冲压成形中的表面损伤已成为抑制其在汽车零部件应用中的重要因素。本文结合国家自然科学基金项目（51175445），对热镀锌钢板（DC53D+Z）和合金化热镀锌钢板（DC53D+ZF）冲压成形表面损伤行为进行了研究，分析其产生机理和影响因素，力求减小和消除镀锌钢板冲压成形中的表面损伤现象。
　　本文采用单向应力状态下的镀层损伤机理以及镀层损伤模型，并结合镀层钢板圆筒拉深过程的应力解析解，分析了凹模圆角半径、模具与板料的摩擦系数、压边力等工艺参数对镀锌钢板圆筒拉深件镀层损伤的影响。
　　设计了适合研究镀锌钢板冲压成形表面损伤的圆筒拉深实验装置，对镀锌钢板冲压成形表面损伤行为进行了研究。实验表明：热镀锌钢板冲压成形表面损伤有镀层表面划痕和熨平纹两种形式，合金化热镀锌钢板冲压成形表面损伤有镀层龟裂和镀层表面划痕两种形式；工件直壁靠近口部区域，表面损伤现象最严重；凹模圆角半径对镀锌钢板冲压成形表面损伤有显著影响，随着凹模圆角半径的减小，热镀锌钢板圆筒拉深工件表面熨平纹现象增加，合金化镀锌钢板圆筒拉深工件表面镀层龟裂程度增加；当凹模圆角半径为R3时，热镀锌钢板拉深工件表面熨平纹较为明显，合金化热镀锌钢板拉深工件圆角区域和直壁口部区域还出现了一定程度的镀层脱落现象。
　　利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，建立基于界面结合的镀锌板圆筒拉深有限元模型，对镀锌钢板拉深过程进行模拟。模拟表明镀锌钢板圆筒拉深工件外表面镀层沿拉深方向的第一主应变和垂直拉深方向的第三主应变的分布规律与拉深工件表面损伤程度相关，第一主应越大或第三主应变越小，表面损伤现象越严重；凹模圆角半径减小以及摩擦系数和压边力的增加，均导致第一主应增大，加剧了工件表面损伤；单向应力状态下的镀层损伤机理可应用于复杂应力状态下的镀锌钢板冲压成形镀层损伤行为分析。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 镀锌钢板概述

1.2.1 镀锌钢板的分类及镀锌工艺简介

1.2.2 镀锌钢板的开发与应用

1.2.3 镀锌钢板冲压成形性能

1.3 冲压成形表面损伤研究现状

1.3.1 板料表面损伤的机理研究

1.3.2 影响冲压成形表面损伤的因素及改善和控制措施

1.3.3 板料冲压成形表面损伤的研究方法和实验装置

1.4 研究现状的总结

1.5 本文研究思路和内容

第2章 镀锌钢板冲压成形表面损伤的理论基础

2.1 引言

2.2 镀层损伤模型

2.2.1 镀层损伤机理

2.2.2 镀层损伤力学模型

2.3 镀锌钢板冲压成形的解析分析

2.3.1 拉深过程的几何解析

2.3.2 拉深过程中镀层与基体应力应变关系

2.3.3 凸缘变形区的应力

2.3.4 凹模圆角区的应力

2.3.5 悬空拉伸区域应力

2.4 工艺参数对镀锌钢板冲压成形镀层损伤的影响

2.5 本章小结

第3章 实验方案及结果分析

3.1 引言

3.2 镀锌钢板冲压成形表面损伤实验方案设计

3.2.1 冲压成形过程的接触摩擦特点

3.2.2 冲压过程中表面损伤的特点

3.2.3 镀锌钢板冲压成形表面磨损机理分析

3.2.4 镀锌板冲压成形表面损伤研究的实验方案设计

3.3 实验材料

3.4 实验装置和模具设计

3.4.1 关键零件的设计

3.5 实验条件

3.6 实验结果与分析

3.6.1 热镀锌钢板拉深工件表面形貌

3.6.2 合金化热镀锌钢板拉深工件表面形貌

3.6.3 凹模圆角半径对表面损伤的影响

3.6.4 镀锌钢板表面损伤的机理分析

3.7 本章小结

第4章 镀锌钢板圆筒拉深有限元分析

4.1 引言

4.2 ANSYS/LS-DYNA简介

4.3 基于界面结合的镀锌钢板圆筒拉深有限元模拟

4.3.1 有限元模型的建立

4.3.2 镀锌钢板圆筒拉深件镀层单元应变分析

4.3.3 镀层单元应变对表面损伤影响的分析

4.4 工艺参数对镀锌钢板表面损伤的影响

4.4.1 摩擦系数对表面损伤的影响

4.4.2 压边力对表面损伤的影响

4.5 本章小结

结论与展望

全文总结

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文