考慮溫度影響的金屬鈑沖壓成形實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真研究

摘要：汽車用IF鋼（無(wú)間隙原子鋼）具有優(yōu)秀的沖壓性能和塑性變形能力，但隨著沖壓成形速度加快，板料會(huì)產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)板料與模具摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，當(dāng)溫度攀升至200 ℃以上，時(shí)，板料的力學(xué)性能明顯下降，導(dǎo)致沖壓產(chǎn)品的質(zhì)量降低。為深入探究此現(xiàn)象，文章設(shè)計(jì)并實(shí)施摩擦實(shí)驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析沖壓速度、法向壓力、滑動(dòng)速度、應(yīng)變率及溫升等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)沖壓成形工藝穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了熱力耦合分析模型和摩擦熱耦合分析模型，通過(guò)有限元仿真軟件，進(jìn)一步模擬并揭示沖壓關(guān)鍵參數(shù)對(duì)沖壓零件成形質(zhì)量的具體影響規(guī)律。研究成果可為汽車沖壓工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)與實(shí)踐參考，有助于提升沖壓件的生產(chǎn)效率與成品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：IF鋼；沖壓成形；溫升影響；摩擦系數(shù)；有限元

中圖分類號(hào)：O34" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）09-0092-05

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)尤其是新能源汽車領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)汽車用鋼鐵材料的質(zhì)量要求和數(shù)量需求均顯著提升。汽車用IF鋼因其具有優(yōu)秀的深沖性能和塑性變形能力，已成為汽車成形零部件的首選材料。在金屬板沖壓成形工藝中，由于塑料的變形及模具與部件接觸面的摩擦持續(xù)產(chǎn)生熱能，經(jīng)過(guò)多次沖壓循環(huán)后，零件及模具內(nèi)部溫度急劇上升。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，這種溫升會(huì)嚴(yán)重影響零件的力學(xué)性能，進(jìn)而損害其使用性能和壽命。針對(duì)沖壓成形過(guò)程中由塑性變形和摩擦引起的熱量上升問(wèn)題，早在20世紀(jì)80年代，Kim等［1］和Robert等［2］學(xué)者便展開(kāi)了深入的研究。他們的研究結(jié)果表明，在變形熱和摩擦熱的共同作用下，模具及板材的溫度可急劇升高至181 ℃以上，甚至超過(guò)200 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)冷沖壓的溫度界限。在此高溫條件下，板料的力學(xué)性能將發(fā)生顯著變化。為了克服溫升效應(yīng)，必須明確變形熱和摩擦熱在連續(xù)加載過(guò)程中的熱力分布及其對(duì)沖壓件的影響規(guī)律，以確保沖壓過(guò)程正常進(jìn)行，并有效降低廢品率。早期對(duì)IF鋼沖壓性能的研究中，由于沖壓速度相對(duì)較低且材料本身具備良好的塑性，變形過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較小，因此一般不考慮溫度因素的影響［3-4］。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，雖然高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼逐漸成為汽車用鋼的主流趨勢(shì)［5-8］，但是IF鋼因其優(yōu)秀的沖壓性能仍被廣泛應(yīng)用。在當(dāng)前生產(chǎn)環(huán)境下，企業(yè)為追求更高的生產(chǎn)效益，不斷提升設(shè)備沖壓速度，因此其溫度影響不容忽視。然而，針對(duì)IF鋼在高速?zèng)_壓條件下溫度影響的研究仍較少。王文平等［9-10］針對(duì)汽車用鋼板進(jìn)行了單向拉伸變形熱實(shí)驗(yàn)及有限元分析，但研究未能考慮沖壓過(guò)程中模具與板料之間摩擦生熱的問(wèn)題。鑒于上述背景，本文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究IF鋼在高速?zèng)_壓過(guò)程中溫升對(duì)零件質(zhì)量的影響規(guī)律。通過(guò)設(shè)計(jì)并實(shí)施一系列實(shí)驗(yàn)，揭示關(guān)鍵工藝參數(shù)（如沖壓速度、法向壓力、滑動(dòng)速度等）與溫升之間的內(nèi)在聯(lián)系。同時(shí)，利用有限元仿真技術(shù)建立考慮熱力耦合及摩擦熱效應(yīng)的數(shù)值模型，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和分析沖壓過(guò)程中的熱行為及其對(duì)零件質(zhì)量的影響，為汽車沖壓工藝設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 研究模型構(gòu)建

1.1 材料變溫本構(gòu)模型

IF鋼，也稱為超低碳鋼，具有優(yōu)異的深沖性能，在汽車工業(yè)上應(yīng)用廣泛，本文選用IF鋼中的DC04鋼作為研究材料。DC04鋼材料的變溫本構(gòu)模型較多，當(dāng)前常用的有Norton-Hoff模型和Johnson-Cook模型。

1.1.1 Norton-Hoff本構(gòu)模型一般形式

為了精確描繪DC04鋼在不同應(yīng)變速率和溫度下的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線，本文選用Norton-Hoff模型進(jìn)行建模。這一模型的本構(gòu)方程可用于分析材料在不同條件下的力學(xué)行為，其具體公式如下［11］：

[σε，ε，T=Kεnεmexp（CT）] ，" " " " " " （1）

[n=n0exp-CnTi-T0] ，" " " " " " " （2）

[m=m0exp-CmTi-T0] ，" " " " " " "（3）

其中：σ表示應(yīng)力；?表示應(yīng)變；[ε]表示應(yīng)變速率；T表示溫度；K表示應(yīng)力系數(shù)；C表示溫度相關(guān)系數(shù)；n表示硬化指數(shù)；m表示應(yīng)變速率敏感指數(shù)； n0、m0為待定系數(shù)；Ti表示試驗(yàn)溫度；T0表示初始溫度；Cn、Cm分別表示硬化指數(shù)溫度相關(guān)系數(shù)和應(yīng)變速率敏感指數(shù)相關(guān)系數(shù)。

1.1.2 Johnson-Cook本構(gòu)模型一般形式

本文采用Johnson-CookDC04模型描述鋼在不同應(yīng)變速率和溫度下的力學(xué)行為。該模型的本構(gòu)方程可分析材料在復(fù)雜加載條件下的力學(xué)行為，表述為［12］

[σ（ε，ε*1，T*）=（A+Bεn）（1+Clnε*1）（1-T*m）] ，（4）

其中：σ為等效應(yīng)力；?為等效塑性應(yīng)變；?1*為無(wú)量綱化等效塑性應(yīng)變率，?1*=?1/?0*，?1為應(yīng)變速率，?0*為參考應(yīng)變率，取值0.000 53S-1；T *為無(wú)量綱化溫度，T *=（T-Tr）（Tm-Tr），T為當(dāng)前溫度，Tr通常為室溫或環(huán)境溫度，Tm為材料的熔點(diǎn)溫度；A為材料屈服強(qiáng)度，B為加工硬化模量，C為模型參數(shù)，m為應(yīng)變速率敏感指數(shù)；n為硬化指數(shù)。

1.2 材料的變摩擦系數(shù)模型

在當(dāng)前CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）仿真模擬分析中，傳統(tǒng)的摩擦力模型，如庫(kù)倫摩擦力模型和剪切力摩擦力模型，雖然在特定條件（如溫度偏低、正壓力較小以及速度較慢的工況下）呈現(xiàn)出較高的模擬可靠性，但是在處理鋼板成形等復(fù)雜多變的接觸和摩擦行為時(shí)，其局限性尤為突出［13］。因此，本文構(gòu)建一個(gè)更精確且更貼近鋼板成形實(shí)際工況的摩擦力模型，以提升模擬分析的準(zhǔn)確度和實(shí)用性。

趙玉璋等［14］利用MMW-1型立式萬(wàn)能銷—盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在邊界潤(rùn)滑條件下精確測(cè)定了壓力為400 N時(shí)的摩擦系數(shù)。基于其試驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法，建立一個(gè)壓力相關(guān)的變摩擦系數(shù)模型：

[μ=μ0（P/P0）nP-1] ，" " " " " " " " " " " " （5）

其中：P為正壓力；P0為參考載荷；μ0為P0下對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)；nP為模型指數(shù)。

譚廣等［15］利用MG-2000型銷—盤(pán)式摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)DP780高強(qiáng)鋼板進(jìn)行試驗(yàn)研究，成功獲取了不同溫度條件下的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)。基于其試驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法，建立一個(gè)溫度相關(guān)的變摩擦系數(shù)模型：

[μ=aTμ0（T/T0）nT+b] ，" " " " " " " " " "（6）

其中：aT和b為常數(shù)；μ0為室溫下的摩擦因數(shù)；T為試驗(yàn)溫度；T0為室溫；nT為模型指數(shù)。

為了更準(zhǔn)確地描述速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響，建立一個(gè)基于變速度的摩擦系數(shù)模型：

[μ=avμ0（V/V0）nV+c] ，" " " " " " " " " " （7）

其中：av和c為常數(shù)；V為試驗(yàn)速度；V0為初始速度；μ0為V0下的摩擦因數(shù)；nV為模型指數(shù)。

綜合公式（5）、公式（6）和公式（7）的變摩擦系數(shù)模型，建立三因素的變摩擦系數(shù)簡(jiǎn)化模型：

[μ（P，T，V）=m μ0（P/P0）np-1（T/T0）nT（V/V0）nV+n] ，（8）

其中：m、n為無(wú)量綱常數(shù)。

1.3 DC04鋼的變溫本構(gòu)模型和變摩擦系數(shù)模型

模型中的參數(shù)通常需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，因此本文進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)和摩擦實(shí)驗(yàn)，獲得了DC04鋼的變溫本構(gòu)模型和變摩擦系數(shù)模型。

（1）DC04鋼的Norton-Hoff的本構(gòu)模型方程為

[se，e，T=340.338enemexp236T] ，" " " " " " （9）

[n=0.302 1 exp-0.000 87T-T0] ，" " （10）

[m=0.071exp-0.060 8T-T0]。" " " " " （11）

（2）DC04鋼的Johnson-Cook本構(gòu)模型為

[σ（ε，ε*1，Τ*）=（134+598ε0.61）（1+0.056 72lnε*1）（1-Τ*1.067）] 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （12）

（3）DC04鋼的變摩擦系數(shù)簡(jiǎn)易模型為

[μ（P，T，V）=0.008*（P/4.685）-0.323 9（T/20）-1.66（V/100）-0.002 09+0.111 5]。" （13）

2 汽車部件沖壓成形熱力耦合規(guī)律研究

2.1 沖壓成型零件幾何模型及簡(jiǎn)化

沖壓成型后的零件幾何模型見(jiàn)圖1。該模型較復(fù)雜，直接計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，并且存在高度的非線性變形可能帶來(lái)的不收斂問(wèn)題，因此需要簡(jiǎn)化模型。通過(guò)提取圖1模型中的關(guān)鍵特征值的方法建立簡(jiǎn)化模型，包括提取沖壓最大深度（約170 mm）和最大曲率處的半徑（5 mm），依據(jù)這些特征值建立的簡(jiǎn)化沖壓模型見(jiàn)圖2。圖2中，上部為凸模，中間為沖壓鈑材（厚度為0.7 mm），下部為凹模。壓在鈑材上面的2個(gè)正方體板為壓塊，凸模和凹模的圓角半徑為5 mm，其模具間隙為0.7 mm，沖壓深度為170 mm。

2.2 沖壓關(guān)鍵參數(shù)對(duì)沖壓零件的影響規(guī)律有限元分析

根據(jù)拉伸試驗(yàn)和摩擦試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)及擬合的本構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析，重點(diǎn)分析沖壓過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)（如沖壓速度、法向壓力及鈑材厚度）的影響。在初始溫度為20 ℃、沖壓速度為100 mm/s、法向壓力為4.685 MPa、板材厚度為0.7 mm的條件下進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。仿真結(jié)果中，沖壓后的應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖3，最大應(yīng)力集中于上部轉(zhuǎn)角區(qū)域，此處因轉(zhuǎn)彎半徑小而導(dǎo)致應(yīng)力梯度變化大，與實(shí)際沖壓模型中裂紋多發(fā)部位相符，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。沖壓后的溫度分布云圖見(jiàn)圖4，溫度最高區(qū)域位于上部轉(zhuǎn)角區(qū)下方，由于該位置不僅承受較大的拉伸變形，而且還受到凸模、凹模和沖壓鈑之間摩擦的共同作用，因此溫升并非直接位于轉(zhuǎn)角，而是出現(xiàn)在拉伸和摩擦力均較大的區(qū)域，與應(yīng)力分布云圖形成對(duì)比。此外，圖3和圖4中模型底部水平段的應(yīng)力和溫升均最低，這是因?yàn)楦咚贈(zèng)_壓過(guò)程中該區(qū)域變形較小，并且凹模、凸模與沖壓鈑之間的摩擦運(yùn)動(dòng)較弱，所以溫升極小，該結(jié)果與測(cè)溫儀器的觀測(cè)結(jié)果一致。

在初始溫度為20 ℃，法向壓力為4.685 MPa，鈑材厚度為0.7 mm，沖壓速度分別為100 mm/s、200 mm/s、300 mm/s、400 mm/s的條件下，進(jìn)行有限元仿真，得到不同沖壓速度下成形鈑材的溫度及應(yīng)力曲線（見(jiàn)圖5和圖6）。

在初始溫度為20 ℃，法向壓力為4.685 MPa，沖壓速度為100 mm/s，鈑材厚度分別為0.4 mm、0.7 mm、1 mm.1.3 mm的條件下進(jìn)行有限元仿真，得到不同鈑材厚度下成形鈑材的溫度及應(yīng)力曲線（見(jiàn)圖7和圖8）。

在初始溫度為20 ℃，沖壓速度為100 mm/s，鈑材厚度為0.7 mm，法向壓力分別為4.685 MPa、6.247 MPa、7.809 MPa的條件下進(jìn)行有限元仿真，得到不同法向壓力下成形板材的溫度及應(yīng)力曲線（見(jiàn)圖9和圖10）。

3 結(jié)論

本文通過(guò)有限元仿真，模擬了DC04鋼在不同沖壓速度（100～400 mm/s）、不同鈑材厚度（0.4～1.3 mm）及不同法向壓力（4～8 MPa）條件下的沖壓過(guò)程，根據(jù)所得的溫度及應(yīng)力曲線，總結(jié)了鈑材溫度和應(yīng)力的變化規(guī)律，具體結(jié)論如下。

（1）溫度變化規(guī)律：在給定的速度、鈑材厚度及壓力范圍內(nèi)，DC04鋼經(jīng)沖壓成形后，其鈑材溫度呈顯著上升趨勢(shì)。隨著沖壓速度加快、鈑材厚度增加及法向壓力增大，鈑材的溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這歸因于鈑材局部變形量增大導(dǎo)致的溫度梯度增高，以及法向壓力增大引起的摩擦系數(shù)和摩擦溫升增大。

（2）應(yīng)力變化規(guī)律：在給定條件下，DC04鋼沖壓后鈑材應(yīng)力顯著增長(zhǎng)。沖壓速度提升、鈑材厚度增加及法向壓力增強(qiáng)均直接導(dǎo)致鈑材內(nèi)部應(yīng)力增大，這是由鈑材局部變形突然增大所致。

（3）最大應(yīng)力部位：鈑材轉(zhuǎn)角處（半徑最小處）為最大應(yīng)力出現(xiàn)的部位，實(shí)際工程中沖壓件裂紋多在此處產(chǎn)生，本文的模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了本文模擬方法的正確性。

（4）最大溫升位置：靠近上部轉(zhuǎn)角區(qū)的下方位置溫升最大，這與沖壓件拉伸變形及模具和鈑材的摩擦運(yùn)動(dòng)有關(guān)。因此，溫升最大值并非出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角處，而是位于拉伸和摩擦力均較大的區(qū)域。

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*廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于熱力耦合效應(yīng)的連續(xù)高速?zèng)_壓模具高效散熱設(shè)計(jì)及其工業(yè)示范”（AB22035044）；江蘇省產(chǎn)業(yè)前瞻與關(guān)鍵核心技術(shù)項(xiàng)目“基于風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告的多維智能風(fēng)險(xiǎn)防控關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”（BE2021085）；山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“全地形自適應(yīng)消毒噴灑小車”（20230715）。

【作者簡(jiǎn)介】孫光輝，男，內(nèi)蒙古赤峰人，本科，工程師，研究方向：沖壓成形工藝開(kāi)發(fā)；覃存君，男，廣西賓陽(yáng)人，本科，工程師，研究方向：沖壓成形工藝開(kāi)發(fā)；姚遠(yuǎn)，女，湖南沅江人，碩士，工程師，研究方向：飛行器熱防護(hù)、多相流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)；賓峰，男，廣西來(lái)賓人，博士，副研究員，研究方向：催化燃燒與污染物控制；王文浩（通信作者），男，山西洪洞人，博士，副教授，研究方向：重大裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造；滿忠源，男，山東滕州人，在讀碩士研究生，研究方向：重大裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造。

【引用本文】孫光輝，覃存君，姚遠(yuǎn)，等.考慮溫度影響的金屬鈑沖壓成形實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：92-96.