聶 昕 譚 廣 喬曉勇
湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,長沙,410082
隨著人們對溫室氣體排放的擔(dān)憂不斷增加,以及環(huán)保法規(guī)的日漸嚴(yán)格,實(shí)現(xiàn)車身輕量化的同時提升汽車安全性的需求日益突出[1?2]。先進(jìn)高強(qiáng)鋼能夠保證汽車安全性的同時減小白車身質(zhì)量,使得高強(qiáng)鋼在國內(nèi)外各大汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)中得到大量研究。雙相鋼由于具有較高的碰撞吸能、較高的抗拉強(qiáng)度和較好的延展性,同時與其他高強(qiáng)鋼(如TW IP鋼、TRIP鋼)相比,更容易冶煉,具有更好的焊接性能和熱動力穩(wěn)定性,故在車身結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用廣泛[3?5]。
雙相高強(qiáng)鋼在生產(chǎn)中一般采用冷沖壓成形,由于其強(qiáng)度高,成形所需要的壓機(jī)噸位大,而且為了滿足工業(yè)化大規(guī)模快速生產(chǎn),節(jié)拍比較快,故板料內(nèi)板產(chǎn)生的塑性變形熱和模具與板料之間滑動產(chǎn)生的摩擦熱比軟鋼的大。PEREIRA等[6]通過建立一個經(jīng)典平面應(yīng)變熱-力有限元模型進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)板料和模具的溫度分別可達(dá)108℃和181℃,這表明高強(qiáng)鋼冷沖壓產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致的溫升已經(jīng)不能忽略。目前關(guān)于溫度對高強(qiáng)鋼成形性影響的研究主要集中在熱成形領(lǐng)域,因?yàn)樵谠摐囟葏^(qū)間往往涉及金屬相變,溫度對成形性影響明顯。近年來,溫度相對較低的溫?zé)釁^(qū)間也已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)界的關(guān)注。HUG等[7]通過研究雙相高強(qiáng)鋼在不同溫度下的空核演變,發(fā)現(xiàn)空核率是影響材料內(nèi)部軟化機(jī)制的重要參數(shù),對高強(qiáng)鋼在溫?zé)崆闆r下的成形性具有顯著意義。OZ?TURK等[8]進(jìn)行了DP600高強(qiáng)鋼在室溫到300℃之間、不同溫度下的單向拉伸以及彎曲回彈試驗(yàn),結(jié)果顯示,材料在不同方向及不同溫度下表現(xiàn)出復(fù)雜行為,因此在建立有限元分析模型時需要加以考慮。孫利等[9]在仿真模擬中采用與應(yīng)變率相關(guān)的本構(gòu)方程,分析不同沖壓速度下DP590高強(qiáng)鋼的彎曲過程,發(fā)現(xiàn)沖壓速度和材料應(yīng)變硬化對溫度場的預(yù)測精度有顯著影響。趙玉璋等[10]通過銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)確定了摩擦因數(shù)和載荷的對應(yīng)關(guān)系,并指出應(yīng)用變摩擦因數(shù)模型對提高沖壓回彈預(yù)測精度有顯著作用。
由于溫度與摩擦因數(shù)和金屬流變應(yīng)力是互相影響的關(guān)系,為了確定冷沖壓過程中三者耦合作用對高強(qiáng)鋼成形性的影響,本文以DP780雙相鋼為研究對象,采用銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)建立基于溫度的變摩擦因數(shù)模型,將變摩擦因數(shù)模型和熱-力耦合的本構(gòu)方程代入Dynaform進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行某車型大梁沖壓實(shí)驗(yàn),探究溫度場與變摩擦因數(shù)相互作用對高強(qiáng)鋼冷沖壓成形性的影響。
基于熱-力耦合的變摩擦因數(shù)研究方法流程見圖1。
圖1 基于熱-力耦合的變摩擦因數(shù)研究方法流程Fig.1 Processof variab le friction coefficient based on therm al-m echanical coup ling
在傳統(tǒng)的薄板沖壓成形數(shù)值模擬分析中,一般采用庫侖摩擦力模型,即將各影響因素整合成一個恒定的系數(shù)。庫侖摩擦公式為
式中,τ為摩擦應(yīng)力;μ為摩擦因數(shù);p為作用在接觸面上的法向應(yīng)力。
這一模型與常用的胡克定律相符合,有利于簡化計(jì)算,但是它比較適用于低載荷條件,而塑性成形中,正壓力一般大于材料的屈服應(yīng)力,由此具有一定的局限性。
LEU[11]基于黏附理論,利用接觸雜質(zhì)膜的三維應(yīng)力單元,提出了干摩擦模型,具體形式如下:
該模型是量綱一應(yīng)力比σ/k和接觸比α的函數(shù),能夠較好地解決Tabor模型中黏住狀態(tài)下摩擦因數(shù)等于無窮大的問題,因?yàn)槌?shù)摩擦因數(shù)模型應(yīng)滿足μ<0.577(根據(jù)M ises屈服準(zhǔn)則)或μ<0.5(根據(jù)T resca屈服準(zhǔn)則)。在實(shí)際沖壓中,板料表面涂有一層防銹潤滑薄油膜,故干摩擦模型不適用于塑性成形仿真分析。
周國柱等[12]提出了基于油膜厚度和滑動速度的摩擦因數(shù)模型,認(rèn)為潤滑狀態(tài)和表面接觸狀態(tài)是實(shí)際沖壓中不可忽略的因素,其表達(dá)式如下:
μ=μ0(1+aV)(1+b e-ch) (3)
其中,μ0、a、b、c均為由實(shí)驗(yàn)得到的常數(shù),μ0為一定條件下的穩(wěn)定摩擦因數(shù),h為潤滑油油膜厚度。但是,上述摩擦模型都沒有考慮高強(qiáng)鋼在沖壓中由于板料屈服強(qiáng)度高、接觸壓力大,成形過程中會產(chǎn)生比較大的溫升,而溫度也是影響摩擦因數(shù)的重要因素,因此,提出一個基于溫度的變摩擦模型是必要的。
板料冷沖壓過程中,摩擦生熱以及變形生熱以熱源的形式來影響溫度場。王東星[13]提出的摩擦熱的計(jì)算公式為
其中,μ為接觸面摩擦因數(shù),p(x,y,t)為接觸壓力,v(t)為滑動速度。塑性金屬內(nèi)部的變形熱
式中,εˉ˙、σˉ分別為等效應(yīng)變速率和等效應(yīng)力;q˙為體熱源;η為熱生成效率,一般可取η=0.8~0.9。
固體內(nèi)部溫度的傳導(dǎo)用能量守恒定律和傅里葉定律為基礎(chǔ)建立的導(dǎo)熱微分方程來表示,其一般表達(dá)式為
(6)
式中,λx、λy、λz分別為x、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù);ρ為材料密度,kg/m3;c為材料的質(zhì)量熱容,J/(kg·K);T為溫度;t為時間。
在板料熱傳導(dǎo)分析過程中,由于冷沖壓溫度相對較低,溫度邊界條件主要為板料與模具的熱交換,而通過空氣的熱對流和模具的熱輻射相對較小,可以忽略不計(jì),故采用傳導(dǎo)邊界條件:
式中,λ為傳熱系數(shù),W/(m2·K)。
ZERRILI等[14]提出了基于熱激活位錯運(yùn)動理論的Z-A本構(gòu)模型,由于Z-A模型較好地描述了材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和溫度應(yīng)變軟化效應(yīng),能夠反映溫度對金屬流變應(yīng)力的影響,并且形式簡單,對有限元接口程序適應(yīng)性良好,對本文研究的高強(qiáng)鋼冷溫區(qū)間考慮熱-力耦合效應(yīng)的材料本構(gòu)行為具有較好的適應(yīng)性,而高強(qiáng)鋼在冷溫區(qū)間屬于體心結(jié)構(gòu),所以采用ZA-BCC體心模型,其表達(dá)式如下:
其中,σ為流變應(yīng)力;εˉ為等效塑性應(yīng)變;Ci和n均為材料常數(shù)。為便于有限元計(jì)算,本文采用曹強(qiáng)等[15]建立的根據(jù)熱拉伸國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4338—1995在G leeble3500試驗(yàn)機(jī)上所得的簡化Z-A模型,其具體形式如下:
σ=-114.88+827.86e-0.00147T+(3 763 262×10-4T3-0.894 82T2+658.230 24T-140 951.198)×
實(shí)驗(yàn)采用MG-2000型銷-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī),所用材料為高強(qiáng)度雙相DP780鋼板,厚度為2mm,摩擦副為實(shí)際沖壓中的SKD 11冷作模具鋼材料,材料參數(shù)見表1和表2,銷-盤尺寸按圖2進(jìn)行加工,圖2中,EQS表示均布,為避免加工硬化對材料性能產(chǎn)生影響,所有試樣均采用線切割的方法進(jìn)行加工。由于模具材料的強(qiáng)度高于鋼板材料的強(qiáng)度,故將模具材料制作為銷盤,鋼板制作為銷,可以避免因?yàn)橛驳牟牧蠟殇N作用在軟的摩擦盤上,產(chǎn)生犁削現(xiàn)象,從而導(dǎo)致摩擦實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果失真。鋼板不能直接制成銷柱,故加工成直徑為5 mm的鋼片置于銷盤的凹槽中。
表1 DP780、SKD11的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chem ical com positions of DP780、SKD11(m ass fraction) %
表2 DP780的物理性能Tab.2 M echanical p roperties of DP780
圖2 MG-2000銷-盤試驗(yàn)機(jī)及銷盤尺寸Fig.2 MG-2000 pin-disk testm achine&d im ensions of pin and disk
在沖壓過程中,板料與模具之間的接觸壓力受接觸情況和零件幾何形狀影響,局部區(qū)域壓力變化大,但是在整體范圍內(nèi)變化不大,由此在本次摩擦實(shí)驗(yàn)中,不考慮載荷變化的影響,而是通過一個機(jī)械加載裝置在銷上施加一個大小為200 N的恒定正壓力,此時作用于銷-盤實(shí)驗(yàn)界面上的工作載荷為10MPa,實(shí)驗(yàn)過程中,設(shè)定線速度為10mm/s,銷的中心與圓盤中心的距離為16mm,圓盤轉(zhuǎn)速為6 r/m in,目的是盡可能使滑動速度最小,避免因?yàn)槟Σ翢崾箤?shí)驗(yàn)溫度升高而對結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。實(shí)驗(yàn)過程中試件沒有發(fā)生變形,不會產(chǎn)生塑性變形熱。實(shí)驗(yàn)溫度控制由安置在摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)的銷盤座下的一個熱電阻對銷盤進(jìn)行加熱和保溫,使溫度保持在(20,40,60,80,100,120,140,160)℃±0.5 ℃。在實(shí)驗(yàn)開始之前,先由熱電偶開始對裝置加熱,加熱到指定溫度后保溫,整個裝置均勻加熱后,銷盤開始轉(zhuǎn)動,銷與銷盤保持接觸并對銷施加工作載荷,開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)從室溫到160℃,以20℃為間隔測試了8組不同溫度下的摩擦因數(shù),為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近真實(shí)情況,實(shí)驗(yàn)中的摩擦因數(shù)選取實(shí)驗(yàn)達(dá)到相對穩(wěn)定時的平均值作為該溫度區(qū)間的摩擦因數(shù),100℃時的實(shí)驗(yàn)曲線見圖3。不同溫度下的摩擦因數(shù)記錄在圖4中,在實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi),摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而增大,從宏觀方面分析,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,板料的強(qiáng)度和硬度開始慢慢下降,韌性和塑性逐漸增加,導(dǎo)致摩擦力變大,從而使得摩擦因數(shù)增大,而板料自身帶有一層稀薄的防銹油,也有一定的潤滑作用,隨著溫度升高,油的黏度降低,油膜變薄,摩擦加劇,與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相吻合。從微觀磨損方面看,在較低溫度區(qū)間里,磨損的主要形式是黏性磨損,摩擦力較小,在溫度較高的區(qū)間,磨損中散裂和犁削起主要作用,接觸表面光潔度變差,摩擦力增大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與PIERE?RA等[6]的測量結(jié)果也相符。
圖3 100?時實(shí)驗(yàn)值Fig.3 Test value at 100?
圖4 不同溫度下的摩擦因數(shù)Fig.4 Friction coefficient at different tem perature
高強(qiáng)鋼具有很高的屈服強(qiáng)度,不容易產(chǎn)生變形,因此,壓機(jī)噸位大,在成形過程中局部會產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力,在生產(chǎn)過程中由于變形和摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量,模具溫度明顯升高,在連續(xù)生產(chǎn)中溫度可達(dá)180℃以上。溫度對材料金屬流變應(yīng)力及摩擦力的影響變大,而傳統(tǒng)的薄板冷沖壓仿真分析采用恒定摩擦因數(shù)模型,溫度僅作為結(jié)果輸出,沒有考慮熱-力耦合對摩擦因數(shù)的影響。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了考慮溫度的變摩擦因數(shù)模型:
其中,T為實(shí)驗(yàn)溫度,T0為室溫,μ0為室溫時所測得的摩擦因數(shù)。采用M ATLAB對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,得到a=0.042 89,n=1.697,b=0.123 1;擬合曲線見圖5,在溫度區(qū)間內(nèi),擬合曲線與實(shí)驗(yàn)值吻合度較好,說明該模型能夠很好地描述高強(qiáng)鋼沖壓過程中摩擦因數(shù)隨溫度的變化情況。
圖5 變摩擦因數(shù)模型擬合曲線Fig.5 Fitting cu rve of variab le friction coefficien tm odel
為了驗(yàn)證變摩擦模型的精度,采用壓機(jī)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法,所用零件為某車型中大梁,材料為DP780雙相高強(qiáng)鋼,厚度為2 mm,所用壓機(jī)為10MN機(jī)械壓力機(jī),壓邊力為1.4MN,見圖6a。實(shí)驗(yàn)時生成節(jié)拍約為每分鐘6件,樣件選擇連續(xù)生產(chǎn)2 h后的樣件,此時模具的溫度經(jīng)過持續(xù)升溫已經(jīng)達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài),模具和板料在對應(yīng)仿真分析中溫度最高位置的溫度分別為103℃和81℃,避免模具處于最初室溫狀態(tài)而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成偏差,拉延后零件見圖6b。
圖6 沖壓實(shí)驗(yàn)壓機(jī)和拉延成形后零件Fig.6 Stam ping testmachine&part after d raw ing
采用Dynaform軟件進(jìn)行沖壓成形數(shù)值模擬,為了使回彈計(jì)算更接近真實(shí)情況,采用全積分單元進(jìn)行計(jì)算,節(jié)點(diǎn)積分層數(shù)為7,仿真中設(shè)置的沖壓速度為5m/s,模具間隙為0.1倍板料厚度,壓邊力為1.4 MN,圓角為6 mm,板料長905 mm、寬330 mm,拉延筋系數(shù)和工藝補(bǔ)充面等均與實(shí)際模具保持一致,仿真分析數(shù)模見圖7,熱物性參數(shù)見表3。實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行,不考慮熱-力耦合和定摩擦因數(shù)0.125的仿真作為參照組(以下簡稱參照組),考慮熱-力耦合和變摩擦因數(shù)的為熱變組(以下簡稱熱變組)。在熱變組仿真中,將DP780雙相高強(qiáng)鋼在不同溫度下金屬流變應(yīng)力的本構(gòu)方程(式(9))通過LS?DYNA中的userm at對材料進(jìn)行定義。變摩擦因數(shù)模型通過在接觸模塊中定義動態(tài)摩擦因數(shù)時,輸入式(10)引入軟件中,進(jìn)行考慮熱-力耦合和變摩擦因數(shù)的仿真分析計(jì)算。
圖7 數(shù)模Fig.7 Num ericalm odel
表3 仿真時熱物性參數(shù)Tab.3 Therm al param eters in numerical simu lation
仿真中溫度云圖見圖8,零件中部凸包部分及圓角區(qū)域溫度較高,分布比較集中,最高分別達(dá)到87.2℃和83.6℃,原因是這兩部分在成形過程中接觸較早,結(jié)構(gòu)比較突兀,在凹模下行過程中,板料變形急劇,應(yīng)變率大,產(chǎn)生的塑性變形熱多,由于溫度升高,局部區(qū)域摩擦因數(shù)也相應(yīng)增大,板料流動過程中產(chǎn)生的摩擦熱也多,同時模具在沖壓一段時間后溫度已經(jīng)升高,部分熱量會傳遞給板料,使該區(qū)域溫升更加明顯。而大梁頂部大部分區(qū)域溫度約為25℃,這部分區(qū)域在成形過程中與板料接觸晚,結(jié)構(gòu)平緩,沒有發(fā)生明顯變形,塑性變形熱少,成形過程中,板料流動也比較小,所以產(chǎn)生的摩擦熱也很少,溫度升高不明顯。
圖8 考慮熱-力耦合和變摩擦因數(shù)的仿真溫度云圖Fig.8 Tem peratu re con tou r based on therm alm echanical coup ling and variab le friction coefficient
由熱變組減薄率云圖(圖9)可以看出,熱變組中凸包處的最大減薄率為20.838%,而參照組中最大減薄率為25.761%,熱變組減薄率比參照組減薄率小。為了進(jìn)一步了解溫度對板料厚度的影響,選取圖8中截面C進(jìn)行研究,該截面各位置的溫度變化大,對比明顯,具有代表性,沿截面選擇11個測量位置點(diǎn),見圖10。其中,熱變組和參照組的數(shù)據(jù)在分析中直接測量,實(shí)驗(yàn)零件通過厚度測量檢具測得,將3組數(shù)據(jù)結(jié)果在圖11中列出。由圖11可知,3組結(jié)果厚度變化的總體趨勢是一致的,但是熱變組與實(shí)驗(yàn)組結(jié)果更接近。在熱變組中板料溫度升高不明顯的區(qū)域(如點(diǎn)7和9所示位置),兩組仿真的結(jié)果幾乎重合;而在熱變組溫度升高較明顯的區(qū)域(如點(diǎn)5和點(diǎn)4等凸包和圓角處),兩組仿真差別較大,均表現(xiàn)出熱變組的厚度要大于參照組的厚度,在溫度最高的點(diǎn)5處差距最明顯。在溫度接近的區(qū)域,考慮熱-力耦合的仿真影響不大,與傳統(tǒng)結(jié)果一致,而溫升明顯的區(qū)域,流變應(yīng)力減小,板料出現(xiàn)軟化效應(yīng),延展性增強(qiáng),熱變組分析中能夠反映該影響,因而該區(qū)域減薄率相對較小,更符合實(shí)際情況;而參照組的分析中沒有考慮溫度的作用,結(jié)果顯示板料過度減薄而有開裂的風(fēng)險(xiǎn)。在法蘭處(如點(diǎn)1和點(diǎn)11處),溫度升高,但是表現(xiàn)出與點(diǎn)5和點(diǎn)4相反的情況,熱變組的厚度要略小于參照組的厚度。由于法蘭靠近拉延筋,溫升雖然使延展性增加,同時也造成摩擦因數(shù)增大,拉延阻力的增大使板料拉延更充分,厚度減薄的作用大于軟化效應(yīng)延展增加的效果,但是由于溫度升高相對較低,減薄率對比不明顯,熱變組反映了這一趨勢,結(jié)果更接近于實(shí)驗(yàn)值。
圖10 截面厚度測量點(diǎn)位置Fig.10 Section thicknessm easure points
圖11 截面測量點(diǎn)厚度Fig.11 M easu red poin ts thickness in section
回彈是生產(chǎn)中最難以控制的缺陷,也是高強(qiáng)鋼沖壓的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)測量的是側(cè)壁的回彈偏移量,偏移距離d見圖12,為側(cè)壁與圓角相交點(diǎn)回彈的距離,選取圖8中A~E五個典型截面上共10個點(diǎn)的回彈測量值為研究對象。實(shí)驗(yàn)零件固定在檢具上,通過塞尺測得回彈偏移量,熱變組和參照組的回彈分析結(jié)果見圖13,明顯可以看出,在各截面上回彈值方面,熱變組小于參照組。為了方便分析,將分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量值記錄在圖14中。由圖14可知,熱變組中回彈結(jié)果相對實(shí)驗(yàn)值偏小,而參照組回彈結(jié)果偏大。對各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果求平均值,熱變組為4.137 mm,參照組為12.348 mm,實(shí)驗(yàn)零件為6.685 mm,熱變組與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差僅為參照組與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差的27.8%?;貜棶a(chǎn)生的原因主要是板料通過模具圓角產(chǎn)生的彎曲-拉直形成的彎矩,溫度升高會使摩擦因數(shù)、材料流變應(yīng)力均產(chǎn)生變化,而摩擦因數(shù)和流變反過來又會對溫度造成影響,故彎矩也隨之變化。采用基于熱-力耦合的變摩擦因數(shù)模型進(jìn)行分析,能夠體現(xiàn)溫度對彎矩的作用,所以相比傳統(tǒng)冷沖壓分析,該模型能夠提高高強(qiáng)鋼冷沖壓回彈預(yù)測的精度。
圖13 熱變組和參照組的回彈偏移量圖13 Sp ring-back disp lacement in HV group and com pare group
圖14 回彈偏移量對比Fig.14 Com parison of sp ring-back d isp lacem en t
(1)通過銷-盤實(shí)驗(yàn)測得了以DP780雙相高強(qiáng)鋼為銷和以SKD 11為摩擦盤在20~160℃區(qū)間不同溫度下的摩擦因數(shù),實(shí)驗(yàn)表明摩擦因數(shù)隨溫度的升高而增大,通過擬合曲線建立了基于溫度的變摩擦因數(shù)模型。
(2)有限元仿真結(jié)果表明,在引入熱-力耦合和變摩擦因數(shù)的仿真分析中,溫度升高明顯,板料區(qū)域最高溫度達(dá)到87.2℃,與實(shí)際沖壓情況相吻合;從截面厚度對比可知,在熱變組中溫度升高區(qū)域,材料減薄率相對參照組小,延展性更好,不易開裂;在熱變組中溫度升高不明顯的區(qū)域,熱變組與參照組厚度結(jié)果相近。熱變組成形性分析結(jié)果更接近實(shí)際測量值。
(3)從回彈偏移量對比可知,熱變組與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差僅為參照組與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差的27.8%,采用引入熱-力耦合和變摩擦因數(shù)的仿真分析可以有效提高板料回彈的預(yù)測精度,對生產(chǎn)中減少修模、試模次數(shù)具有重要意義。