冲压成形性能范文（精选9篇）
冲压成形性能 第1篇
汽车工业的发展面临着能源, 环保和安全这三大课题越来越严峻的挑战。因此, 减轻汽车自重以降低能耗成为各大汽车厂关注的焦点。而减轻汽车自重的关键是使用轻质材料。其中铝及其合金由于具有资源丰富, 质量轻, 弹性好, 比强度和比刚度高, 抗冲击性能好, 良好的加工成形性等一系列优良特性, 成为汽车轻量化最理想的材料。
6061铝合金属于Al-Mg-Si-Cu系, 是一种典型的可变形热处理铝合金, 具有良好的加工, 焊接性能、抗蚀性, 中等强度和良好的塑性, 在热态和冷态都易于加工成型, 因而具有很好的综合性能。常用于制造中等载荷零件、形状复杂锻件, 在航空、船舶和汽车等领域有广泛的应用[1]。本文通过力学性能试验、杯突试验和计算机仿真技术研究了6061铝合金的成形性能, 得出了影响成形的基本参数;并对比分析了6061铝合金与6010铝合金板材在成形性能的差异, 为铝合金在汽车领域的开发与应用提供一定的指导。
1. 试验方法
用6061铝合金1.0mm厚冷轧板作为实验材料。按GB/T 16865—1997沿板材轧制方向制取拉伸试样, 在室温条件下, 单向拉伸试验按照GB/T 228—1987在WDW-100型微机控制电子式万能试验机上进行;应变硬化指数n的测定方法按照GB5028进行;使用JSM-6700F型场发射扫描电镜 (日本电子) 对拉伸试样的断口形貌进行观察;使用GBS-60型数显半自动杯突实验机对6061铝合金板进行杯突试验, 具体样品尺寸、模具规格、试验条件、数据处理等均分别按照国家标准GB415-84规定要求进行。
2. 结果分析与讨论
2.1 常温力学性能试验
薄板的单向拉伸试验是获得研究板料机械性能数据的最基本、也是最重要的试验方法。一般, σ0.2小的材料容易屈服, 即材料在较小的应力下就容易流动, 成形后回弹小, 贴模性和定形性较好;σb愈大, 冲压成形时零件危险断面的承载能力愈高, 其变形程度愈大。在材料与成形性能有关的其他性能大致相同时, σb大的材料, 其综合成形性能好。而材料的屈强比σ0.2/σb则反映了材料从发生塑性变形到断裂时的变形能力。屈强比σ0.2/σb的值越小, 板材由屈服到破裂的塑性变形阶段长, 抗破裂性好;δgt表示板料产生均匀的或称稳定的塑性变形的能力, 它直接决定板材在伸长类变形中的冲压性能。δgt值越大, 材料塑性变形的能力也越好。试验得到的6061铝合金的工程应力——应变曲线如图1所示。
应变硬化指数n表示在塑性变形中材料硬化的程度, 它在成形中的作用是:当板材某点应力较其邻近部分大时, 其较大的应变由于应变强化, 增加了抵抗进一步变形的能力, 故有将变形转移到邻近部分的作用, 延缓了该点缩颈的出现, 使较大的板面有更为均匀的应变。以拉为主的零件成形时, n值小的材料, 由于变形不均匀, 变形大的部位又不能迅速硬化, 易于产生裂纹;n值大的材料则相反, 促使各部位变形趋于均匀, 还可改善胀形成形极限。以压为主的零件成形时, n值大的材料, 应变均化能力强, 危险断面的承载能力高[3]。
应变硬化指数n值是影响板料的变形力及其成形极限的一个重要性能指标, 这也是本次试验研究的主要内容之一。根据国标GB5028—85的规定, 其计算过程如下:
式中S—真实应力, S=σ (1+ξi) ;σ为名义应力
E—真实应变, E=ln (1+ξi) ;ξ为相对延伸率
K-强度系数
对式 (1) 两边取对数, 得:log (S) =log (K) +n×log (E)
根据国标GB5028—85的规定, 可按下式采用线性回归方法计算n值
式中Xi=logEi;Yi=logSi;N-参加回归计算的真实应力和应变的个数
6061和6010铝合金板材的力学性能数据见表1。试验结果表明, 6061铝合金的屈服强度比6010高出近50MPa;抗拉强度比6010低出86MPa;但是6061的均匀伸长率和断后伸长率均接近于6010铝合金, 且n值比6010高。通过这些性能指标可以定性地分析与评估6061铝合金板的成形性能。在单向拉伸试验还发现6061铝合金具有以下特点: (1) 没有明显的细颈现象, 对应力集中敏感, 一旦出现裂纹, 裂纹即迅速扩展、断裂; (2) 进行拉伸试验时, 会在负荷一位移曲线上产生负荷波动 (锯齿形) 。锯齿形是通过溶质原子和位错之间相互作用产生的[4]。
2.2 扫描断口形貌分析
铝合金的拉伸断裂形式一般分为三种, 即滑移常开裂、沿晶开裂和韧窝型开裂。滑移常开裂多发生于高纯铝合金;工业铝合金由于含有一定量的夹杂相和弥散相, 一般发生韧窝型开裂;沿晶开裂则取决于合金的成分和时效状态。铝合金中加入Mn或Cr等弥散相形成元素, 合金组织中引入一定体积分数的弥散相, 则使合金的沿晶开裂倾向显著降低[5]。6061铝合金拉伸试样断口形貌的扫描电镜图如图2所示, 断口形貌分析表明, 6061铝合金断口属于混合型断口, 表面存在大量韧窝, 只有少量的沿晶开裂。断口表面的韧窝呈现出一定的方向性, 为撕裂韧窝, 体现出良好的韧性断裂特征, 说明其具有良好的塑性。
2.3 杯突试验
杯突试验是评价材料胀形性能的模拟试验。在试验过程中压边力始终恒定为10kN。在杯突试验中, 杯突值IE越大, 材料的胀形性能越好。通过试验得到6061铝合金的IE值为8.12, 低于6010-T4铝合金的IE值9.10[2]。说明6061铝合金胀形成形性能比6010-T4稍差一些。
3 杯突试验的模拟
根据杯突试验国家标准GB415-84中的模具规格、样品尺寸和试验条件, 利用U G软件获得曲面模型。该模型中凸模、凹模和压边圈和坯料的有限元网格是用有限元分析软件的自动生成网格命令生成的。在有限元分析软件中定义凸模、凹模和压边圈等冲压工具以及毛坯, 并调整它们间的相对位置;定义拉延和接触类型、摩擦系数、冲压速度和压边力等工艺参数;给毛坯赋予材料和特性数据。模拟过程中使用的是6061铝合金板材, 厚度为1.0mm。模拟过程中的工艺参数:弹性模量E为75GPa, 泊松比γ为0.3135[6]。模拟中涉及的其他材料性能参数见表1。
有限元分析计算过程结束后, 根据成形极限图, 选择最先可以直观地看到红色破裂区域的一帧。图3-1, 3-2所示为6061铝合金的成形极限图和板料位移图。
成形极限图和板料位移图均为最先可以直观地看到红色破裂区域的一帧, 由此可以测得IE值为9.87。模拟所得的IE值与帧数有关, 帧数越多, IE值越接近真实。通过杯突模拟和实验的结果比较发现:
1) 成型件与数字模型的相对比, 可发现发生破裂的地方比较接近。
2) 两者测得IE值比较:模拟的IE值为9.87, 而试验的IE值为8.12, 两者比较接近。
4. 结论
(1) 6061铝合金具有较好的成形性能, 这种板材在单向拉伸过程中受到双向非均匀应力, 容易产生应力集中敏感, 发生脆性断裂, 但是在杯突胀形过程中双向应力均匀扩展, 成形性比较好。所以在采用6061铝合金板材作成形性工艺分析时, 要尽量避免出现双向非均匀应力的情况。
(2) 6061铝合金板材在拉伸过程中的强化段由于局部松弛产生负荷波动, 容易导致试样表面上形成类似滑移带的形变花纹而损害产品的外观, 所以采用该材料作汽车表面件时, 必须增大均匀变形量以避免出现锯齿形负荷。
(3) 比较杯突过程的模拟和试验的结果可以看出两者匹配较好, 所以可以用模拟来验证试验并进一步指导试验, 为铝合金板材冲压工艺的改善、模具设计和有限元仿真的研究提供了试验依据。
参考文献
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冲压模具的快速成形技术介绍 第2篇
随着经济的快速发展和市场需求的多样化,人们对产品生产周期的要求越来越短,尤其在小批量甚至单件生产方面,要求现代制造技术不仅要有较高的柔性,还要有更新的、更能满足市场要求迅速变化的生产模式。数控单元冲压模具快速成形技术,就是为适应此种状态而产生的。
单元冲模快速成形的数字化编码钣
钣件的形状可分割成一些简单的图形元素,然后合成所需图形。例如:矩形是4个直角的合成;波浪形是一些曲线的合成等。因此,对于一些精度要求较高的小批量甚至单件生产的钣金件,可以用一些通用件迅速组装成单元冲压模具,采用数控技术,使之快速成形。将被加工钣金件看成一个可被分割的平面图形,对分割出来的简单图形元素进行数字化处理。即按其方位进行定位编码。非等距简单图形零件的数字化,缺口1、2、3、4的(Δx,Δy)均相等,方孔5的(Δx,Δy)均等于2倍的(Δx,Δy),设现有通用冲头的宽等于Δx,长等于Δy。缺口1由位置(2,0)以及位置(3,0)合成,缺口2、3、4同样由两个位置合成,方孔由8个位置合成。如果采用矩形单元快速成形,可以获得如图2所示的二维编码,由于划分过细使得到的编码较长。如果采用正方形单元快速成形,则可以获得如图3所示的二维编码,其编码减小一半。
快速成形的结构设计
目前，大部分中小型企业尚不具备购买高档数控冲床的经济实力，数控单元冲压模具可以直接安装在普通冲床上作为简易数控冲床来使用，上模为凸模机构。光电头安装在上模板下方以检测凸模的起落。坯料的装夹要根据不同的需要进行设计。料板由步进电机控制丝杠分X,Y方向驱动。下模为凹模机构，直接安装在工作台上。
快速成形的控制系统设计
电机驱动及选用，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。共有3种:永磁式、反应式和混合式。混合式集中了前二种的优点，从性价比方面进行综合考虑，拟选用步进角1.8o的两相混合式步进电机。驱动器的型号、种类较多，细分型为考虑对象。因为细分型可消除电机的低频振荡，可提高电机的输出转矩及分辨率。顾及速度和精度细分系数定为4。
系统硬件设计数控单元冲模是安装在曲轴式压力机上的，机床的冲压原理不变。需要控制的是两方面内容:首先要确定零点以及各工位点的位置;其次在上冲模往复动作的启停间被加工件的按编码所得的X,Y方向的快速进给送料运动以及这两个动作的协调。即实现冲压和送料动作的同步控制。
数控系统的人机界面采用键盘输入LED显示键盘具有数字键、设定、修改、查寻、X及Y方向的调整、执行等的功能键，可用来完成加工程序的输入、修改及对控制的操作和调整等。操作人员根据被加工件的形状在计算机上进行编码，自动生成加工程序，通过串行口将加工程序下载给单片机并且保存在FLASH ROM中。工模安装后手动调整零位。进入执行后单片机从FLASH ROM中取得加工程序，并计算X,Y方向的步进距离后再将其转换成相应的步进脉冲数控制X,Y方向的步进电机的转动步数。当光电信号检测到上模位于开启位置时数控系统迅速将待加
工件定位到加工位置，并且启动冲床上冲模下压，实现一次冲压。在冲床带动上冲模开启时数控系统迅速地将待加工件移动到下一加工位置等待下次冲压，直到完成加工停止冲床运动。
系统软件设计
整个系统由上位机来管理。系统软件语言采用Visual Basic 6.0编制其集成开东莞市拓步电子有限公司电话：0769-82123458传真：0769-82123428 网址：http:///发环境(IDE)集设计、修改、调试、生成等功能于一体，人机交互界面十分友好。它是功能强大的Windows环境下的编程语言简单易学可视化程度高。系统软件结构采用模块化结构，共有5个功能模块:系统开机后进入Windows界面双击“数控单元冲模”图标，即弹出应用界面，可选择功能模块。
随着数控技术、伺服技术、运动元件的发展，以及市场经济的需要，数控单元冲压模具快速成形技术得到迅速发展。对于中小型传统企业，这种结合传统制造工艺的高新技术无疑是一种投资省，见效J陕，方便、快捷的技术。随着经济和科学技术的不断发展，实现自动上下料装备、外置模具库自动换模装备等，已经摆在人们的面前。可见，数控冲压的发展是以相关技术和新结构的研制为基础的。单元冲压模具快速成形技术，无疑是先进冲压技术发展的一个新起点 模内攻牙技术
模内攻牙又称模内攻丝,是一种替代了传统人工攻牙的新技术,目前传统的攻牙设备已经不能适应冲压产品需求,效率太低,加工时间长.远远满足不了市场的需要.模内攻牙技术的导入使得冲压模具真正的实现了自动化,效率化,攻牙范围可达到最小M0.6,最大可达到M45.精度可达到0.01mm,模内攻牙技术使的冲出来的产品不需要再进行第二次人工攻牙,其挤压出来的产品质量有保证,表面光洁度好,效率高,成本低.广泛应用于冲压。
制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。基本分类
a.碳素工具钢在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等，优点为加工性能好，价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。
b.低合金工具钢低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。
c.高碳高铬工具钢常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2）、SKD11，它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔（轴向镦、径向拔）改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。
d.高碳中铬工具钢用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它们的含铬量较低，共晶碳化物少，碳化物分布均匀，热处理变形
小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有所改善。
e.高速钢高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2（代号6-5-4-2，美国牌号为M2）以及为提高韧性开发的降碳降钒 高速钢 6W6Mo5 Cr4V（代号6W6或称低碳M2）。高速钢也需要改锻，以改善其碳化物分布。
f.基体钢在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强韧性冷作模具钢，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有 6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）等。
g.硬质合金和钢结硬质合金硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是钨钴类，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用含钴量较低的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用含钴量较高的硬质合金。
钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末（如铬、钼、钨、钒等）做粘合剂，以碳化 钛或碳化钨为硬质相，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达 68 ~ 73HRC。
h.新材料冲压模具使用的材料属于冷作模具钢，是应用量大、使用面广、种类最多的模具钢。主要性能要求为强度、韧性、耐磨性。目前冷作模具钢的发展趋势是在高合金钢D2（相当于我国Cr12MoV）性能基础上，分为两大分支：一种是降低含碳量和合金元素量，提高钢中碳化物分布均匀度，突出提高模具的韧性。如美国钒合金钢公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊钢公司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。另一种是以提高耐磨性为主要目的，以适应高速、自动化、大批量生产而开发的粉末高速钢。如德国的320CrVMo13，等。
选用原则
在冲压模具中，使用了各种金属材料和非金属材料，主要有碳钢、合金钢、铸铁、铸钢、硬质合金、低熔点合金、锌基合金、铝青铜、合成树脂、聚氨脂橡胶、塑料、层压桦木板等。
制造模具的材料，要求具有高硬度、高强度、高耐磨性、适当的韧性、高淬透性和热处理不变形(或少变形)及淬火时不易开裂等性能。
合理选取模具材料及实施正确的热处理工艺是保证模具寿命的关键。对用途不同的模具，应根据其工作状态、受力条件及被加工材料的性能、生产批量及生产率等因素综合考虑，并对上述要求的各项性能有所侧重，然后作出对钢种及热处理工艺的相应选择。
当冲压件的生产批量很大时，模具的工作零件凸模和凹模的材料应选取质量高、耐磨性好的模具钢。对于模具的其它工艺结构部分和辅助结构部分的零件材料，也要相应地提高。在批量不大时，应适当放宽对材料性能的要求，以降低成本。
当被冲压加工的材料较硬或变形抗力较大时，冲模的凸、凹模应选取耐磨性好、强度高的材料。拉深不锈钢时，可采用铝青铜凹模，因为它具有较好的抗粘着性。而导柱导套则要求耐磨和较好的韧性，故多采用低碳钢表面渗碳淬火。又如，碳素工具钢的主要不足是淬透性差，在冲模零件断面尺寸较大时，淬火后其中心硬度仍然较低，但是，在行程次数很大的压床上工作时，由于它的耐冲击性好反而成为优点。对于固定板、卸料板类零件，不但要有足够的强度，而且要求在工作过程中变形小。另外，还可以采用冷处理和深冷处理、真空处理和表面强化的方法提高模具零件的性能。对于凸、凹模工作条件较差的冷挤压模，应选取有足够硬度、强度、韧性、耐磨性等综合机械性能较好的模具钢，同时应具有一定的红硬性和热疲劳强度等。
冲压成形性能 第3篇
关键词：B柱加强板,热冲压成形,高强钢
1 前言
随着汽车用钢的强度越来越高,尤其是超高强度热成形钢板的使用,给汽车零部件的生产带来了极大的挑战[1,2,3,4,5]。相关研究表明,钢板强度超过1 200 MPa时,常规的冷冲压成形工艺几乎无法成形[6,7,8]。最早由瑞典开发的热成形工艺很好地解决了超高强度零件生产的问题,即在奥氏体化时完成零件的冲压成形,因此热成形工艺也得到了越来越多的应用[9,10,11]。目前,无镀层热成形钢主要由法国阿赛洛米塔尔、德国蒂森克虏伯及日本新日铁等国外钢厂垄断,使得原材料成本及对应的零部件成本较高。因此国内首钢拟开展无镀层热成形钢的开发研究,以满足汽车行业热成形零部件的应用要求,替代进口热成形钢,支撑国内汽车轻量化、安全碰撞要求的用钢需求,对节能减排及环境保护具有重要意义。
为了验证首钢热成形钢性能,选取某车型B柱加强板为研究对象(前期采用进口热成形钢材料)。通过分析首钢热成形钢的材料特征,并调节零部件冲压工艺参数,考察首钢材料所得的B柱加强板的基本性能、尺寸性能以及残余应力分布,以判定切换国产材料是否对工程化生产带来影响。
2 试验材料及试验方案
2.1 试验材料
本次试验所选试验材料为首钢新型热成形钢,材料成分详见表1。
2.2 试验方案
利用现有B柱加强板生产线,争取在不改变原设计状态或不改变磨具状态的情况下,调节工艺参数进行试制,共进行三轮试制工作。
2.2.1 第一轮试制
第一轮试制结果详见表2。
本次试制共出7台份产品与进口材料产品外形尺寸一致,见图1。主要存在问题为料片成形后无法正常退料,不能连续生产,料片报废原因在于工人下料导致加热时间过长,对成形后产品性能造成影响。
%
2.2.2 第二轮试制
第二轮试制采用的工艺参数与原设计参数相同,详见表3。
进行位置调整,将产品局部边线在原有基础上内缩2 mm,见图2。调整料片后,生产基本可以连贯,卡料现象没有发生,说明由于料片加热后的延展问题,造成生产过程中产品件与模具匹配过紧,导致生产不连续。
2.2.3 第三轮试制
第三轮试制采用的工艺参数与原设计参数相同,详见表4。
此次试制保证产品板料外形尺寸不变,调整磨具脱料块与磨具型腔间隙,见图3。调整间隙后,生产基本可以连贯,卡料现象没有发生。通过试验验证,在不改变板料落料边线的基础上,通过放大托料块间隙的办法,同样可以达到产品不卡料的目的,生产连贯。
3 试验结果及分析
3.1 零部件尺寸测试
将试制工艺合格的零部件擦拭干净放入检具中,依次插上定位销,再依次锁紧快夹进行检测,检具位置见图4,检测结果详见表5。检测结果表明,采用此种材料,按照上述工艺生产得到的零部件尺寸满足设计要求。
3.2 显微硬度
硬度是衡量热成形钢性能重要的指标之一,可反映钢的淬透性。零件不同位置的硬度值亦可表明其热处理后钢的淬火均匀性。现测试A样品(首钢材料产品)和B样品(进口材料产品)不同部位的硬度值。A-左和B-左分别为左侧零部件,A-右和B-右分别为右侧零部件。测试位置为从零部件顶部到底部依次选取10个部位代表。将样品制成10×10 mm的正方形小块,用无水乙醇、去离子水清洗后吹干待用。采用VICK⁃ERS 452SVD型维氏硬度计参照GB/T4340.1-2009标准进行测试,各部位测试值详见表6。
由测试结果可以看出,单个零部件不同部位硬度值差别较小,表明此种热处理工艺得到的零部件淬火均匀性较好。且首钢材料得到的零部件A与进口材料得到的零部件B淬火均匀性差别较小,可忽略不计。因此,从工艺淬火均匀性考虑,可用首钢材料代替进口材料。
3.3 拉伸试验
抗拉强度是衡量材料力学性能的重要指标之一。热成形工艺是把常温下强度为500~600 MPa的高强度合金钢加热到880~950℃,使之均匀奥氏体化,然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形,之后保压快速冷却淬火,使奥氏体转变为马氏体,成形件强度大幅提高,屈服强度可达1 000 MPa以上,抗拉强度可以达到1 500 MPa[12,13]。
分别测试了成形前的两种原板材料(首钢及进口材料)及成形后两种试样左右件的上中下3个部位的力学性能。拉伸试样标距为50 mm,采用UTM5105型电子万能拉伸试验机参照GB/T228.1-2010标准进行测试。试验数据见表7,表中序号1为原板材料,2、3、4代表左侧件上中下三个部位,5、6、7代表右侧件上中下三个部位。由表可知,热成形前原板,屈服强度仅为340 MPa,抗拉强度仅为470 MPa,而成形后产品的屈服强度均可达1 100 MPa,抗拉强度平均可以达到1 600 MPa,满足标准要求(Q/BQB409-2014)。此外,对比A、B两种产品屈服、抗拉及延伸率三组数据可以看出,A、B两者性能相差不大,可由A产品代替B产品,即国产热成形钢代替进口热成形钢。
mm
注:孔H3~H15测量销自由通过,满足设计要求。
3.4 显微组织
按照第三轮试制的试验参数得到的能够连续生产的热成形B柱,在B柱左右两边分别选取上、中、下三个点,加工成10×10 mm的正方形小块,丙酮超声清洗去除油渍,再用砂纸逐级打磨至2 000#,抛光至镜面,再用4%硝酸酒精侵蚀液侵蚀,最后用无水乙醇、去离子水清洗后吹干待用。使用ZEISS AX10型金相显微镜参照GB/T13298-1991标准进行测试,各部位金相组织照片详见图5。由图5可见,上、中、下三个位置的金相组织均为板条状马氏体,且分布均匀。说明零部件成形后从上到下组织均匀,均已从奥氏体相转变为马氏体相,提高钢的强度,从金相学上解释了热成形钢具有高强度的原因[14,15]。
3.5 脱碳层厚度
脱碳层厚度对零部件机械性能影响很大,脱碳可使零部件表面硬度和强度大大降低,严重影响零部件性能,需要对其进行测定,以确保零部件脱碳层深度在标准要求范围内(50μm),标准要求详见Q/BQB409-2014。通过调节温度、加热时间以及加热气氛来控制脱碳层深度。选取热成形后零部件左右两侧各两个点,加工成10×10 mm的正方形小块,丙酮超声清洗去除油渍,再用砂纸逐级打磨至2 000#,抛光至镜面,再用4%硝酸酒精侵蚀液侵蚀,最后用无水乙醇、去离子水清洗后吹干待用。使用ZEISS AX10型金相显微镜,参照GB/T224-2008标准进行脱碳层测试,测试结果详见图6。由图可见,测试区域的脱碳层厚度在20~40μm之间,标准要求脱碳层厚度应小于50μm。因此,按照第三轮试制工艺得到的零部件表面脱碳层厚度满足要求[16,17,18]。
3.6 残余应力测试
热成形后的零部件会在某些部位存在残余应力,残余应力使工件尺寸不稳定,严重时甚至可导致工件在受力的作用下变形产生断裂。因此,控制残余应力在一定范围内十分必要。
评价金属残余应力较为常用的方法为磁滞无损评估技术。表征材料磁滞行为的主要参数包括矫顽力(HC)、剩磁、最大磁导率、磁滞损耗等。其中,矫顽力(HC)值最为稳定,对材料应力变化也最敏感;因此可以通过测量矫顽力值来反映材料当前的应力状况,材料性能的降级正是由于应力的影响和微观损伤累积造成的;因此可以通过测量材料的磁滞参数来反映材料残余应力分布状况。
对热成形B柱进行残余应力分布测试采用CM-RS-04型磁滞无损评估仪。在B柱表面按照成形走向,在圆弧线及其两侧、边缘等处,均匀选取测量区域,共189个区域,每个区域测量3~5个点,计算其平均数做为矫顽力(HC)区域测量值,区域选取位置间图7。
检测结果表明,汽车热成形B柱整体应力分布均衡,最大矫顽力为43.7 A/cm,最小矫顽力为33.0 A/cm,最大矫顽力值区域数量较少,主要分布于个别圆弧过渡区(图8)。
4 结论
选取国内某车企B柱加强板为研究对象,研究采用国产热成形材料代替进口热成形材料用于制造B柱加强板的可行性。重点研究了B柱加强板的化学成分、力学性能、硬度、金相、脱碳层厚度、残余应力以及尺寸性能等,试验结论如下。
a.在不改变原设计工艺参数,采用首钢材料制得的热成形B柱加强板,其屈服强度可达1 100 MPa,抗拉强度平均可以达到1 600 MPa,断后延伸率下降到9%左右,满足设计要求。热成形后,零部件各项性能指标与进口材料制得的B柱加强板性能相近,可实现用国产材料代替进口材料的要求。
b.本研究得到的热成形B柱的显微组织全部为马氏体组织,且分布均匀;平均脱碳层厚度为20~40μm之间,满足标准要求。
涡轮/冲压组合发动机性能分析工具 第4篇
着眼于建立一套性能分析工具,可用于高超声速飞行器串联式涡轮/冲压组合动力装置总体方案的性能评估及设计约束条件分析.为了满足飞行器从起飞到飞行马赫数5宽广飞行包线内对动力装置性能的苛刻要求,所研究的组合发动机通过调整五个可调机构再加涡扇冲压燃油调节来实现变循环概念.该工具采用一维气动热力分析技术,使用了经试验验证的各部件特性,同时考虑了气体的变比热性质.通过采用面向对象的程序设计方法,该工具提供了一个性能仿真平台,可供涡扇工作模式,冲压工作模式,涡扇/冲压模式转换过程的热力循环分析,非设计点性能分析,控制规律研究等.借助于该工具,涡扇模式及冲压模式的`热力循环分析结果表明,回流裕度是涡扇模式循环参数选择中需要重点考虑的因素;高的冲压燃烧室出口温度有利于提高冲压发动机的循环性能.
作 者：陈敏 朱之丽 朱大明 张津 唐海龙 CHEN Min ZHU Zhi-li ZHU Da-ming ZHANG Jin TANG Hai-long 作者单位：北京航空航天大学,能源与动力工程学院,北京,100083刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：200627(5)分类号：V231关键词：高超声速 组合动力 性能仿真 涡扇发动机 冲压发动机 变循环 Combined cycle engine Hypersonic Turbofan Ramjet
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汽车覆盖件冲压成形及其仿真研究 第5篇
汽车覆盖件的质量要求
一般而言, 根据设计的要求, 汽车覆盖件冲压成形应满足如下的要求:
(1) 尺寸精度高汽车覆盖件必须有很高的尺寸精度, 以保证焊接或组装时的准确性、互换性, 便于实现车身焊接的自动化和无人化。
(2) 形状精度高特别是对于汽车的外覆盖件, 要求具有很高的形状精度, 必须与主模型相符合。
(3) 表面质量好外覆盖件 (尤其是轿车) 表面不允许有波纹、皱纹、凹痕、擦伤、压痕等缺陷, 棱线应清晰、平直, 曲线应圆滑、过渡均匀。
(4) 刚性好覆盖件在成形过程中, 板料应有足够的塑性变形, 以保证零件具有足够的刚性, 使汽车在行驶中受振动时, 不会产生较大的噪声, 减轻驾驶人员的疲劳, 更不能因振动而产生早期损坏甚至空洞。
(5) 良好的工艺性良好的工艺性是针对产品设计结构而言, 即在一定生产规模条件下, 能够比较容易的安排冲压工艺和冲压模具设计, 能够最经济、最安全、最稳定地获得高质量的产品。
汽车覆盖件的成形特点
汽车覆盖件毛坯的绝大部分变形在拉延工序中完成, 成形过程和成形后出现的产品缺陷也多与此工序设计不当有关, 故在覆盖件成形研究领域和实际的成形过程设计中, 核心的研究对象是拉延成形工序。汽车覆盖件的拉延过程与简单形状零件相比有许多不同的特点, 具体可总结如下:
(1) 多为一次拉延成形由于汽车覆盖件结构复杂、成形途径多种多样, 其变形规律难以定量把握, 以目前的技术水平还不能进行多次拉延工艺参数的确定;而且对外覆盖件来说, 多次拉延易形成的冲击线和弯曲痕迹线也会影响喷漆后的表面质量。因此, 汽车覆盖件拉延成形尽可能一次完成。
(2) 多为拉深、胀形的复合过程汽车覆盖件成形过程中毛坯变形并不是简单的拉深, 而多是拉深和胀形同时存在的复合成形。
(3) 成形过程中常伴有多处局部成形由于车身的美观性和功能性等特殊需要, 很多覆盖件整体轮廓内部带有局部形状特征, 这对成形控制技术提出更多更高的要求。
(4) 动态变化的变形路径毛坯在拉延过程中的运动是一个逐步贴模的过程, 其间使板料保持塑性变形的成形力不断发生变化, 即毛坯各部位的板面内部平面主应力方向与大小及主应力之比等不断变化, 内部毛坯材料主应变方向和大小及主应变之比等也随之不断改变, 故毛坯材料在拉延过程中的路径也不断变化。
汽车覆盖件冲压成形缺陷分析
由于影响冲压成形过程的因素很多, 往往不能精确地控制材料的流动, 导致冲压成形过程中会产生多种多样的缺陷, 影响零件的外观、几何精度、表面质量和力学性能。总结起来, 汽车覆盖件冲压成形的主要缺陷有起皱、破裂和回弹。
1. 起皱
起皱是压缩失稳在板料冲压成形中的主要表现形式。板料在冲压成形时, 为使金属产生塑性变形, 模具对板料施加外力, 在板内产生复杂应力状态。由于板厚尺寸与其他两个方向尺寸比较起来很小, 因此厚度方向是不稳定的。当板料的内应力使板厚方向达到失稳极限时, 板料不能维持稳定变形而产生失稳, 这种失稳形式称为压缩失稳。
起皱发生时, 皱纹的扩展方向与压力垂直, 但是不能认为所有的起皱都是因压应力引起的。在板料冲压成形过程中产生的起皱多种多样, 一般可以分为压缩力、剪切力、不均匀拉深力及板平面内弯曲力等四类, 如图1所示。
2. 破裂
破裂是拉深失稳在薄板冲压成形中的主要表现形式。在板料成形过程中, 随着变形的发展, 板料的承载面积不断减小, 其应变强化效应却不断增加。当应变强化效应的增加能够补偿承载面积缩减时, 变形稳定地进行下去;当两者恰好相等时, 变形处于临界状态;当应变强化效应的增加不能补偿承载面积缩减时, 即越过了临界状态, 板料的变形将首先发生在承载能力弱的位置, 继而发展成为细颈, 最终导致板料出现破裂现象。
3. 回弹
汽车覆盖件冲压成形过程含有大量的弯曲与反弯曲变形, 当成形结束时, 在毛坯体积内, 尤其是板料厚度方向上存在着残余应力。未脱模时, 这些残余应力与工具的接触力保持平衡关系。当工具被释放后, 拉延件将寻找新的应力平衡位置, 即局部应力的释放, 随之导致成形件的最终尺寸与预期尺寸之间存在一定的偏差, 产生回弹现象 (见图2) 。
传统的覆盖件冲压生产存在的问题
汽车覆盖件冲压是使用模具生产的, 传统的设计与制造模式都是人工设计绘制二维图形, 然后进行加工, 出现问题后由工人凭借经验修改模具, 修改后再进行试模。在整车开发过程中车身覆盖件及其模具的设计与制造周期占整车设计与制造过程的60%左右。据调查, 大型覆盖件模具的调试周期一般需要1~2个月, 试模费约占模具总费用的22.7%, 其中模具修正费占20.7%, 冲床使用费和材料费2.0%。当前的覆盖件冲压生产调试周期长、生产费用高, 导致覆盖件成形的生产效率低, 产品投放市场的周期长, 不利于新车型的研发。
汽车覆盖件冲压仿真的分析方法
随着计算机的应用和发展以及有限元方法的成熟, 近年来发展了板料成形仿真技术, 该技术在减少甚至取消试模过程、缩短产品开发周期、降低开发成本方面发挥了越来越重要的作用。在板料冲压成形有限元分析中, 当仿真结果出来后, 要对零件起皱、破裂、成形不充分等成形缺陷进行工艺性分析, 根据经验制定相关解决方案, 包括调整等效拉伸筋参数以及工艺补充, 再进行仿真分析。而板料成形性能的成形极限图是进行结果分析的主要手段。
1.成形极限图概述
2 0世纪6 0年代国外学者Keeler和Goodwin分别用实验方法建立了评价板料成形性能的成形极限图 (Forming Limit Diagram, 简称F L D) , 在F L D图 (见图3) 中, 以两向平面应变状态1和2为坐标, 包含一条由“拉-拉”和“拉-压”应力状态下的所有成形极限点构成对应材料的成形极限曲线 (Forming Limit Curve, 简称F L C) 。成形过程及成形后的板料各点平面应变如位于F L C以内, 表示该点变形状态安全, 反之, 若位于F L C以外, 则该点所处区域材料破裂或起皱 (与起皱极限对应的FLD也可称为Wrinkle Limit Diagram, 简称WLD) 。
2. 成形极限图的作用
成形极限图对板料冲压成形起者十分重要的指导性作用, 具体概括如下:
(1) 可以用来预测设计工艺规程的危险性。
(2) 可以看出成形过程中可控因素变动时对变形效果的影响, 进而有目的地进行调整, 使得成形过程得到优化。
(3) 可以对成形过程进行观察与监控。
3. 成形极限图的显示方法
目前大多数商业有限元分析软件都将成形极限图 (F L D图) 作为板料成形数值仿真分析的主要手段。采用成形极限图分析时, 需要预先建立板料的理论成形极限图, 然后将板料单元的应变状态与理论成形极限图对比, 进行云图显示, 通过与颜色条的对应关系可以直接观察到哪些单元位于破裂区域、起皱区域或危险区域。如果进入了破裂区域, 则可认为板料出现了破裂, 根据有限元模型上破裂单元的位置直接寻找到实际零件的破裂位置, 真正达到了有限元仿真分析的目的。
冲压成形仿真实例及分析
本例主要是应用成形极限图对冲压仿真结果进行分析, 如图4所示的是笔者对某型号汽车上的覆盖件进行冲压成形仿真后所得到的成形极限图。从图4中可以很直观地发现, 在一些红色的区域有破裂, 在边缘四周区域有起皱。破裂区域的单元或节点位于零件的上下两端的内壁, 以红色显示, 对应于成形极限图中黄色的成形极限曲线上破裂区的红点。在两条成形极限曲线之间的部分是过渡区, 位于该区域的单元和节点处的板料存在破裂的可能。绿色的部分表示的是正常的变形区域, 是安全的。蓝色的区域是拉压变形区, 属于安全的变形。起皱区域的单元或节点用粉红色表示, 在零件的边界和左边, 对应于成形极限图中左下方的起皱区内的点。
仿真研究表明该冲压件存在明显的破裂区域, 是不可以用于成形加工的, 必须通过修改工艺方案或工艺参数, 使所有的点都位于临界区域以下的安全区域内。
超高强度钢板冲压件热成形工艺 第6篇
热成形技术是近年来出现的一项专门用于生产汽车高强度钢板冲压件的先进制造技术。本文介绍了该技术的原理, 讨论了材料、工艺参数、模具等热成形工艺的主要影响因素, 完成了汽车典型件热成形工艺试验试制, 获得了合格的成形件。检测结果表明, 成形件的微观组织为理想的条状马氏体, 其抗拉强度、硬度等性能指标满足生产要求。
1 前言
在降低油耗、减少排放的诸多措施中, 减轻车重的效果最为明显, 车重减轻10%, 可节省燃油3%~7%, 因此塑料、铝合金、高强度钢板等替代材料在车辆制造中开始使用。其中, 高强度钢板可以通过减小板厚或者截面尺寸等方式减轻零件质量, 在实现车辆轻量化和提高安全性方面比其他材料有明显优势, 可以同时满足实现轻量化和提高安全性的要求, 因此其在汽车领域内的应用越来越广泛。
热成形技术是近年来出现的一项专门用于成形高强度钢板冲压件的新技术, 该项技术以板料在红热状态下冲压成形并同时在模具内被冷却淬火为特征, 可以成形强度高达1 500 MPa的冲压件, 广泛用于车门防撞梁、前后保险杠等保安件以及A柱、B柱、C柱、中通道等车体结构件的生产。由于具有减轻质量和提高安全性的双重优势, 目前, 这一技术在德国、美国等工业发达国家发展迅速, 并开发出商品化的高强钢热冲压件生产线, 高强钢热冲压件在车辆生产中应用也很广泛。国内汽车业对该项技术也十分认同, 并有少数几个单位从国外耗巨资引入了相关技术与生产线, 为一汽-大众等汽车制造公司的部分车型配套热冲压件, 关于该项技术的研究工作也已经开始。本文阐述了热冲压成形工艺原理, 对典型冲压件的热冲压成形工艺进行试验研究。
2 热冲压成形工艺原理
热成形工艺原理如图1。首先把常温下强度为500~600 MPa的高强度硼合金钢板加热到880~950℃, 使之均匀奥氏体化, 然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形, 之后保压快速冷却淬火, 使奥氏体转变成马氏体, 成形件因而得到强化硬化, 强度大幅度提高。比如经过模具内的冷却淬火, 冲压件强度可以达到1 500 MPa, 强度提高了250%以上, 因此该项技术又被称为“冲压硬化”技术。实际生产中, 热冲压工艺又分为两种, 即直接工艺和间接工艺。图1a所示的是直接工艺, 下料后, 直接把钢板加热然后冲压成形, 主要用于形状比较简单变形程度不大的工件。对于一些形状复杂的或者拉深深度较大的工件, 则需要采用间接工艺, 先把下好料的钢板预变形, 然后再加热实施热冲压, 如图1b。可用高强钢制造的车体构件如图2。
与传统冷冲压工艺相比, 该工艺有如下诸多优点。
(1) 成形后零件强度等性能指标大幅度提高。
(2) 高温下材料塑性好, 成形能力强, 可成形冷冲压无法成形的复杂零件, 也可将冷冲压需要多道工序、多套模具成形的零件一次成形, 还可将几个冷冲压件合成一个件一次成形 (比如运用热冲压工艺可以把Honda越野车油箱防护罩的5个件整合成3个件, 减少零件数量40%) , 因此需要模具数量少, 成本低, 周期短。
(3) 高温下成形没有回弹, 完全消除了回弹对零件形状的影响, 实现高精度成形, 这是常规冷冲压成形所无法比拟的, 如图3。
(4) 高温下材料变形阻力小, 成形力小, 所需压力机吨位小, 温热成形压机吨位一般在800 t以内, 冷成形压机在2 500 t以上, 因此可以大幅削减设备投资, 减少能耗。
3 热冲压成形工艺的主要影响因素
3.1 材料
热冲压成形工艺中采用的是一种特殊的具有自硬性的硼合金高强度钢板。和现在的双相钢 (DP) 、相变诱导塑性钢 (TRIP) 、复相钢 (CP) 、马氏体钢 (Mart) 等汽车高强度钢板不同, 这些钢板常温下强度就很高, 并且通常都采用冷冲压工艺制造零部件, 成形前后零件的微观组织没有变化, 强度等指标基本上保持不变。而热成形工艺中使用的硼合金钢板是一种低碳微合金钢, 添加了一定量的B元素, 提高了钢板的淬火性能, 成形后发生相变, 强度等指标成倍提高。另外, 还添加了Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等多种合金微量元素, 因而提高了材料的屈服强度以及其他力学性能, 材料力学性能也很稳定。表1是典型的热冲压成形钢板22Mn B5的主要成分, 这种钢板常温下的强度不很高, 抗拉强度仅有500~700 MPa, 塑性、可成形性等性能也很好, 而通过热成形工艺的加热、成形、冷却后, 成形件被淬火, 微观组织转变成马氏体, 强度、硬度等指标大幅度提高, 屈服强度可以达到1 000 MPa以上, 抗拉强度达到1 500 MPa, 硬度可以达到50 HRC。但是塑性指标明显下降, 比如成形前这种高强度硼合金钢板的伸长率一般在24%以上, 而成形后零件的伸长率只有8%左右。
3.2 工艺参数
热冲压成形技术是一项完全不同于传统冷冲压成形的板料成形新技术, 工艺参数纵多, 工艺过程复杂, 包括加热、成形和冷却等多个关键技术环节。为了实现奥氏体向马氏体的转变, 确保产品的力学性能, 不同环节的工艺参数的选择是至关重要的。
加热阶段的主要工艺参数是加热温度和保温时间。加热温度应该保持在再结晶温度以上, 以确保板料奥氏体化, 但是加热温度不能过高, 否则会导致板料表面过烧和晶粒长大, 影响淬火后的零件质量和性能。保温时间影响奥氏体化的均匀性, 板料加热到指定温度后应该保温一段时间, 以促进奥氏体化进程, 但是保温时间不能过长, 否则也会导致晶粒长大, 恶化零件力学性能, 另外还增加了生产周期, 降低生产效率。
在成形阶段, 板料须在奥氏体状态下冲压成形, 需要采用较高成形速度, 使工件瞬间内被快速成形, 以避免因成形速度过慢而带来的过多热量损失以及过快的温度下降。因此, 热冲压工艺中要采用能够实现高速成形较快的液压机。
在冷却阶段, 成形件被模具表面冷却淬火, 发生相变, 使奥氏体转变成马氏体, 实现强化。但是这种相变与冷却速度有关, 只有在冷却速度超过某一临界数值后, 才能使奥氏体转变成马氏体, 否则冷却速度过低成形件中将会出现贝氏体等其他组织, 影响成形件的强度提高。研究表明, 热冲压工艺中, 实现奥氏体向马氏体转变的最小冷却速度 (或者称为临界冷却速度) 为27℃/s。因此热冲压工艺中为了确保奥氏体向马氏体的转变, 模具对成形件的冷却速度必须大于这个值, 为此要提高冷却介质的循环压力和循环速度, 及时带走模具表面的热量, 也使成形件各处冷却效果保持相同, 使热应力分布均匀, 同时要使冷却介质保持在一定的温度范围内。但是并非冷却速度越高越好, 过高的冷却速度将导致成形件的开裂。
3.3 热冲压模具
冷冲压模具仅用于零件的成形, 而热冲压模具不但用于成形, 还要用于给零件冷却淬火, 因此其模具更加复杂, 对模具材料选择、模具设计等方面提出了更加严格的要求。
在模具材料选择方面, 热冲压模具材料首先要有良好热传导系数, 确保钢板与模具表面之间的快速传热, 实现良好的冷却功能。模具材料还要具备良好的热强度、热硬度、高的耐磨性和热疲劳性, 保证在成形高温板料时, 模具尺寸精度稳定, 表面硬度良好, 能够承受坚硬氧化皮及强烈热摩擦带来的磨损, 能够在剧烈的冷热交变作用下具有良好的使用寿命。另外模具材料还需具有良好的耐锈蚀性, 保证模具内部冷却管道不被冷却介质锈蚀堵塞, 因此国外一些热冲压模具材料中都有较高含量的Ni和Cr。在模具材料选择时, 一般要根据具体工作情况, 参照热锻用热作模具钢进行选择。
在模具凸凹模设计方面, 不能照搬冷冲压模具的设计方法, 首先热冲压工艺中回弹很小, 几乎无须考虑回弹对零件形状的影响, 另外还需考虑热胀冷缩对零件最终尺寸和形状的影响, 并以此为基础设计凸、凹模的关键尺寸。
在冷却机构设计方面, 冷却系统必须保证模具对零件的快速、均匀冷却, 冷却管的总体布局、形状、直径、冷却管与模具工作表面、非工作表面以及冷却管之间的距离、冷却系统密封等都是冷却机构设计的关键所在, 也是热冲压模具设计的最重要技术之一。设计冷却管道系统时, 可以结合数值模拟技术对各管道内的冷却介质的流动情况进行模拟分析, 使各管道都具有相同的冷却效率, 保证冷却的均匀性。
另外, 由于热成形工艺还在其他诸多方面与传统冷冲压工艺存在较大的区别, 比如在成形件的设计方法以及工艺调试方法等方面, 热成形工艺都有其独特的一面, 这些都会对热成形过程以及成形件的质量有很大影响, 所以实践中直接沿用冷冲压工艺中的方法和手段不一定能处理好热成形的相关问题, 而是需要认真分析总结, 不断通过试验等手段开发探讨更适合于热成形的技术方法和措施。
4 热成形试验及结果
冲压成形性能 第7篇
Dynaform软件是美国ETA公司与LSTC公司合作开发的针对板料成形数值模拟的专业化软件,该软件能模拟拉延、多步冲压、压边、弯曲、回弹、液压成形,进行模具设计等,可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间及试模周期。
一、方形盒冲压成形工艺
方形盒可以看做由直边及圆角部分组成,拉深变形时,圆角部分近似圆筒形件的拉深,直边部分近似板料弯曲,但方形盒的圆角及直边是联系在一起的整体,因而变形时必然又相互的作用及影响。在拉深时,圆角部分的材料向直边部分流动,使直边部分材料受压,横向间距缩小,愈靠角部缩小愈多;纵向间距增大,愈靠转角处增加愈大。同时,圆角部分的材料也向直边部分流动,因而直边部分也增加了横向压缩、纵向伸长的变形,又由于直边区存在金属的流动,使得圆角部分的变形程度大为减小。设计流程如图1所示。
二、方形盒冲压成形仿真
1. 模型导入。
在Pro/E中建立凹模及板料模型,凹模尺寸102.2mm×102.2mm,凹模圆角尺寸10mm,保存成.igs格式,再导入Dynaform软件中生成模型。
2. 网格划分。
在Preprocess模块中的Element/Surface Mesh对话框中对坯料和凹模分别设置Max.Size为1.750 0和5.00,并选择Surface为Displayed Surf,其他保持默认完成网格划分。划分好网格后用Preprocess/Model Check/Repair命令对网格进行检查,主要检查模面是否完整,是否有重叠、漏洞,网格的法线方向是否一致,并修复有缺陷的单元。
3. 模型生成。
利用Dynaform中的Quick Setup/Draw Die快速建立模型。选择单动(Single action),下模采用(UpperTool Available)拉延类型;在Material/Material Library中选择坯料为DQSK37,Thickness数值为1.00;再依次定义坯料(Blank)、压边圈(Binder)、凹模(Die)、拉深筋(Draw Bead),设置材料及工具运动的相关参数。图2为完成快速设置后的模型,最后提交LS-DYNA进行求解计算。
4. 仿真结果。
在Dynaform的Post Process中,以云图、等值线等形式显示数值模拟结果。在FLD成形极限图用7种颜色来区分7个不同的安全或失效区域,其中圆角处黄色为破裂危险点,蓝色表示有起皱趋势,粉色处为已起皱,洋红为已严重起皱。
经过修改压边力、凸模行程、凸模圆角半径等工艺参数,进行大量的反复模拟试验,得到当压边力大小在180k N~250k N,凸模圆角半径在12mm左右,拉深行程为25mm时对低碳钢进行拉深时仿真结果可靠,如图3所示。
三、结论
1. 利用Pro/E软件进行CAD建模,并导入Dynaform中生成冲压成形过程中所需的凸凹模、板料和压边圈等模型,经过相关设置完成了该方形盒的冲压成形仿真。
容器封头冷冲压成形新型润滑工艺 第8篇
关键词：低密度聚乙烯 (LDPE) 薄膜,冷冲压,封头,润滑
0前言
工业和民用产品制造的中、低压容器和常压容器是由封头、筒体、接管、法兰主要受压元件组成。容器封头直径一般在ϕ108~ϕ1 000 mm, 厚度为2~12 mm, 材质为碳钢和不锈钢。冲压封头是容器制造的主要工序, 一般采用冷冲压, 冷冲压时要用润滑剂来减少封头坯料与模具间的摩擦力。传统工艺润滑剂一般采用油性矿物质油或植物油, 而这些油剂会直接粘附在成形封头的内外表面上, 并且很难清除干净;油剂清除不干净直接影响容器制造过程焊缝的焊接质量, 使焊缝产生气孔、裂纹等缺陷, 造成焊缝返修, 降低焊缝的探伤合格率, 从而增加产品制造成本。只有彻底干净地清除封头表面油污, 才能保证容器封头与筒体环焊缝的焊接质量, 提高X射线探伤合格率及生产效率, 降低生产成本[1,2,3]。
1 封头传统冷冲压成形工艺
封头传统冷冲压工艺:先在封头圆形钢板坯料与模具接触的正、反面涂上润滑油, 放到液压机封头模具上, 冲压成封头 (图1) 。用润滑油涂在钢板坯料面上的目的是减少钢板坯料冲压过程中与模具间的摩擦力, 避免因摩擦力过大使封头表面拉伤导致封头报废。但这种润滑方法在封头冷冲压过程中, 由于钢板拉伸减薄而使表面粗糙度增大, 润滑油会渗入钢板表面;使成形后封头内外表面的润滑油无法彻底清除, 导致封头与筒体组对焊接时, 润滑油受热燃烧产生大量浓烟, 并且由于焊缝附近油污清理不干净, 使焊缝容易产生气孔和裂纹等缺陷, 焊缝X射线探伤合格率低, 造成焊缝返修率高, 从而增加产品的生产成本和生产周期。
为解决冷冲压封头表面油污, 采用了很多清洗方法, 但效果不理想。后经分析, 采用压缩空气喷砂方法, 油污去除效果好, 封头与容器筒体组对成环焊缝焊接后, X射线拍片探伤合格率得到明显提高, 但该喷砂清除油污方法生产成本高, 生产效率低, 工人的劳动强度高, 工作环境比较恶劣。所以, 要提高生产效益, 确保封头与筒体组对焊缝焊接质量, 降低工人的劳动强度, 改善工人的工作环境, 就要找到一种新型的润滑材料, 为实现这一目标而做了一系列的探索和研究。
2 封头冷冲压成形新型润滑工艺
2.1 新型润滑工艺原理及效果
经过一段时间试验, 参阅了大量有关润滑技术的资料, 得知低密度聚乙烯 (LDPE) 薄膜受热大于320℃发生热分解, 并在缺氧高温高压的条件下产生碳化物[4]。根据LDPE塑料薄膜的这一特性, 结合封头成形时钢板与模具摩擦瞬间产生高温现象, 决定利用LDPE塑料薄膜作为封头冷冲压润滑剂, 并进行了多次试验, 结果发现封头冲压过程中液压机压力约减小30%, 封头成形后外观平滑、干燥, 没有出现表面拉伤等缺陷, 只是在封头外表面直边部位粘有一层极薄的黑色碳化物, 这些黑色碳化物用布轻轻一擦或在采用火焰切割封头直边余量时很容易被清除, 免去封头成形后清洗、喷砂油污等工序。
2.2 封头冷冲压LDPE薄膜润滑工艺
(1) LDPE薄膜材料选择
选择新切片制成的LDPE薄膜, 不能用再生塑料薄膜产品;LDPE薄膜厚度为0.025 mm。
(2) LDPE薄膜材料润滑的冷冲压封头成形工艺
将LDPE薄膜裁剪至圆形封头钢板坯料大小, 把剪好的LDPE薄膜放在封头凹模上, 封头钢板坯料放在LDPE薄膜上面, 再在封头钢板坯料面上放一块LDPE薄膜, LDPE薄膜面放上压边环模具, 用螺栓把圆形封头钢板坯料夹紧在压边环与封头凹模钢环之间, 此时把安装在油压机油缸上的封头凸模向下冲压, 封头圆形钢板坯料向下拉伸成形, 油压机油缸返程向上升, 封头退出模具便冲压成一个椭圆形封头 (见附图2) 。
(3) LDPE薄膜材料在冷冲压过程中润滑分析
冲压前, 由于PELD薄膜是一种塑料薄膜, 具有柔软性;当封头凸模向下冲压时, LDPE薄膜夹在封头坯料与上、下封头模具之间, 由于上、下封头模具与封头坯料接触间隙极小, 因此接触面此时是处于缺氧状态, 在封头坯料继续向下拉伸时, 由于接触面相互摩擦, 在封头表面与上、下封头模具瞬间产生高温高压, 使LDPE塑料薄膜产生缺氧分解, 并出现不完全碳化, 生成一种碳化物粘在封头坯料与封头上、下模具之间起到润滑剂作用, 这种碳化物润滑剂能有效地减小摩擦系数和摩擦力, 使封头顺利下滑成形。而这些碳化物自身还有一点极小的拉力, 说明LDPE薄膜还末完全碳化, 它与封头外表平面粘附力不强, 容易被清除。
(4) 冷冲压封头检验
用LDPE薄膜作润滑的冷冲压封头成形美观, 封头顶圆半径、过渡半径及封头直边完全符合GB150-2011《压力容器》制造标准的要求, 且封头内外表面只用布轻轻一擦, 像新钢板一样清洁、干净, 完全符合压力容器焊接要求, 使用这种封头制造容器焊接时, 不产生油烟, 焊缝美观, X射线探伤合格率达98%以上。
3 成本核算
采用LDPE薄膜作为封头冷冲压过程润滑材料, 与传统采用矿物质油或植物油润滑相比较, 封头与筒体环焊缝X射线探伤合格率提高了25%, 节约清洗或喷砂油污成本。以笔者所在公司每年制造压力容器2万台计, 每年用封头40 000个。节约清洗或喷砂油污人工 (封头40 000个×1.5=60 000元) , 节约X射线胶片和拍片人工 (胶片5 000张×7=35 000元) , 节约焊缝返修人工费和焊条费 (返修5 000处×10=50 000元) , 由于液压机压力减小30%, 减少了液压机的维修费用, 每年约节省15万元生产费用;并且缩短了产品的生产周期, 提高产品质量, 为公司创造良好的经济效益和社会效益。
4 结束语
创新地采用LDPE薄膜作为封头冷冲压成形润滑材料, 工艺操作简单, 原材料易购, 成本低, 封头成形后内外表面没粘附着任何油污, 没有拉伤、皱折等缺陷, 产品外形美观。封头与筒体组对焊接的焊缝, X射线探伤合格率高达98%以上, 制造的压力容器产品经当地特种设备检测研究院检验合格率为100%, 降低生产成本, 缩短生产周期, 提高产品质量, 进一步提高企业的经济效益和市场竞争力。
参考文献
[1]压力容器[S].GB150-2011.
[2]承压设备无损检测[S].JB/T4730-2005.
[3]压力容器焊接规程[S].NB/T47015-2011.
板料冲压成形仿真技术的应用研究 第9篇
目前, 采用柔性工艺生产轻量化产品是制造业发展的一个总趋势, 为了顺应这一趋势, 必须生产出质量更轻、精度更高的金属板料[1]。在生产金属板料的过程中, 板料冲压成形仿真技术的运用, 符合了制造业发展的趋势, 能够缩短产品开发的周期及减低开发成本, 是一种值得推广应用的技术。本文分析了板料冲压成形仿真技术的应用现状以及应用前景, 旨在完善板料制造技术和冲压成形工艺, 提高仿真技术的应用水平, 为相关的作业人员及研究人员提供有价值的参考。
1 板料冲压成形技术分析及其仿真技术产生的背景
冲压成形是一种塑性变形加工工艺, 在冲压成形过程中, 金属板料容易出现破裂、起皱及回弹现象, 这对板料的实际使用极为不利。此外, 在冲压成形过程中, 难以预知模具与金属板料发生接触时的接触力、接触面积等相关参数, 一般时间不同时, 参数也将不相同, 这就加大了预估板料成形情况的难度, 在设计模具时也难以统一标准。在运用该技术时, 设计和制造模具的工作难以做到一次性成功, 只能在反复实践中对模具加以改进, 但是在不断修改的过程中, 可能导致原来的模具不再具有使用价值, 这不仅延长了产品的开发周期, 还增加了设计和制造模具的成本[2]。不过, 采用板料冲压成形仿真技术能够很好地解决以上难题。在冲压成形仿真技术中, 采用计算机模拟冲压成形过程, 能够有效进行试模, 并且可以多次修改模具设计以及冲压成形的工艺。同时, 在仿真循环过程中, 可以找出冲压成形和模具设计中存在的缺陷, 从而通过仿真实验对冲压技术进行完善。运用仿真技术可以减少物理式试模次数, 避免在物理试模中出现模具损坏的现象, 减少修模的次数。因此, 将仿真技术应用于冲压成形技术中, 能够为企业带来巨大的经济效益, 提升其竞争实力。
2 板料冲压成形仿真技术的应用分析
2.1 应用概况
目前, 在国外板料成形方面的仿真软件已经变得相对完善, 通过这些仿真软件能够有效模拟多种板料成形的工艺, 如液压胀形、切边、拉深以及工位成形等。同时, 这类软件还能够完善模面设计、快速排样以及快速估算坯料。因此, 在成形模具的设计和金属材料的选型方面, 该技术得到了广泛运用。目前, 板料冲压成形方面的仿真软件主要为DYNAFORM, 该仿真软件由2部分组成, 即求解器和后处理器, 其中求解器可以较好地模拟动力冲击, 如高速爆炸、高速碰撞等, 确保模拟结果的可靠性[3]。此外, 该仿真软件应用的网格技术为自适应技术, 坯料在初始状态时, 网格较粗, 在冲压成形中, 网格逐渐变细, 因此模拟的精确度大幅度提高, 同时也较好地解决了计算效率与分析精度之间存在的矛盾, 平衡了精度要求和时间要求。
2.2 板料冲压成形仿真技术的应用实例分析
在冲压成形过程中, 应用仿真技术能够显著提高生产效率, 下面笔者以DYNAFORM仿真软件为例, 举例说明板料冲压成形仿真技术的应用方法。
应用实例1:采用冲压成形工艺制造的金属零件被广泛用于家电产品中, 此类金属零件的特点是材料流动性不强、形状简单、拉伸程度不大。由于在塑性变形工序中, 回弹控制程度难以控制, 因此, 这类零件常出现变形不充分的问题。在分析某一零件的冲压成形结果时, 发现并未发生明显起皱现象, 但是在小凸台处出现变薄现象, 变薄量约为20%, 这对成形质量的影响不大。但是, 通过进一步的隐式分析, 可以发现零件回弹变形的程度较大, 导致冲压成形质量存在较大的问题, 影响了零件的正常使用。因此, 应用仿真软件对设计模具的方法进行修改, 将能够提高成形后的板料质量。
应用实例2:采用DYNAFORM软件建立了某汽车翼子板的仿真冲压成形模型, 可以发现模型的组成部分包括下模面、上模面、压边圈以及坯料面, 同时软件采用网格对这些部分进行了划分, 并定义了加载曲线、速度曲线以及特性参数等。在参数定义后, 便可以计算出成形参数, 随后DYNAFORM软件以极限图的方式给出分析结果。在极限图中, 可以清楚地显示起皱现象。此外, DYNAFORM还可以得出板厚变化的趋势图, 在该翼子板冲压成形的分析图中, 总变薄量低于5%, 最大变薄量为25%。通过分析发现, 冲压误差不会对成形质量造成影响, 且该成形工艺及模具设计方法可以在板料制造中使用。如果采用仿真软件进行分析后, 发现成形状况不符合标准, 则可以通过仿真软件找出问题, 并对模具进行修改, 然后再重新评估和计算。
3 板料冲压成形仿真技术的应用前景分析
3.1 计算效率需要变得更高
目前, 仿真软件已经得到了不断的完善。在计算冲压成形方面的数值时, 仿真软件能够同时处理接触问题和非线性问题等, 尤其是能够准确分析收敛问题和回弹问题, 并且能够计算高难度的参数及大量的数据。当前, 需要做好的工作是提高仿真软件在计算冲压成形参数时的精确性, 以促进该技术的普及。而为了提高仿真技术的运算效率和运算精度, 需要探索更符合实际的算法, 同时还要注意发展有限元技术。另外, 还应注意引进国外先进的仿真技术, 根据板料冲压工艺的实际发展情况, 对国外的仿真技术进行改进,
使仿真软件的实用价值不断加强。
3.2 计算结果与实际试模结果需要变得更接近
在仿真技术中, 判断板料破裂、起皱及其他性能参数所需的分析数据, 均由仿真试验中获得, 这些数据是否具有准确性和真实性, 将对仿真分析结果造成很大的影响, 特别是在分析一些新型板料时, 其分析结果的可靠性及精度都会受到试验数据的影响。因此, 为了使仿真技术在板料冲压成形工艺中得到更好的运用, 应该强化研究相关实验理论以及基础工艺的理论, 使仿真软件可以获得更为详尽丰富的、准确的素材库, 从而使计算结果与实际试模结果更接近。另外, 零件在冲压成形后, 容易发生回弹现象, 一旦出现回弹现象, 不仅会对板料制造的最终精度造成影响, 同时还会影响到冲压成形后的形状。因此, 为了使分析结果与实际试模结果更接近, 还应重视回弹问题的仿真设计与研究, 并采取相应的技术来补偿回弹后的模面形状, 提高仿真软件的计算精度和补偿能力。
4 结语
综上所述, 板料冲压成形仿真技术, 是一种较为先进的技术, 在制造板料的过程中运用该技术能够有效提高生产效率。仿真技术是一种基于计算机技术的应用, 随着计算机软件技术的不断完善而变得更完善。因此为了使冲压成形仿真技术得到更为广泛的应用, 应该设计好软件系统, 并根据实际冲压成形的相关经验, 对仿真技术的分析系统进行完善, 以提高该技术分析的精确性及效率, 从而提高板料冲压成形的质量。
摘要：板料冲压成形中使用的仿真技术, 是一种较为先进的技术, 运用该技术能有效地提高板料生产的效率。主要介绍了板料冲压成形技术的作用以及板料冲压成形仿真技术产生的背景, 简要探讨了板料冲压成形仿真技术的应用概况及实例, 并分析了其应用前景, 为相关的作业人员及研究人员提供有价值的参考。
关键词：板料,仿真技术,冲压成形,应用
参考文献
[1]李强, 张波, 徐济声, 等.冲压成形仿真和传统冲压工艺经验在某汽车零件中的应用[J].锻压装备与制造技术, 2009 (2)
[2]厉呈臣, 潘晓辉, 韩秀清.板料冲压成形的弹塑性有限元仿真分析方法[J].长春工业大学学报:自然科学版, 2007 (4)