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高强度汽车型材成型技术

发布日期:2016-02-19 12:26 来源:http://www.rf-machinery.cn 点击:

先进高强钢汽车型材冷弯成形技术的应用概述

冷弯型钢 | 2016-01-20 16:42

前言随着汽车工业的发展,燃油经济性、低碳排放和更高的安全性对汽车车身轻量化提出了新的要求和挑战,推进了先进高强钢在车身设计制造上应用的稳步增长。先进高强钢,特别是超高强钢,由于在微观组织和宏观力学性能上的变化,在生产以及使用技术方面均带来新的挑战。采用合理的零件设计和适用的加工方法,对于充分发挥先进高强钢材料性能具有至关重要的意义。辊压成形采用多道次渐进弯曲成形,相对于冲压成形可以获得更小的弯曲半径,能成形各种开口或封闭复杂截面形式的零件,零件刚度较好;同时,通过多个道次的变形进行回弹补偿,更容易控制回弹和获得良好的成形精度,且零件表面质量好。辊压成形作为一种适用的成形技术,是先进高强度钢板重要的成形方式。其工艺上的优势,特别是对于复杂的截面形状,生产效率高、大批量制造的成本低,已在汽车、建筑等领域获得广泛应用。超高强钢应用于辊压成形时,由于材料强度高,传统的工艺参数和设计经验不能满足先进高强钢辊压成形的应用需求。目前存在的技术难点是高强钢板因合金元素的添加或温控技术应用等原因,材料塑性降低,在辊压成形过程中,辊压件变形剧烈的尖角部位易出现裂纹;高强钢的回弹严重,开口辊压件的头尾翘曲更加严重,造成产品尺寸精度难于控制,零部件装车难度加大,废品率上升。研究先进高强钢的辊压成形关键技术,为实现先进高强钢大规模辊压成形应用提供技术支撑,已成为面临的迫切任务。下面就以某汽车应用超高强钢的门槛加强件为例,介绍进行开口型非对称辊压成形典型零件工艺技术研究与样件开发,利用解析和有限元仿真,对影响先进高强钢辊压成形的回弹控制、预冲孔畸变进行研究,获得了优化的设计工艺参数;分析非对称辊压件的纵向弯曲、侧弯、扭转缺陷产生的机理,给出了解决问题的方法;进行应用超高强钢的辊压成形工艺试验,制造了满足尺寸精度要求的典型样件。该研究为大批量产业化应用先进高强钢提供了技术条件。先进高强钢材料及其性能先进高强钢主要包括双相钢(DP)、相变诱导塑性钢(TRIP)、复相钢(CP)和马氏体钢(MS)等,这类钢通过相变组织强化达到高强度,强度范围500MPa~1500MPa(通常称抗拉强度超过700MPa的为超高强钢)。本文所选用的先进高强钢为1200MPa级别的马氏体超高强钢,其单向拉伸性能如表1所示。表1超高强钢单向拉伸性能参数loading...典型开口型非对称零件选择的典型开口型非对称零件为某门槛加强件,其截面和几何模型如图1所示。零件为非对称截面,整体形式为两侧不等高的帽形。为研究预冲孔经辊压成形后的孔形畸变误差,设置了一圆孔和一椭圆孔。loading...图 1 典型开口非对称零件a) 截面形状及尺寸;b) 几何模型典型零件的有限元模型1)典型零件的辊花工艺设计对典型开口型非对称门槛加强件进行辊压成形辊花图设计,如图2所示。其成形采用14道次。设计和分析采用专用软件。图 2 辊花图设计2)典型零件辊压成形的有限元模型根据图2所示辊花图,设计相对应的轧辊模具,并将轧辊CAD数据导入到COPRARF/FEA的仿真模块中,建立轧辊的三维模型,部分机架的仿真轧辊模型如图3所示。在进行轧辊模具设计时,道次间距设置为650mm,并考虑了下山量。图 3 轧辊的有限元模型板料为马氏体超高强钢(见表1),厚度为1.4mm,设置仿真分析的板料长度为1.3倍于机架间距,沿板料厚度方向划分1层,单元类型为7号六面体单元,单元总数为11108。将板料有限元模型导入到轧辊模型,输入材料属性参数,定义接触、约束等,建立板料辊压成形试验有限元模型。先进高强钢辊压成形关键技术对于图1所示典型开口非对称的门槛加强件,主要解决包括回弹、边波、纵向弯曲、侧向弯曲、扭转、预冲孔成形后畸变、切断后端部变形等问题。1)回弹的预测计算与补偿预测回弹时,常用BISWAS回弹计算公式,即loading...由式(1)计算获得初始回弹补偿角,并应用于图2所示的辊花图设计中。图4是采用式(1)设计成形工艺得到的试验产品,两个底角与样板有较大误差,回弹角大于预测角。loading...图 4 初始设计的回弹结果设计中采用的BISWAS回弹预测值计算公式是在强度级别较低的普碳钢材料状态下导出的,对于先进高强钢的计算必然存在较大误差,这已得到实际试验证明。因此,本文首先要解决的就是回弹计算和补偿问题。随着成形角度增大,板料塑性应变增加,辊压成形初始屈服应力增加。结合试验结果,对随弯曲角增加而增大的屈服应力进行预判,并代入式(1)计算回弹,同时结合实际情况调整,获得了符合要求的回弹角补偿。图5为实际开发的零件样件,满足角度尺寸要求。loading...图 5 辊压成形回弹补偿后结果2)边波的产生机理与消除边波的产生是由于在成形过程中板带边部变形量过大,产生了较大的纵向应变,发生塑性变形所致,即纵向应变超过了材料屈服点致使断面出现边波。纵向应变是造成边波的主要原因。原始设计的纵向应变如图7所示,最大纵向应变达到6.2%。仿真结果如图7a所示,试验后的零件状态如图7b所示。针对边波,对成形工艺进行优化设计,最大纵向应变值显著减小,降低为1.5%。试验后的零件状态如图8所示,边波大大改善,基本消除。loading...图 6 原始设计的边缘纵向应变(ma×6.2%)图 7 边缘纵向应变引起的边波3)纵向弯曲、侧弯、扭转的发生与消除对于图1所示的非对称截面零件,纵向弯曲发生在XY平面内,即辊压时的铅垂面内,是因为位于侧壁部分和腹板部分纵向薄膜应变的不平衡所致。上立侧壁部分的纵向薄膜应变为拉伸,而腹板部分为压缩,辊压工艺的特点决定了上立侧壁部分在弯曲时的伸长势必造成腹板部分的压缩。适当利用下山法可以缓解纵向弯曲,但不能彻底根除。图 8 优化设计后的试验件边波情况侧向弯曲发生在XZ平面内,即辊压时的水平面内。辊压件的侧弯取决于其非对称性,非对称率越大的断面,材料侧弯变形越严重。另外,断面材料侧弯的方向与两侧壁高度和帽型边缘上的边宽相关。如图1所示的零件,与较低一侧的侧壁相比,较高的一侧因为较高的侧壁和较宽的上边所产生的拉伸幅度大于较矮和较窄的一侧,因而形成弧线边缘较长的外侧,该侧是容易发生侧弯的方向。扭转弯曲是截面绕X轴旋转,发生在成形长度方向。辊压件的扭转与断面材料的非对称性有关。计算的截面主惯性矩轴的倾斜角度和断面的非对称率之间具有相关性。如图1所示零件,辊压时侧壁较高的一侧比较低的一侧需要更大的弯曲力矩。正是这一点使断面材料均向侧壁高起的一侧扭转。采用出口部位的矫直机矫正纵向弯曲、侧弯和扭转。即在辊压成形机的出口处安放矫直装置,对从最末端轧辊出来的产品的下侧施加压力。利用矫直装置,对产品截面施加弯矩,从而去除纵向弯曲。采用矫直辊让型材产生相反方向的侧弯,使较短的内侧弧线长度延伸,使得两侧的弧线长度相等,从而达到消除侧弯的目的。利用矫直装置,对从最末端轧辊出来的产品施加反向旋转力。对产品截面施加反方向转矩,可以去除扭转弯曲。另外,消除侧弯另一方法是在最末道次对轧辊垫片进行调整,实现轧辊沿轴线方向的移动。采用该方法要注意不能影响截面的宽度尺寸。4)预冲孔的畸变规律与调整辊压成形中,为提高生产效率、降低成本,一般优先采用预冲孔工艺。但预冲孔板料已加工好的孔在成形过程中可能会出现畸变。预加工孔产生畸变有以下规律:(1)所有孔都有所扩大,不同直径、不同位置、不同方向上所产生的孔畸变不同。(2)孔径越大畸变越大。(3)底面的孔畸变较大,侧面的孔畸变较小。(4)X方向的孔径畸变较大,Z方向的孔径畸变较小。基于上述规律,测量某一段零件变形前后尺寸,同比例地预测预冲圆孔和椭圆孔发生畸变的尺寸,并进行冲孔尺寸的反复调整,可获得满足尺寸要求的冲孔样件。5)切断端口变形与矫正切断辊压成形产品时,由于残余应力的释放,切断端口附近会发生变形,导致两个切断端口面不一致。这种切口变形现象会增加产品切断口配合件安装的难度,因此解决这一问题非常重要。对于图1所示零件,切断后,两端端口型面均会产生变形。断面的形状不同导致切口变形的状态各异。要去除切口变形,应减少产品中的残余应力。可采取两种方法,一是采用过弯轧辊成形,即在最末道次的前道次设置过弯轧辊,在最末道次轧辊中进行弯曲回复的成形,此处的力矩方向与过弯前相反。因此,到过弯轧辊为止的残留力矩与末道次的反向残留力矩相互抵消,从而减弱残余应力。二是对零件切断后进行局部矫正。结语在汽车轻量化和节能减排的压力下,采用高强钢替代普通强度钢,以汽车辊压件替代冲压零部件,则是现代汽车零部件发展的一个趋势。大量事实证明,先进高强度钢的采用成为汽车轻量化最具竞争力的有效措施,与冲压成形相比,在加工最高强度等级的高强钢时,辊压成型具有更显著的优越性。因此,为了提高国内汽车企业实力和竞争力,满足国产汽车节能、环保的需要,急需开发出更为先进的汽车辊压件成型技术。


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