HX420LAD板材沖壓性能研究

郝俊珂1,畢大森1,2，李明亮1，姜立忠3

(1.天津理工大學 材料科學與工程學院，天津 300384；2. 天津市金屬材料高效近凈成形技術工程中心，天津 300384；3.天津津兆機電開發(fā)有限公司，天津 300384)

摘要：通過單向靜載拉伸試驗與杯突試驗研究了HX420LAD板材的沖壓性能，并以某汽車零件為研究對象，通過有限元模擬和實物沖壓，分析了該板材的沖壓成形性能。結果表明，HX420LAD板材強度較高，屬于高強度鋼板，有較好的結構穩(wěn)定性，但其成形極限較低，易出現(xiàn)起皺破裂缺陷。利用有限元模擬和實物沖壓的對比試驗，為制定出合理的零件沖壓成形工藝提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：HX420LAD板材；沖壓成形；單向拉伸；杯突；有限元模擬

中圖分類號：TG386文獻標識碼：A

收稿日期：2015-04-28；修訂日期：2015-06-02

作者簡介：郝俊珂(1990-)，女，天津理工大學材料科學與工程學院碩士研究生。

Research on the formability of steel plate HX420LAD

HAO Jun-ke1，BI Da-sen1,2，LI Ming-liang1, JIANG Li-zhong3

(1.School of materials science and engineering , Tianjin University of Technology, Tianjin 300384，China;

2. Tianjin Engineering Center of Near-Net-Shape Forming Technology for Metallic Materials , Tianjin 300384，China;

3.Tianjin JinZhao Machine &Electronic Development Company Limited, Tianjin 300384，China )

Abstract：The article investigated the basic stamping property of steel plate HX420LAD. Taking the automobile part as the research object, through finite element simulation and physical stamping, the steel plate stamping performance were analyzed. The result indicates that the steel plate has higher strength, belongs to the high strength steel plate, better structural stability. However, its forming limit is low, and wrinkle and rupture is easily happened. Using the finite element simulation and comparing physical stamping experiment, it can be used as reference for the stamping technique of steel plate.

Keywords：HX420LAD steel plate; stamping formability; Uniaxial tensile; cup drawing; finite element simulation.

0引言

汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟五大支柱產(chǎn)業(yè)之一。近年來，汽車工業(yè)飛速發(fā)展，同時也面臨三大問題：能源、公害和安全。其中能源問題是汽車工業(yè)發(fā)展與變革的動力。若汽車車身減薄5%，則可減少4%～5%的燃料消耗。因此，汽車輕量化已成為汽車發(fā)展中的關鍵性研究課題。汽車輕量化材料主要包括：高強度鋼板、輕合金和塑料。其中，高強度鋼板已廣泛應用于汽車車身外覆蓋件，車身內(nèi)覆蓋件，保險杠，輪輞和輪輻，車門邊梁等。本文以高強度鋼板HX420LAD為研究對象，對其沖壓成形性能進行研究。

1沖壓成形性能試驗

試驗材料選用厚度為1.1 mm的HX420LAD鋼板，其化學成分如表1 所示。

表1　HX420LAD鋼板化學成分

1.1拉伸試驗

單向靜拉伸試驗是基本的材料力學性能試驗，用于研究材料在受載過程中變形和斷裂的規(guī)律。所獲得的不同的參數(shù)對板材性能有不同的影響。在成形過程中，屈服強度σs較低，變形區(qū)切向壓力較小，板料起皺的趨勢較小，而抗拉強度σb高，則傳力區(qū)的承載能力較大，因此較低的屈強比σs/σb有利于成形極限的提高，但提高的屈強比有利于結構的穩(wěn)定性。加工硬化指數(shù)n值越大，有利于增加局部變形抗力，使變形均勻化和增大極限變形程度。厚向異性系數(shù)r是板料拉伸時，寬向與厚向的應變之比，r值越大，則板平面方向上越容易變形，而厚度方向上較難變形，這對拉深成形有利。

操作規(guī)程按照GB/T 228.1-2010執(zhí)行,在 WDW-100型微機控制電子萬能試驗機上進行試驗。將試驗所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后，可得到制件的應力-應變曲線(圖1)，以及板材基本力學性能參數(shù)(表2)。

圖1　鋼板工程應力-應變曲線 Fig.1　Engineering stress-strain curves for metal plate materials at room temperature

牌號料厚/mm屈服強度σs/MPa抗拉強度σb/MPa屈強比σs/σb斷后伸長率δt硬化指數(shù)n厚向異性系數(shù)rHX420LAD1.14275060.8519.90.181.3低碳鋼板0.6～2.0<250<4000.6～0.75>220.20～0.25(沸騰鋼)0.22～0.26(鎮(zhèn)靜鋼)1.0～1.4(沸騰鋼)1.0～1.4(鎮(zhèn)靜鋼)

從試件的應力應變曲線圖1可以看出，制件有明顯的屈服點。這是由于溶質(zhì)原子和位錯相互作用形成的，在宏觀上，材料在變形經(jīng)過屈服時表面會產(chǎn)生目視可見的滑移線，影響零件表面質(zhì)量。

通過表2比較，可以發(fā)現(xiàn)HX420LAD板材力學性能與普通低碳鋼板相比有很大差異。HX420LAD板材σs與σb均大于普通低碳鋼板，σs/σb，δt，n這幾項的值均低于普通低碳鋼板，r值則與低碳鋼板相當，說明板材沖壓成形性能較差，成形極限較低。在成形過程中易出現(xiàn)起皺，定形差等缺陷。

鈑金變形是一個集大撓度、大變形的塑性變形過程。在實際生產(chǎn)中，不會只存在簡單的單向拉伸的應力狀態(tài)。因此，單向靜載拉伸試驗不能完全代表鈑金的沖壓性能。還需要能夠模擬真實應力狀態(tài)的直接試驗對其成形性能進行分析研究。

1.2杯突試驗

杯突試驗模擬了實際生產(chǎn)中零件所處的應力應變狀態(tài)和變形特點，具有脹形和拉深的特點。生產(chǎn)中用脹形試驗表示拉深件的沖壓性能。

試驗規(guī)程按照GB415-84規(guī)定要求進行，壓邊力始終設置為15KN,試樣數(shù)量共9件，所得到的試樣如圖2所示，板材杯突值如表3 所示。

圖2　杯突試驗樣品 Fig.2　Samples of cup drawing test

材料料厚杯突值HX420LAD1.1mm10.19低碳鋼板1.1mm>10.2

從實驗結果表3可以看出，HX420LAD板材杯突值比低碳鋼板低，說明該板材脹形性能差，不適用于進行復雜曲面的拉深成形。在成形時，板料中間部分受到兩向拉應力做用而發(fā)生脹形，在板材變薄嚴重處發(fā)生破裂。

2實物沖壓及成形過程模擬

HX420LAD板材有較高的強度，零件結構穩(wěn)定性較高，但其沖壓成形性能差。在進行產(chǎn)品工藝設計時，需要借助有限元模擬分析軟件對成形工藝進行分析，可以有效減少試模的損失，提高工作效率。本次模擬分析選取的有限元分析軟件為Autoform，該軟件主要用于汽車板材沖壓成形性能分析。

2.1零件工藝分析

本次模擬選取的產(chǎn)品為汽車壁板，材質(zhì)HX420LAD，料厚1.1 mm，產(chǎn)品外形如圖3所示。零件形狀不規(guī)整，屬于空間曲面。表面分布有加強筋，2個圓孔與一個翻邊孔。該制件不能通過一次沖壓成形，主要的成形工序為拉延工藝

與翻邊整形工藝，制件的形狀與剛性均在這兩步工藝中得到保證與實現(xiàn)，因此主要對拉延與翻邊整形工藝進行模擬分析。

圖3　汽車壁板零件圖 Fig.3　Drawing of partition part

2.2模擬分析預處理

在UG中建模，設計合理的工藝補充面，以IGS格式導入至Autoform中，分別定義拉延工序與翻邊整形工序工具，如圖4所示。

圖4　模擬分析工具定義 Fig.4　Tools of simulation analysis

2.3初次模擬結果分析

通過汽車壁板成形過程圖5可以看出，在翻邊過程中，板料端部出現(xiàn)了較為嚴重的起皺現(xiàn)象。通過觀察成形極限圖6可以看出，端部發(fā)生了破裂。

2.4方案優(yōu)化

板料起皺造成了料難以流動，最終導致破裂。制件起皺的原因是，彎曲力集中作用在板料上未受約束造成的。改進方案：增大板料受約束面積，使壓縮應力增大，修改模具結構。將拉延模具平面部分改為帶有一定角度的錐形面，如圖7所示，板料接觸面積比原來提高了3.1%。

2.5二次模擬結果分析

通過對模具結構優(yōu)化調(diào)整，提交模擬運算后得到的結果如圖8所示。由成形極限圖可以看出，板材沒有破裂的危險。對起皺程度分析看出，端部起皺程度最大為0.04，是可以接受的范圍，不影響成形性能。

圖5　板材沖壓變形過程 Fig.5　Forming condition of material stamping press

圖6　板料成形極限分析 Fig.6　Analysis of steel plate forming limit

圖7　模具優(yōu)化前后結果 Fig.7　Die shape before and after optimization

通過分析二次拉延結果可知，本次對拉延工序模具做出的修改可行，保證了零件在成形部分的質(zhì)量與剛度，提高了后續(xù)沖孔與翻孔工藝的精確性。由于板料沖壓性能較差，起皺現(xiàn)象不能完全消除，后續(xù)可以增加整形工序進行修正，使起皺控制在可接受范圍內(nèi)。

3沖壓實物驗證

結合有限元模擬分析結果制造模具，對成形部分模具進行試沖，得到成形部分的料帶如圖9所示。試沖結果表明，零件端部起皺現(xiàn)象得到了控制。觀察零件表面可以發(fā)現(xiàn)，表面有較多的沖擊線與滑移線，表面質(zhì)量不高，這與板材本身屈服點現(xiàn)象有關。同時，經(jīng)過測試，該零件有較高的結構穩(wěn)定性。

圖8　二次模擬板材成形性能分析 Fig.8　Forming property analysis of the plate second simulation

圖9　成形工序料帶實物圖 Fig.9　 Player drawing of forming process

4結論

(1)本文以HX420LAD板材為研究對象，用單向靜載拉伸試驗與杯突試驗測定其沖壓成形性能，試驗標準均按國家標準執(zhí)行。通過與普通低碳鋼板比較分析，該板材強度高，較高的屈強比也保證了零件的結構穩(wěn)定性，但其沖壓成形性能較差，塑性不好，導致了在成形時易出現(xiàn)起皺和破裂的風險。

(2)采用Autoform有限元模擬軟件對汽車壁板成形過程進行模擬，針對結果對拉延與翻邊工藝分析，為設計人員在模具設計初期及時發(fā)現(xiàn)問題提供了依據(jù)，有效減少了試模次數(shù)，保證了產(chǎn)品的成形質(zhì)量。

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