發(fā)布時間：2016-11-26 07:26

第一章  緒論 

1.1 引言 
伴隨著人類文明的進(jìn)步，工業(yè)化程度越來越高，汽車應(yīng)用的范圍越來越廣，逐漸成為人類社會活動中越來越重要的工具，，很多時候把汽車工業(yè)視為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)實力的重要標(biāo)準(zhǔn)。我國的汽車工業(yè)發(fā)展開始于建國之后，尤其是改革開放對汽車工業(yè)發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。經(jīng)過近幾十年堅持不懈的奮斗我國的汽車產(chǎn)量也達(dá)到了千萬輛級。早在 2009 年我國的汽車產(chǎn)量已經(jīng)超越美國、德國和日本成為汽車產(chǎn)量最大的國家。根據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)顯示，我國汽車今年至 5 月底的產(chǎn)量達(dá)到了 717.8 萬輛，同比累計增長 32.18%[1]。汽車工業(yè)發(fā)展勢頭良好，可以獲取豐厚的利潤，汽車的制造又與原材料和加工技術(shù)密不可分，原材料中鋼鐵的需求量最大，整車車身、發(fā)動機、變速器等等零部件均是鋼鐵構(gòu)成的，根據(jù)德國權(quán)威資料數(shù)據(jù)顯示，鋼鐵材料在一輛汽車所有的原材料中占有的比重接近 70%。所以鋼鐵材料中的深沖板成為汽車原料用的最多和最重要的材料，因此說鋼板的成形性能直接汽車質(zhì)量相關(guān)，鋼板的成形性能越強，生產(chǎn)的汽車強度越高，質(zhì)量越好市場占有率越高；反之，鋼板的成形性能越差，生產(chǎn)的汽車強度越低，質(zhì)量越差，市場占有率越低。為了占據(jù)更廣闊的市場和獲取豐厚的利潤，無論是國內(nèi)鋼鐵企業(yè)還是國際鋼鐵企業(yè)紛紛將研究重點轉(zhuǎn)移到鋼板的成形性能上，尤其是對于整車車身使用最多的冷軋深沖板成形性能的研究。經(jīng)各大企業(yè)的研究后，冷軋深沖板的性能日以改進(jìn)。 汽車車身是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊接件，它是有無數(shù)塊大小不一，形狀不同的零部件焊接而成的。這些零部件的成形方式有沖裁、拉深、彎曲等多種多樣，其中拉深工藝是應(yīng)用最多的一種成形工藝。因此研究鋼板的深沖性能顯得尤為重要，鋼板的深沖性能越好，越容易實現(xiàn)形狀復(fù)雜的零部件成形，相反鋼板的深沖性能越差，零部件在成形時越容易發(fā)生破壞失穩(wěn)。可以說鋼板的深沖性能是衡量板料價值的標(biāo)準(zhǔn)。通過研究薄鋼板的成形過程和成形極限，得到鋼板的深沖性能，對指導(dǎo)薄板的生產(chǎn)意義重大[2-4]。
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1.2 冷軋深沖板的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
冷軋深沖板是指經(jīng)過冷軋成形后具有深沖性能的鋼板。由于冷軋深沖板優(yōu)點明顯被廣泛應(yīng)用到機械工業(yè)、汽車制造和航空航天等行業(yè)中，冷軋深沖板產(chǎn)品的主要優(yōu)點有  [8]： (1)成形性能良好，塑性應(yīng)變比 r 值比較高可以成形各種復(fù)雜曲面和結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品； (2)產(chǎn)品尺寸精度高，板面平直度高 (3)焊接強度高，焊接表面質(zhì)量好； (4)塑性變形后光潔度變化不大； (5)含氧量低，抗腐蝕性良好； (6)可以抵抗很高的變形，多用于汽車外板。冷軋深沖板的發(fā)展是深沖性能由差變強的過程。根據(jù)冷軋深沖板的發(fā)展歷程可以將其總結(jié)為三次改進(jìn)： 第一次改進(jìn)：1950 年代~1960 年代，產(chǎn)生了以沸騰鋼為主要代表的第一代冷軋板。該冷軋板只能適用于普通的深沖件，其主要原因是直接影響冷軋板深沖性能的因子塑性應(yīng)變比 r 的值較低，僅為 1.1 左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前的 2.0~3.0，并且應(yīng)變時效明顯，因此不適用于要求較高的深沖件。 第二次改進(jìn)：1960 年代~1980  年代，產(chǎn)生了以鋁鎮(zhèn)靜鋼為主要代表的第二代冷軋板。該鋼板與第一階段的鋼板最主要的改進(jìn)是在軋制成形中加入了鋁元素，鋁元素吸收氧元素的能力遠(yuǎn)大于鐵元素，脫去了板料中的氧元素，在軋制過程中嚴(yán)格控制氮化鋁的含量，退火之后的時效處理時絕大部分的碳在中以 Fe3C 的形式析出，因此該冷軋板的深沖性能要高于沸騰鋼的深沖性能。 
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第二章  拉深成形理論介紹

2.1 拉深成形理論介紹

拉深也可以稱為拉延，是使用專用摸具將平板坯料沖壓成為一種開口空心零件的成形工藝方法[40]。相比于其他成形工藝，用拉深工藝來生產(chǎn)薄壁空心件優(yōu)點很多，生產(chǎn)效率較高，節(jié)省原材料，產(chǎn)品的剛度和強度高，尺寸精度高。拉深工藝可以加工很多零部件，小至幾毫米，大至 2-3 米的零件均可以加工。因此，拉深成形工藝在汽車、電器、航空航天、電子和國防等工業(yè)部門以及日用品生產(chǎn)中，占據(jù)十分重要的地位[41-43]。圖 2-1 是表示拉深成形過程。在凸模 1 向下運動時，坯料 3 被凸模拉進(jìn)凹模中，形成圓筒形件。圓筒形件高度為 h，該部分是由坯料的環(huán)形(外徑為0D ，內(nèi)徑為 d 之間)部分變形得到的，因此，拉深成形時的變形區(qū)域是坯料的外部環(huán)形部分，不變形區(qū)域是圓筒形件的底部部分；示意圖中凸模與凹模間隙的直壁部分已經(jīng)完成拉深變形稱之為已變形區(qū)。顯而易見，圖中坯料被拉深成為圓筒形件的過程中，并沒有產(chǎn)生多余的廢料。從拉深示意圖看到，由圓形毛坯成為圓筒形零件，整個過程沒有產(chǎn)生廢料。

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2.2 極限拉深系數(shù)模型
拉深變形過程中凸緣變形區(qū)厚度方向的壓應(yīng)力很小，可以忽略不計，要求解兩外兩個方向上的應(yīng)力只要建立關(guān)于力學(xué)的平衡微分方程和材料的塑性方程便可解決，坯料凸緣變形區(qū)的應(yīng)力分析如圖 2-7 所示[44]。顯而易見的坯料材料和拉深凸模尺寸對極限拉深系數(shù)影響很大。相同的材料、相同的工況，在不同尺寸的拉深凸模下拉深時,得到的極限拉深系數(shù)也會不同。拉深凸模直徑越小越不利于拉深,極限拉深系數(shù)也會越大。同樣，相同的材料、相同的工況、凸模尺寸不變,而坯料的厚度發(fā)生變化時,極限拉深系數(shù)也會有所變化。坯料的相對厚度 t/D 越小,材料拉深時抵抗失穩(wěn)起皺的能力越差，極限拉深系數(shù)就越大，反之，相對厚度越大，材料拉深時抵抗失穩(wěn)起皺的能力越強，極限拉深系數(shù)也就越小[46]。 
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第三章 板料的機械性能測試及其極限拉深系數(shù)預(yù)測.... 19 
3.1 引言 .......... 19 
3.2 試樣制備與試驗方法 ..... 19 
3.3 試驗結(jié)果分析............ 26 
3.3.1 材料的抗拉強度隨板料角度的分布情況........... 26 
3.3.2 材料的屈服應(yīng)力隨板料角度的分布情況 ........... 27 
3.3.3 塑性應(yīng)變比 r 值隨板料角度的分布情況 ........... 28 
3.4 極限拉深系數(shù)預(yù)測....... 29 3.5 小結(jié)........... 30 
第四章 圓筒形件極限拉深系數(shù) CAE 模擬分析.......... 31 
4.1 有限元模擬軟件（DYNAFORM 軟件）介紹....... 31
42 極限拉深系數(shù)的有限元模擬預(yù)測.... 35
4.3 有限元模擬結(jié)果分析...... 38 
4.4 圓筒形件極限拉深系數(shù)的優(yōu)化....... 40 
4.5 小結(jié)........... 41 
第五章 極限拉深系數(shù)試驗........ 42 
5.1 引言 .......... 42 
5.2 坯料制備及拉深設(shè)計方案........... 42
5.3 極限拉深系數(shù)試驗 ....... 46
5.4 極限拉深系數(shù)試驗結(jié)果分析......... 50 
5.5 小結(jié)........... 52 

第五章  極限拉深系數(shù)試驗 

5.1 引言 
各向同性材料在不同方向具備同樣的性能；各向異性材料在不同方向具備不同性能，當(dāng)達(dá)到拉深極限時，各向異性材料的拉裂出現(xiàn)在特定的方向。同時冷軋深沖板軋制技術(shù)成熟，《沖壓手冊》中原有的極限拉深系數(shù)已經(jīng)不適用于冷軋深沖板。如果依舊使用沖壓手冊的中極限拉深系數(shù)，會造成原材料浪費，生產(chǎn)成本增加。 本章根據(jù)前面兩章的理論預(yù)測和有限元模擬預(yù)測的極限拉深系數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)定 DC04、DC05 極限拉深系數(shù)試驗。試驗所用的板料是寶鋼生產(chǎn)的冷軋深沖板中最具代表性的 DC04 和 DC05 冷軋鋼板。DC04 和 DC05 冷軋鋼板性能明顯優(yōu)于其他鋼板，其中包括良好的深沖性，優(yōu)良的抗凹性等等。本次試驗 DC04 和 DC05 冷軋鋼板厚度均為 0.8mm，表5-1 為冷軋板各元素組成表。 極限拉深系數(shù)試驗采用最簡單的圓形毛坯進(jìn)行拉深，測定圓筒形件的極限拉深系數(shù)，毛坯中心設(shè)置中心孔，中心孔的作用是拉深試驗時其定位作用，中心孔的大小為 1mm，圓毛坯規(guī)格和數(shù)量參考表 5-2。本章采用優(yōu)化后的拉深系數(shù)設(shè)計極限拉深系數(shù)試驗，共設(shè)置了四組 DC04、DC05 冷軋深沖板圓筒形件極限拉深系數(shù)試驗。首先介紹了使用激光設(shè)備制作坯料，闡述了板材成形設(shè)備的成形原理，以及板材成形設(shè)備的調(diào)試過程。詳細(xì)說明了四組圓筒形件極限拉深系數(shù)試驗的試驗過程，對拉深結(jié)果的評定，對極限拉深試驗值和理論計算值、有限元模擬值進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)有限元模擬值與試驗值偏差較小理論計算值偏差較大，但是在誤差允許的范疇內(nèi)，對試驗值和《沖壓手冊》中拉深系數(shù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)《沖壓手冊》中最小的拉深系數(shù)與試驗值偏差遠(yuǎn)大于理論計算值的偏差和有限元模擬值的偏差。綜合考慮，在實踐生產(chǎn)中為了縮短試模首期以及提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本可以使用基于塑性應(yīng)變比的極限拉深系數(shù)模型快速判斷板料的極限拉深系數(shù)。   
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總結(jié)

本文基于拉深成形理論，引入了基于塑性應(yīng)變比的圓筒形件極限拉深系數(shù)模型，介紹了各向異性屈服理論，推導(dǎo)了材料的塑性應(yīng)變比、屈服應(yīng)力隨材料方向分布的理論計算模型，通過單向拉伸試驗得到材料各方向的屈服應(yīng)力、抗拉強度、塑性應(yīng)變比和應(yīng)變硬化指數(shù)，并對比了屈服應(yīng)力和塑性應(yīng)變比的理論計算值，結(jié)果表明，DC04 和 DC05 板料的屈服應(yīng)力在各方向上最大的偏差均不超過 2.6%，塑性應(yīng)變比在各方向上最大的偏差不超過 3.5%，且屈服應(yīng)力和塑性應(yīng)變在各角度方向上的分布規(guī)律一致，理論值和試驗值的偏差在誤差允許范圍內(nèi)可以佐證冷軋深沖板的單向拉伸試驗可靠，并依據(jù)單向拉伸試驗試驗得到的塑性應(yīng)變比和應(yīng)變硬化指數(shù)計算出 DC04 和 DC05 冷軋深沖圓筒形件理論極限拉深系數(shù)的計算值。依據(jù)最差角度方向上的拉深系數(shù)設(shè)計冷扎板的有限元模擬方案，應(yīng)用有限元軟件DYFORM，模擬出了 DC04 和 DC05 的圓筒形件極限拉深系數(shù)，優(yōu)化單向拉伸試驗得到 DC04 和 DC05 圓筒形件極限拉深系數(shù)計算值和有限元模擬值。 設(shè)計了Ⅰ型拉深模具和Ⅱ型拉深模具對 DC04 和 DC05 冷軋板進(jìn)行四組圓筒形件極限拉深系數(shù)試驗，得到了板料在 45°方向出現(xiàn)拉裂情況，結(jié)合材料機械性能在各方向上的分布情況，指出材料的屈服應(yīng)力越大（屈強比越大）和塑性應(yīng)變比越小的方向上，越容易出現(xiàn)開裂。本文主要得到以下結(jié)論： 

（1）對鋼板各向異性理論進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn) DC04 和 DC05 板料在不同方向的屈服應(yīng)力s 、抗拉強度b和塑性應(yīng)變比 r 的分布不同，通過進(jìn)行單向拉伸試驗得到了與軋制方向呈 0°、15°、30°、45°、60°、75°和 90°方向的屈服應(yīng)力、抗拉強度和塑性應(yīng)變比。分析試驗值與理論值的偏差，DC04 和  DC05 板料偏差都不超過 2.6%，塑性應(yīng)變比偏差也不超過 3.5%，且屈服應(yīng)力和抗拉強度在 0°和 90°方向最小，而塑性應(yīng)變比在 0°和 90°方向最大，可以得到鋼板在45°方向上的性能最差，在 0°或者 90°方向上的性能最好。 
（2）設(shè)計了Ⅰ型拉深模具和Ⅱ型拉深模具對 DC04 和 DC05 板進(jìn)行圓筒形件極限拉深系數(shù)試驗，得到了板料在 45°方向出現(xiàn)開裂情況，結(jié)合材料機械性能在各方向上的分布情況，指出材料的屈服應(yīng)力越大（屈強比越大）和塑性應(yīng)變比越小方向上，越容易出現(xiàn)拉裂。通過四組極限拉深系數(shù)試驗確定了 DC04 和DC05 的圓筒形件極限拉深系數(shù)，對比極限拉深系數(shù)模型得到的理論極限拉深系數(shù)和有限元模擬得到的極限拉深系數(shù)，最小偏差為 2.6%，因此，可以通過極限拉深系數(shù)的理論模型初步計算板料的極限拉深系數(shù)。 
（3）通過四組圓筒形極限拉深系數(shù)試驗得到關(guān)于 DC04 和 DC05 精確極限拉深系數(shù)，對比試驗值和《沖壓手冊》中的原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)偏差很大，沖壓手冊的拉深系數(shù)已經(jīng)不適用于冷軋深沖板。試驗得到的圓筒形件極限拉深系數(shù)試驗值補充到《沖壓手冊中》，應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，可以有效的減少原材料的浪費，降低生產(chǎn)成本。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號：193913