宣守強(qiáng)，鄧沛然，王蘇靜

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

沖壓成形具有生產(chǎn)效率高、操作方便以及加工精度高等特點(diǎn)，在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域占有重要地位。雙相鋼（DP鋼）屬于相變強(qiáng)化鋼，采用特定的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝在鋼的鐵素體基體上彌散分布一定量的馬氏體，形成以鐵素體加馬氏體為主的組織，在提高強(qiáng)度的同時(shí)改善鋼的成形性能[1]，DP1180作為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用于汽車沖壓件成形中。脹形試驗(yàn)又稱杯突試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得的杯突值，即IE值，可以用于評(píng)定材料的成形性能[2]，基于脹形試驗(yàn)測(cè)得的板料杯突值，可以直觀地反映DP1180高強(qiáng)度鋼的塑性成形性能，對(duì)高強(qiáng)度鋼在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用有重要的參考作用。

王亞?wèn)|等[3]對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼DP590、DP780、TRIP590和TRIP780的脹形性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，DP鋼和TRIP鋼都具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，而TRIP鋼有相對(duì)較高的n值（加工硬化指數(shù)）及延伸率，表現(xiàn)出更好的成形性能。徐珂[4]分別對(duì)雙相鋼DP600、低合金高強(qiáng)度鋼H340LA進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、模擬杯突試驗(yàn)、自由彎曲試驗(yàn)，分析了雙相鋼與傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)度鋼基本力學(xué)性能、脹形性能、回彈等方面的性能差異，并建立了2種材料的本構(gòu)關(guān)系，驗(yàn)證了數(shù)值模擬對(duì)材料沖壓成形過(guò)程應(yīng)變路徑反映的準(zhǔn)確度。ZHANG S J等[5]分別通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)和杯突試驗(yàn)，研究了退火參數(shù)對(duì)HC340LA TRB的組織、力學(xué)性能和成形性能的影響，結(jié)果表明沿軋制方向的力學(xué)性能受重結(jié)晶程度和平均晶粒尺寸的影響，成形性能隨退火溫度的升高而增加。現(xiàn)使用的是滑塊速度和壓邊力大小均可調(diào)的伺服壓力機(jī)，通過(guò)改變不同的工藝參數(shù)，研究沖壓速度、壓邊力以及潤(rùn)滑條件對(duì)DP1180成形性能的影響，以改善實(shí)際沖壓成形工藝，獲得更好的產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為0.8 mm厚的DP1180高強(qiáng)度鋼，根據(jù)GB/T 4156-2007[6]規(guī)定，將試樣切割為90 mm×90 mm的方形，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 高強(qiáng)度鋼DP1180的化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 高強(qiáng)度鋼DP1180的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備如圖1所示，該設(shè)備不僅能模擬傳統(tǒng)機(jī)床的速度規(guī)律，還可以對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整和控制。機(jī)床滑塊的控制精度達(dá)到0.01 mm，壓邊圈與上模裝有力傳感器，對(duì)壓邊力可以精確控制，杯突試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D2所示[7]。

圖1 伺服壓力機(jī)

2 力學(xué)分析

金屬杯突試驗(yàn)是利用脹形原理對(duì)金屬板料拉脹成形的極限能力進(jìn)行檢驗(yàn)，是一種常用檢驗(yàn)材料脹形性能的試驗(yàn)方法[8]。杯突成形的實(shí)質(zhì)是脹形，試樣受到平板板面方向上的雙向拉應(yīng)力，其受力特點(diǎn)與脹形成形一致，在板料脹形的變形區(qū)內(nèi)，球頭形凸模使坯料在脹形過(guò)程中受雙向拉應(yīng)力，切向應(yīng)力σθ≥0，徑向應(yīng)力σr≥0，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變則為切向應(yīng)變?chǔ)纽取?0，徑向應(yīng)變?chǔ)舝≥ 0，厚向應(yīng)變?chǔ)舤≤ 0。假設(shè)凸模與坯料間受單位正壓力P，圓形凸模和板料接觸面間的摩擦力為μ，可列出平衡微分方程[9]。

由于板料接觸面區(qū)域變薄，為伸長(zhǎng)變形，dεr＞0,dεθ＞ 0，根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，由此可以得出，σθ＜0不存在。

由脹形塑性條件：

得出與球頭凸模接觸區(qū)域中心點(diǎn)處受力為雙向等拉伸，結(jié)合式（7）、（8）得：

式（11）即為圓形凸模接觸面區(qū)域發(fā)生塑性變形的必要條件之一。

其中，σθ為切向應(yīng)力，MPa；σr為徑向應(yīng)力，MPa；εθ為切向應(yīng)變；εt為徑向應(yīng)變；P為凸模與坯料間所受的單位正壓力，N；μ為圓形凸模和板料接觸面間的摩擦力，N。

3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

模具裝有位置傳感器，并由監(jiān)控系統(tǒng)接收、計(jì)算處理位置信號(hào)，最后在顯示器上顯示載荷與凸模行程規(guī)律曲線，如圖3所示。根據(jù)系統(tǒng)獲得的實(shí)時(shí)沖壓數(shù)據(jù)曲線，圖3中載荷開(kāi)始產(chǎn)生波動(dòng)的點(diǎn)表示凸模開(kāi)始接觸板料，即A點(diǎn)，記錄該點(diǎn)凸模位置值；當(dāng)載荷達(dá)到峰值后顯著下降的點(diǎn)表示板料剛好破裂，亦記錄該點(diǎn)凸模位置值，即凸模行程曲線B點(diǎn)值。對(duì)A、B兩點(diǎn)的凸模位置值做差，此差值為杯突值，即IE值[10]，杯突試驗(yàn)破裂試樣如圖4所示。

圖3 凸模行程與載荷曲線

圖4 杯突破裂試樣

3.1 不同壓邊力的IE值

凸模速度設(shè)置為20%沖壓速度，潤(rùn)滑條件為無(wú)潤(rùn)滑，壓邊力設(shè)置為5、10、15、20、25 kN，每組分別進(jìn)行5次重復(fù)的杯突試驗(yàn)[11]，將5次試驗(yàn)結(jié)果的均值視為該壓邊力下的IE值，最終試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，IE值與各壓邊力的關(guān)系曲線如圖5所示。

表3 各壓邊力的IE值

圖5 IE值與壓邊力的關(guān)系曲線

由圖5可知，當(dāng)壓邊力為5～15 kN時(shí)，IE值隨著壓邊力的增大而遞增，當(dāng)壓邊力超過(guò)15 kN時(shí)，IE值迅速減小，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇合理的壓邊力，過(guò)大的壓邊力將降低DP1180高強(qiáng)度鋼的成形性能。

3.2 不同沖壓速度的IE值

將壓邊力設(shè)置為15 kN，潤(rùn)滑條件為無(wú)潤(rùn)滑，凸模速度分別設(shè)置為沖壓速度的10%、20%、30%、40%、50%，同樣每組分別進(jìn)行5次重復(fù)的杯突試驗(yàn)，每組得到5個(gè)相同速度下的杯突值，將均值視為該沖壓速度下的IE值，最終試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，IE值與各沖壓速度的關(guān)系曲線如圖6所示。

表4 各沖壓速度的IE值

圖6 IE值與沖壓速度的關(guān)系曲線

由圖6可知，DP1180高強(qiáng)度鋼的IE值隨著沖壓速度的增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，即沖壓速度增大，杯突值逐漸減小，這是由于隨著沖壓速度的增大，變形區(qū)域的硬化效果逐漸減弱，沖壓過(guò)程中，凸模將板料沖至破裂的位移減小，IE值減小。

3.3 不同潤(rùn)滑條件的IE值

將凸模速度設(shè)置為20%沖壓速度，壓邊力設(shè)置為15 kN，采用5種不同的潤(rùn)滑條件，分別是：無(wú)潤(rùn)滑、礦物油潤(rùn)滑、機(jī)油潤(rùn)滑、油脂潤(rùn)滑以及二氧化鉬潤(rùn)滑。試驗(yàn)時(shí)，將潤(rùn)滑油均勻涂抹在板料與凸模的接觸區(qū)域，每組分別進(jìn)行5次重復(fù)的杯突試驗(yàn)，將5次試驗(yàn)結(jié)果的均值視為該潤(rùn)滑條件的IE值，最終試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，IE值與各潤(rùn)滑條件的關(guān)系曲線如圖7所示。

表5 各潤(rùn)滑條件的IE值

圖7 IE值與潤(rùn)滑條件的關(guān)系曲線

由圖7可知，無(wú)潤(rùn)滑的IE值比有潤(rùn)滑的IE值均偏小，且潤(rùn)滑條件越好，IE值越大，說(shuō)明好的潤(rùn)滑有利于DP1180高強(qiáng)度鋼的沖壓成形，因此實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，盡量選擇好的潤(rùn)滑。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）杯突試驗(yàn)中0.8 mm厚的DP1180高強(qiáng)度鋼的IE值隨著壓邊力的增大先增大后減小，具體為：壓邊力在5～15 kN，壓邊力增大，杯突值增大，壓邊力超過(guò)15 kN時(shí)，壓邊力增大，杯突值減小。

（2）在規(guī)定的沖壓速度范圍內(nèi)，DP1180高強(qiáng)度鋼的杯突值會(huì)隨著沖壓速度的增大而逐漸減小，說(shuō)明沖壓速度的增大會(huì)降低該材料的脹形性能。

（3）潤(rùn)滑條件對(duì)杯突值也有一定的影響，潤(rùn)滑條件越好，IE值越大，即潤(rùn)滑條件越好，有利于提高該材料的脹形性能。