TRIP600高強度鋼板成形U型件回彈控制研究

趙仕宇

(寧德職業技術學院機電工程系，福建 福安 355000)

TRIP600高強度鋼板成形U型件回彈控制研究

趙仕宇

(寧德職業技術學院機電工程系，福建 福安 355000)

針對高強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高強度鋼板材料性能的基礎上，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。結果表明，TRIP600高強度鋼板在成形U型件時，回彈隨著壓邊力的增加而發生有限減小；拉深筋工作圓角半徑越大，回彈值越大。

高強度鋼板；沖壓成形；回彈；拉深筋

隨著汽車工業的發展和人們生活水平的提高，汽車進入了千家萬戶，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。高強度鋼板具有較高的比強度，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，因此受到了工業界和學術界的廣泛關注，也對其展開了深入研究[1～3]。高強度鋼板分為傳統高強度鋼板（HSS）和先進高強度鋼板（AHSS）。目前國內傳統高強鋼板的品種和質量與國外差距不大[4]。先進高強度鋼板中雙相（DP）鋼板、相變誘導塑性（TRIP）鋼板由于具有優良的綜合特性，成為了目前研究關注的熱點。相比DP鋼板，TRIP鋼板開發時間較短，在研制、開發和應用等方面明顯落后，但TRIP鋼板具有較高的屈服強度和抗拉強度，良好的塑性和成形性能，是為滿足汽車工業對高強度、高塑性新型鋼板需求而開發的鋼材新品種[5～6]，因此，有必要對其進行深入研究。

汽車零部件結構復雜、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，還難以對回彈進行準確預測，如何有效地控制高強度鋼板的回彈是業界關注的問題。本文在分析TRIP高強度鋼板成形特性的基礎上，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高強度鋼板多用于需高強度、高抗碰撞吸收能且成形要求較為嚴格的汽車零件，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%，強度范圍是600MPa～800MPa[1]。TRIP鋼中殘存奧氏體應變誘發使TRIP鋼中的殘余奧氏體轉變為馬氏體，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增加，使得變形很難集中在局部區域。總之，TRIP鋼板具有高強度、高塑性的同時還具備極佳的抗疲勞性能[7]；具有優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，材料的性能參數見表1。

圖1 TRIP鋼微觀組織

圖2 TRIP600成形限圖

表1 TRIP600高強度鋼板材料參數[3]

1.2 U型件有限元模型的建立

在Dynaform板料成形有限元數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。采用自由網格劃分技術對其進行劃分，網格大小為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，又考慮材料平面內的各向異性對屈服面影響的3參數Barlat模型；單元類型選擇Belytschko-Tsay殼單元，厚向積分點個數為7。其他主要工藝參數為：摩擦系數取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 零件截面尺寸和數值模擬模具模型圖

2 回彈影響因素分析

回彈是影響高強度鋼板成形質量精度的主要問題，也是板料成形研究的焦點。回彈控制方法有3種[10]，第一種是工藝控制法，即通過工藝優化手段，使板料發生充分的塑性變形抑制回彈；第二種是模型補償法，通過在特定工藝條件下，預測回彈量的大小，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，在工業上很少應用。本文選擇第一種方法進行研究。

在汽車覆蓋件成形中廣泛采用設置拉深筋來提高成形質量，它是調節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料阻力，調節進料阻力分布，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，根據零件成形情況，本文選擇生產中常用的半圓形拉深筋進行研究，并在有限元軟件中建立相應的真實拉深筋模型。

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進行有限元模擬，模擬結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

根據文獻[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進行分析。其模擬結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R=3mm時，零件上部分節點的應變值超過了破裂成形極限線，零件出現破裂，因此未進一步分析其減薄率和回彈值。當R=4、5、6mm時，零件沒有出現破裂和破裂趨勢，但是零件上各節的最大應變值離破裂成形極限線的距離有差異。R=5mm時零件各節點的最大應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域除有部分出現拉伸不足現象外，零件沒出現起皺現象，成形質量較好。R=4mm，6mm時，零件各節點的最大應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域除有部分出現拉伸不足現象外，零件還出現起皺現象，零件成形質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R=4mm時，零件的最大減薄率為21.774%；當R=5mm時，零件的最大減薄率為19.319%；當R=6mm時零件的最大減薄率為22.48%，零件的減薄率呈現先減小后增加現象。這是由于板料流經拉深筋時會產生彎曲、回復、彎曲的反復變形，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，使得板料經過拉深筋時金屬的流動阻力呈現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R=4mm時，零件的最大回彈值為1.599mm；當R=5mm時，零件的最大回彈值為2.058mm；當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的分析結果可知：拉深筋工作圓角半徑較大時坯料經過拉深筋時產生的塑性變形較少，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，高強度鋼板沖壓成形采用半圓形拉深筋控制回彈，應綜合考慮零件的沖壓成形質量選擇合適的拉深筋工作圓角半徑。

3 結束語

本文基于有限元數值模擬方法，研究了TRIP高強度鋼板成形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量、變薄率、回彈的影響，得出以下結論：

（1）TRIP600高強度鋼板成形時通過調整壓邊力，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點中最大應變值離破裂成形極限線的距離，出現先減小后增加的趨勢。

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

ZHAOShi-yu
(Ningde Vocationaland TechnicalCollege，DepartmentofMechanicaland Electrical Engineering，Fu'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。