趙仕宇

(寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建 福安 355000)

TRIP600高強(qiáng)度鋼板成形U型件回彈控制研究

趙仕宇

(寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建 福安 355000)

針對高強(qiáng)度鋼板沖壓成形過程中普遍存在的精度問題，以U型件為研究對象，在分析TRIP600高強(qiáng)度鋼板材料性能的基礎(chǔ)上，分別研究了U型件成形時壓邊力和拉深筋的工作圓角半徑對回彈的影響。結(jié)果表明，TRIP600高強(qiáng)度鋼板在成形U型件時，回彈隨著壓邊力的增加而發(fā)生有限減??；拉深筋工作圓角半徑越大，回彈值越大。

高強(qiáng)度鋼板；沖壓成形；回彈；拉深筋

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車進(jìn)入了千家萬戶，由汽車帶來的能源消耗、安全性等問題，已成為了亟待解決的社會問題。高強(qiáng)度鋼板具有較高的比強(qiáng)度，能有效地兼顧減輕車身重量，降低燃料消耗以及提高汽車安全性能等多方面的要求，因此受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，也對其展開了深入研究[1～3]。高強(qiáng)度鋼板分為傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼板（HSS）和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）。目前國內(nèi)傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼板的品種和質(zhì)量與國外差距不大[4]。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板中雙相（DP）鋼板、相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼板由于具有優(yōu)良的綜合特性，成為了目前研究關(guān)注的熱點。相比DP鋼板，TRIP鋼板開發(fā)時間較短，在研制、開發(fā)和應(yīng)用等方面明顯落后，但TRIP鋼板具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，良好的塑性和成形性能，是為滿足汽車工業(yè)對高強(qiáng)度、高塑性新型鋼板需求而開發(fā)的鋼材新品種[5～6]，因此，有必要對其進(jìn)行深入研究。

汽車零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，變形不易控制，特別是成形過程中由回彈引起的成形精度問題極為突出。目前的理論研究與實踐中，還難以對回彈進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，如何有效地控制高強(qiáng)度鋼板的回彈是業(yè)界關(guān)注的問題。本文在分析TRIP高強(qiáng)度鋼板成形特性的基礎(chǔ)上，以類U型件為研究對象，研究成形過程中壓邊力、拉深筋對回彈的影響。

1 TRIP600鋼板性能及模擬模型建立

1.1 TRIP鋼板性能

TRIP高強(qiáng)度鋼板多用于需高強(qiáng)度、高抗碰撞吸收能且成形要求較為嚴(yán)格的汽車零件，其微觀組織主要由鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體三相組織組成（圖1所示），其中殘余奧體的含量在5%～15%，強(qiáng)度范圍是600MPa～800MPa[1]。TRIP鋼中殘存奧氏體應(yīng)變誘發(fā)使TRIP鋼中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而具有高的延伸率，同時相變引起的體積膨脹伴隨著局部加工硬化指數(shù)增加，使得變形很難集中在局部區(qū)域。總之，TRIP鋼板具有高強(qiáng)度、高塑性的同時還具備極佳的抗疲勞性能[7]；具有優(yōu)良的拉深翻邊性能和彎曲性能[8]；具有良好的成形性和焊接性[9]。本文研究所采用的材料為寶鋼生產(chǎn)的TRIP600鋼板，厚度1.2mm，其成形極限圖如圖2所示，材料的性能參數(shù)見表1。

圖1 TRIP鋼微觀組織

圖2 TRIP600成形限圖

表1 TRIP600高強(qiáng)度鋼板材料參數(shù)[3]

1.2 U型件有限元模型的建立

在Dynaform板料成形有限元數(shù)值模擬軟件中建立模型，U型件截面幾何尺寸如圖3（a）所示，零件數(shù)值模擬模型如圖3（b）所示，坯料尺寸為240mm×70mm×1.2mm。采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)對其進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小為2mm；材料模型選用針對薄板金屬成形分析而提出的，既考慮材料厚向異性對屈服面的影響，又考慮材料平面內(nèi)的各向異性對屈服面影響的3參數(shù)Barlat模型；單元類型選擇Belytschko-Tsay殼單元，厚向積分點個數(shù)為7。其他主要工藝參數(shù)為：摩擦系數(shù)取0.125，模具間隙1.32mm，沖壓速度 5 000mm·s-1，壓邊力取 48 000 N。

圖3 零件截面尺寸和數(shù)值模擬模具模型圖

2 回彈影響因素分析

回彈是影響高強(qiáng)度鋼板成形質(zhì)量精度的主要問題，也是板料成形研究的焦點?；貜椏刂品椒ㄓ?種[10]，第一種是工藝控制法，即通過工藝優(yōu)化手段，使板料發(fā)生充分的塑性變形抑制回彈；第二種是模型補(bǔ)償法，通過在特定工藝條件下，預(yù)測回彈量的大小，然后修正模具形狀，使回彈后的形狀恰好符合設(shè)計要求；第三種是過程控制法，通過控制沖壓成形的壓邊力、模具溫度等手段減小回彈，這種方法效率較低，在工業(yè)上很少應(yīng)用。本文選擇第一種方法進(jìn)行研究。

在汽車覆蓋件成形中廣泛采用設(shè)置拉深筋來提高成形質(zhì)量，它是調(diào)節(jié)和控制壓料面作用力的一種最有效和實用的方法，在成形中主要起增大進(jìn)料阻力，調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力分布，降低對壓料面加工工藝要求等作用。拉深筋類型主要有半圓形筋、矩形筋、三角形筋和拉延檻等，根據(jù)零件成形情況，本文選擇生產(chǎn)中常用的半圓形拉深筋進(jìn)行研究，并在有限元軟件中建立相應(yīng)的真實拉深筋模型。

2.1 壓邊力對回彈的影響

零件的壓邊面積為10 640 mm2，TRIP600高強(qiáng)度鋼板的單位壓邊力取值范圍是3～4.5MPa[11]，即零件的壓邊力為31 920～47 880 N，分別取32 000 N、40 000 N、48 000 N進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)束后的回彈值分別為4.62mm、4.159mm、4mm，回彈值隨著壓邊力的增加而減小，但減小趨勢變緩，因此，通過增加壓邊力可以減小回彈，但改變量有限。

圖4 壓邊力對回彈的影響

2.2 拉深筋工作圓角半徑R對回彈的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，拉深筋工作圓角半徑取3t～5t較為合適（t為板料厚度），因此，令R分別為3 mm、4mm、5mm、6mm進(jìn)行分析。其模擬結(jié)束后的成形極限圖如圖5所示，成形厚薄分布圖如圖6所示，回彈值如圖7所示。

圖5 成形極限圖

圖6 變薄率分布圖

圖7 回彈值分布圖

從圖5可知，當(dāng)R=3mm時，零件上部分節(jié)點的應(yīng)變值超過了破裂成形極限線，零件出現(xiàn)破裂，因此未進(jìn)一步分析其減薄率和回彈值。當(dāng)R=4、5、6mm時，零件沒有出現(xiàn)破裂和破裂趨勢，但是零件上各節(jié)的最大應(yīng)變值離破裂成形極限線的距離有差異。R=5mm時零件各節(jié)點的最大應(yīng)變值點離破裂成形極限線的距離較大，且零件與壓料面接觸區(qū)域除有部分出現(xiàn)拉伸不足現(xiàn)象外，零件沒出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，成形質(zhì)量較好。R=4mm，6mm時，零件各節(jié)點的最大應(yīng)變值點離破裂成形極限線的距離較小，且零件與壓料面接觸區(qū)域除有部分出現(xiàn)拉伸不足現(xiàn)象外，零件還出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，零件成形質(zhì)量呈先變好后變差的趨勢。

圖6為R=4、5、6mm的變薄率分布圖。當(dāng)R=4mm時，零件的最大減薄率為21.774%；當(dāng)R=5mm時，零件的最大減薄率為19.319%；當(dāng)R=6mm時零件的最大減薄率為22.48%，零件的減薄率呈現(xiàn)先減小后增加現(xiàn)象。這是由于板料流經(jīng)拉深筋時會產(chǎn)生彎曲、回復(fù)、彎曲的反復(fù)變形，隨著拉深筋工作圓角半徑增加，拉深筋的金屬流動阻力減小，且隨著拉深筋高度的增大，拉深筋阻力也有增大的趨勢，在兩者相互作用下，使得板料經(jīng)過拉深筋時金屬的流動阻力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

圖7為拉深筋工作圓角半徑R=4、5、6mm的回彈值分布圖。當(dāng)R=4mm時，零件的最大回彈值為1.599mm；當(dāng)R=5mm時，零件的最大回彈值為2.058mm；當(dāng)R=6mm時，零件的最大回彈值為2.803mm。拉深筋的工作圓角半徑越小時，坯料通過拉深筋時產(chǎn)生的塑性變形越多，零件成形后的回彈值越小，成形精度越高，成形后零件的回彈值呈線性增加趨勢。

從圖5～圖7的分析結(jié)果可知：拉深筋工作圓角半徑較大時坯料經(jīng)過拉深筋時產(chǎn)生的塑性變形較少，回彈值較大；拉深筋工作圓角半徑較小時，坯料塑性變形較大，零件易出現(xiàn)破裂及破裂趨勢，且零件的變薄率呈先變小再變大趨勢。因此，高強(qiáng)度鋼板沖壓成形采用半圓形拉深筋控制回彈，應(yīng)綜合考慮零件的沖壓成形質(zhì)量選擇合適的拉深筋工作圓角半徑。

3 結(jié)束語

本文基于有限元數(shù)值模擬方法，研究了TRIP高強(qiáng)度鋼板成形U型件時壓邊力、半圓形拉深筋工作圓角半徑變化對成形質(zhì)量、變薄率、回彈的影響，得出以下結(jié)論：

（1）TRIP600高強(qiáng)度鋼板成形時通過調(diào)整壓邊力，控制回彈的能力有限；

（2）成形類U型件成形時半圓形拉深筋工作圓角半徑增大，回彈值呈線性增加；

（3）變薄率和零件成形后各節(jié)點中最大應(yīng)變值離破裂成形極限線的距離，出現(xiàn)先減小后增加的趨勢。

[1]蔣浩民，陳新平，石 磊，等.先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的沖壓成形特性及其應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報，2009，16(4):183-186.

[2]楊 亙，夏琴香，邱遵文，等.高強(qiáng)度鋼板在汽車上的應(yīng)用級沖壓成形性能研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代制造工程，2012(7):138-143.

[3]石 磊，肖 華，陳 軍，等.先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板彎曲類回彈特性的試驗研究[J].材料科學(xué)與工藝，2009，17(5):671-674.

[4]徐宏偉.國外汽車用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板及其標(biāo)準(zhǔn)綜述[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2007，44(2):8-13

[5]胡 平，沈劍平，王光耀，等.汽車輕量化用高強(qiáng)度鋼板現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].汽車工程材料，2006，30(3):4-7

[6]景財年，王作成.TRIP-相變誘發(fā)塑性鋼的研究進(jìn)展[J].特殊鋼，2004，25(4):1-5.

[7]T.Yokoi,K.Kawasaki,M.Takahashi,K.Koyama,M.Mizui,Fatigue propertiesofhigh strength steels containing retained austenite[J],JSAEReview，1995，16(3):318-320.

[8]Sugimoto，Nakano.K，Song.S.M，etal.Retained Austenite Characteristics and Stretch flangeability of High-strength Low-alloy TRIP Type Bainitic Sheet Steels[J].ISIJ Intern.，2002，42(4):450-455.

[9]張 梅，李 麟，符仁鈺，等.0.11C-0.6Si-1.6Mn相變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼的成形性和可焊性[J].金屬熱處理，2006，31(4):39-42.

[10]謝 暉，潘志紅，等.高強(qiáng)度鋼板沖壓位移回彈補(bǔ)償技術(shù)研究與應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報，2012，19(5)：72-77.

[11]韓鵬彪，秦志國，等.半圓形拉深筋的Dynaform研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2010，31(2):147-150.

Study on Springback Controlof U-form Sheet Form ing in TRIP600

ZHAOShi-yu
(Ningde Vocationaland TechnicalCollege，DepartmentofMechanicaland Electrical Engineering，F(xiàn)u'an Fujian 355000，China)

To study the accuracy in the forming processofhigh strength steel,based on the analysisofmaterial property of TRIP600,a U-form componentwas used to study the influence of blankholder force and working radius of drawbead on springback in forming process.The result showswhen TRIP600 is used in U-form sheet forming,springback gets restricted decrease with the increase of blankholder force,and the bigger ofworking radius of drawbead the bigger of springback.

high strength steel；stamping forming；springback；drawbead

TG386

B

1672-545X（2014）04-0243-03

2014-01-05

福建省教育廳A類項目(編號：JA12453)

趙仕宇（1978—），女，貴州遵義人，碩士，講師，主要研究方向：板料成形工藝，模具CAD/CAM。