應變路徑

板料衝壓主要是在平面應力狀態下變形的,破裂是其主要破壞形式之一,而破裂的本質是拉伸失穩,所以對板料成形極限的分析主要集中在平面應力狀態下的板料拉伸失穩的研究。

19 世紀60年代,基於拉伸失穩理論提出了成形極限圖( FLD)的概念。 FLD 的出現使得人們對於原本由諸如延伸率、斷面收縮率等簡單指標所表徵的材料的成形性有了更深層次的認識,人們可以根據FLD評估不同板料在不同應變狀態下相對成形性能的優劣。

近些年來,隨着計算機技術與有限元分析方法實用化的飛速發展使得板料成形大型有限元軟件更加成熟,使之成為分析通常難以求解的幾何非線性、接觸非線性和邊界條件非線性等板料成形問題不可替代的工具,為實現複雜應變路徑下的成形極限研究提供了技術支持。 作者在對以往各種成形極限理論和試驗研究進行分析的基礎上,通過數值模擬與實衝試驗相結合的方法,利用某汽車左後懸掛架建立了有限元模型並進行了數值模擬,實現了板料成形的複雜應變路徑,並對左後懸掛架危險點的應變路徑進行了分析,最終確定了該零件的成形優化方案 ^[1]  。

1952年, Swift提出的分散性失穩理論和Hill提出的集中性失穩理論,為塑性變形拉伸失穩理論奠定了基礎。 此後,相繼有學者提出的用於解釋板料發生集中性失穩的理論,有基於損傷角度提出的M - K溝槽理論,有從連續體失穩角度出發的S -R屈服面尖點理論,以及後滕理論等等。

早在60 年代, Keeler和Goodwin就提出了成形極限圖的概念,這為評價拉伸失穩理論和研究板料成形極限提供了一個有力的判據。

板料本身的成形性能只和n值和厚度t相關,所有板料的FLD曲線的形狀是一樣的,所不同的只是它在座標系中的位置。

由於應用FLD 來判斷破裂是否發生比較簡單、直觀,從而成為解決板料成形問題的一個重要工具。 此後,許多學者從理論和試驗兩個方面對FLD展開了深入的研究。

通常的FLD都是由線性或近似線性應變路徑得到的,在實際生產中,由極限應變構成的FLD受應變路徑的影響很大。 Kikuma 、Grumboch等的研究清楚地説明了應變路徑對FLD的影響。 因而由線性應變路徑或近似線性應變路徑建立的FLD不能很好地用於預測板料成形破裂,而必須採用與實際成形相符的複雜應變路徑所建立的FLD。 因此,研究複雜應變路徑下的板料成形極限成為板料成形領域的熱點問題之一。

通過試驗確定複雜應變路徑下的FLD 比較困難,目前只能通過將複雜應變路徑簡化成兩段線性應變路徑進行試驗研究。 第一步,板料通過單向拉伸、雙向等拉或平面應變簡單地預變形到各種不同的變形程度;第二步,經過預變形的板料再在單向拉伸到雙向等拉之間的各種應力比下進一步變形。

Melander等人研究了兩階段線性應變路徑對雙相鋼成形極限的影響,得出:雙向等拉預應變成形後的FLD明顯低於直線應變路徑下的FLD,也就是説,當用先拉延後拉脹成形代替簡單的直線應變路徑時,成形極限可以增高。 萬敏等人認為研究複雜應變路徑下的成形極限可以通過十字形試件雙向拉伸試驗來實現,因為十字形試件可方便地通過改變兩軸的載荷比,使中心區得到不同的應力狀態,但關鍵還需要解決中心區應力與應變的測量問題。 由於在試驗上難以實現與實際板料成形相符的複雜加載路徑,因而通過試驗方法得出的結論僅限於拉伸- 脹形路線的成形極限高於簡單加載,脹形- 拉伸路線則低於簡單加載。

近些年來,部分研究人員提出了初步認為是與加載路徑無關的新的成形極限判據:成形極限應力圖FLSD ( Forming Limit Stress Diagram)。 他們在研究加載路徑對成形極限應變圖FLD影響的同時,發現將不同加載路徑情況下得到的FLD曲線按照塑性應力應變關係沿變形歷史點對應地轉換成用應力描述的成形極限圖時,所得到的曲線幾乎是重合的。 這説明FLSD 與加載路徑關係不大。 反過來,人們也可以用一條成形極限應力圖去求得在不同加載路徑情況下的不同形狀的應變成形極限圖。 但是應力成形極限與加載路徑無關還得不到充分的理論和試驗數據的支持,並且由於屈服準則、本構關係以及失穩理論的不統一,所得到的某個FLD必將對應多個FLSD。

從70年代以來,板料成形過程有限元數值模擬經過短短30多年的發展,已經能夠成功地模擬汽車覆蓋件這樣的三維板料成形過程。 隨着有限元數值模擬精度的改善和計算機處理能力的提高,使得運用有限元數值模擬方法研究複雜應變路徑下板料成形極限成為可能 ^[2]  。

1.左後懸掛架拉延成形特點

以某轎車左後懸掛架為例,此零件是一個比較複雜的中小型車身內覆蓋件,拉延深度較深,並且由於結構上的要求,有必要採用二次拉延才能成形。

由於左後懸掛架A - A截面形狀成V字形,且有一部分側壁,因此第一步工序設計為拉延成形。 為了使板料在拉延過程中各處拉延深度趨於均勻,壓料面被設計成曲面形式。 在成形時,需要同時進行毛坯中間部分的脹形和四周法蘭部分坯料的流入,才能保證零件順利成形。

由於沿着毛坯周邊產生的拉延變形大小不同,直邊部分的拉延變形小,所需的徑向拉應力也小,曲邊部分的拉延變形大,所需的徑向拉應力也大,所以沿毛坯周邊側壁內的拉應力差別相當大。 在拉延變形小的部分,徑向拉應力的數值可能不足以引起板料產生足夠的脹形變形;在曲率變化較大的截面處,由於存在較大的徑向壓應力,就可能引起起皺;而在拉延深度較深的成形區域,由於雙向拉應力較大,則可能超出材料成形極限引起破裂。 所以保證得到比較均勻的或符合需要的徑向拉應力是左後懸掛架模擬成形的關鍵。

2.模擬方案的擬定

由於左後懸掛架主要結構面上有急劇的凸凹折曲和較深的鼓包等局部形狀,在凸凹模型面設計時,通過調整工藝圓角、首次拉延成形中部分區域的拉延深度來改變材料流動,以達到改變應變路徑的目的,從而確定了模擬方案。

左後懸掛架使用寶鋼材料ST14O5 低碳鋼,厚度為118 mm。

3.不同應變路徑對沖壓成形結果的影響

左後懸掛架的成形分析主要是考慮第一步淺拉延的變形形式和變形程度(拉延和脹形成分的多少)的變化對第二步拉延成形的影響。左後懸掛架各模擬方案在危險點變形路徑變化比較。

可以看出,各方案的第一步、第二步在危險點的變形路徑是變化的。 通過第一步拉延成形型面的變化,改變了板料部分點的成形應變軌跡。

綜合以上分析可知,對於左後懸掛架,不同的變形條件,使得板料的各點變形路徑發生變化,儘管總的變形量是一定的,但是通過變形路徑的變化,利用不同路徑下的成形極限的不同,可以充分發揮材料的成形性能,實現較好的成形質量。 結合危險點成形極限圖及安全裕度變化趨勢圖,最終確定方案2為左後懸掛架的優化成形方案。

(1)運用有限元數值模擬技術可以實現試驗方法無法實現的複雜應變路徑。

(2)應變路徑的不同對沖壓成形的結果有很大影響,通過不同方案模擬結果的應變路徑和安全裕度對比分析,最終確定方案2為左後懸掛架的優化成形方案,該方案充分發揮出了左後懸掛架的成形性能,實現較好的成形質量。

利用有限元數值模擬技術開展複雜應變路徑下的板料成形研究,不僅可以很好地預測複雜形狀零件成形、多工步成形,而且能準確地確定屈服準則、塑性本構關係、拉伸失穩條件 ^[3]  。