先进高强度钢板冲切模具的磨损特性研究

摘要

汽车轻量化的要求使先进高强度钢板(AHSS)在汽车车身结构中的应用越来越广泛。AHSS的高强度特性使模具材料在AHSS板料冲压时产生更严重的磨损等问题,这直接导致了模具寿命的严重降低。运用数值仿真技术,分析模具磨损机理,评估模具寿命,寻找适合于AHSS冲压用的模具材料,可有效地提高冲压模具的稳定性,对于控制产品质量、提高模具寿命和降低成本具有重要意义。本文在国家重大科技专项(编号2010ZX04014-072)和福特汽车公司大学研究计划项目的资助下,采用物理实验、理论分析与建模、数值仿真和工艺验证相结合的方法,深入研究了AHSS冲压模具的磨损特性。主要研究成果如下:
　　提出基于两段线性应变路径假设计算材料韧性断裂模型阚值的解析计算方法,避免了采用数值仿真反向拟合优化而需要的数值仿真和无法考虑不同应变路径的不足。根据Nakazima LDH实验方法,利用DIC影像追踪技术获得断裂点数据的FLD图。对FLD图中的断裂点数据,根据试样先颈缩后断裂的过程特点,将计算韧性断裂模型阚值的积分计算路径分成两段,即先线性加载到颈缩和后在平面应变状态下断裂两个阶段。应用不同的韧性断裂模型对FLD中断裂数据点分别进行两段路径积分计算,可得到相应的韧性断裂模型的阚值。
　　基于解析计算获得的阚值,分别进行两种路径下的逆向分析。对比两种加载路径的逆向分析结果发现:不同韧性断裂模型的两组逆向分析断裂点的位置和Nakazima LDH实验获得的实际断裂点位置具有很好一致性,证明了基于两段线性应变路径计算阚值的方法是可靠的和精确的。
　　采用4个不同的韧性断裂准则模拟了高强度钢板的冲孔过程,预测了材料裂纹的产生和扩展模式,评估了断面质量。与冲孔实验结果的对比发现:采用不同的韧性断裂模型预测的断面质量与实验结果基本一致。
　　高强度钢板的冲切数值模拟发现:模具刃口在受载荷时表层出现两个应力集中区域,这两个集中区域在单次冲切过程中此消彼长,形成一个明显的循环加载过程。模具刃口在经历冲裁次数的循环载荷作用后,材料内部的碳颗粒周围会产生微裂纹,这些微裂纹极易发生生长和聚合,进而导致和模具母体材料分离而形成宏观上的崩刃现象。
　　提出了磨损系数三段线性的修正的Archard模型,采用模具表面节点的法向位移量评估模具的磨损量,可以更为准确地对模具磨损量进行数值模拟。将修正的Archard磨损模型集成到ABAQUS用户子程序UMESHMOTION中,根据AHSS冲切数值仿真得到的表面网格节点的应力状态和在接触面上的相对移动距离,以及模具材料的销盘磨损试验确定的材料磨损系数,应用Archard磨损模型计算得到对应节点的法向位移量。将凸凹模表面网格节点的法向位移量定义为对应位置的磨损深度值,而连续节点的移动区域即为磨损体积。同时,也计算了磨损烈度指数WSI(Wear severe index)。对DP780板料翻边成形过程进行了二维数值模拟,计算了翻边成形中模具材料的磨损量,并与翻边成形物理试验结果进行了比较。对比结果发现翻边模具的磨损主要发生在圆弧和直边的交汇位置,与模拟结果吻合,表明了提出的磨损量计算方法是可行的。
　　为了揭示AHSS钢板冲切模具的磨损特性,设计了X型冲裁试样和四象限镶拼式凸凹模结构的落料模具,可以对比不同的模具材料和不同的模具轮廓与冲裁间隙对模具刃口磨损的影响。作为探索,选择一种低成本的高碳低铬不锈钢材料4Cr13并进行渗碳处理,与其他典型冷作模具材料进行磨损特性对比。选择了另外4种典型冷作模具钢CALDIE,SKD11,A2和硬质合金D60作为四个象限对称模具的凹模镶块,凸模镶块材料为4Cr13,CALDIE,SKD11和A2,凹模材料对应为4Cr13,CALDIE,SKD11和D60。在AHSS钢板DP780的40,000次冲切试验后,对比和评估不同模具材料的抗磨损性能。
　　分析模具刃口轮廓和材料磨损率发现:硬质合金 D60的具有最佳的抗磨损性能和抗崩刃能力,但其价格昂贵,性价比不高,不推荐为成形 AHSS板料的模具材料的首选。经过渗碳处理的4Cr13的抗磨损性能虽然弱于CALDIE和A2,但却有和SKD11相接近的抗磨损性能,而其价格低廉,为模具工程人员在选择冲切 AHSS板料的模具材料时提供了参考。

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第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 AHSS的发展和研究现状

1.3 韧性断裂研究现状

1.4 模具磨损研究现状

1.5课题来源和主要研究内容

参考文献

第二章 试验用模具材料性能测试

2.1 引言

2.2 试验用模具材料热处理

2.3 试验用模具材料基本性能检测

2.4 试验用模具材料销盘磨损试验

2.4 本章小结

参考文献

第三章 断裂模型阚值计算及其数值分析

3.1引言

3.2 冲裁过程数值模拟的发展和应用现状

3.3利用DIC技术在LDH实验中获得FLD图

3.4断裂点的断裂模型阚值计算

3.5 断裂阚值可靠性评估

3.6 本章小结

参考文献

第四章 断裂模型数值实现及其在冲裁中的应用

4.1 引言

4.2 断裂模型数值算法

4.3 冲孔工艺数值模拟

4.4 冲孔验证试验

4.5 本章小结

参考文献

第五章 模具磨损数值模拟实现及其在成形中的应用

5.1 引言

5.2 磨损模型

5.3 翻边模具磨损数值模拟

5.4 翻边模具磨损数值模拟结果分析

5.5 翻边磨损验证试验

5.6磨损模型在冲切工艺中的应用

5.7 本章小结

参考文献

第六章 AHSS冲切模具磨损试验验证

6.1 引言

6.2 落料模具磨损试验

6.3 本章小结

参考文献

第七章 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文和专利

致谢