姜志遠(yuǎn)，劉郁麗，楊 合，龍嬋娟，萬蘭鳳，薛 峰

(1.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安 710072;2.上海梅山鋼鐵有限公司 技術(shù)中心，南京 210000;3.上海寶鋼車輪有限公司，上海 200941)

輪輻作為車輪的重要組成部件，其結(jié)構(gòu)、材料和制造質(zhì)量不僅直接關(guān)系到汽車的制動性和平穩(wěn)性等安全性能，而且對汽車減輕自重、降低油耗以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源有重要影響.高強(qiáng)鋼用于汽車輪輻的生產(chǎn)，可有效降低汽車的整體質(zhì)量，提高汽車的操控性能，在降低成本、減少油耗和提高安全性方面有明顯優(yōu)勢［1］.輪輻的沖壓成形由多步工序組成，主要包括:落料、拉深、沖孔、反拉深、翻邊、切邊、整形等［2］.實(shí)際生產(chǎn)過程中，常采用反拉深-翻邊復(fù)合工序以提高生產(chǎn)效率和簡化模具.由于高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高、反拉深模具形狀復(fù)雜以及翻邊變形量較大，使得翻邊過程中中心孔附近材料容易出現(xiàn)開裂.因此，研究反拉深-翻邊復(fù)合工序中的高強(qiáng)鋼輪輻損傷開裂具有重要意義.

針對輪輻沖壓成形及相關(guān)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的研究成果.ABE等［3］利用剛塑性有限元模型，對低碳鋼輪輻沖壓過程進(jìn)行模擬，并對成形后的壁厚分布進(jìn)行了優(yōu)化.TAN等［4］提出了兩工步?jīng)_壓的方法來優(yōu)化壁厚分布，并研究了模具工藝參數(shù)對局部增厚量的影響規(guī)律.高蔚然等［5］采用Auto-Form軟件平臺，建立了DP600高強(qiáng)鋼輪輻拉深、反拉深等成形工序的有限元模型，獲得了不同工序的壁厚變化情況和回彈分布規(guī)律.MORI等［6］采用試驗(yàn)結(jié)合模擬的方法研究低碳鋼輪輻成形過程，分析了不同成形條件對成形過程中擠痕的影響并提出了防止擠痕出現(xiàn)的措施.紀(jì)蓮清等［7］采用 ADINA 軟件對4J×12型12A1鋼制輪輻中心孔翻邊過程進(jìn)行仿真研究，獲得了其等效應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律;邱曉剛等［8-9］采用DYNAFORM軟件研究了微型車輪SAPH440鋼制輪輻翻邊成形件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并研究了材料參數(shù)對翻邊成形的影響.FRACZ等［10］采用數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)，對比研究了不同沖頭形狀薄鋼板翻邊成形的壁厚分布情況.張立玲等［11］采用全量理論，對平面板料圓孔翻邊過程進(jìn)行了理論研究，并推導(dǎo)了應(yīng)力應(yīng)變解析式.

上述文獻(xiàn)從不同方面進(jìn)行了輪輻成形的試驗(yàn)、理論及模擬研究，但針對高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序的損傷開裂問題研究較少.為了解決新材料B550CL用于反拉深-翻邊時(shí)的損傷開裂問題，本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，采用ABAQUS/Explicit軟件平臺，建立了輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序成形過程三維彈塑性有限元模型，并將耦合了韌性斷裂準(zhǔn)則的子程序通過vumat接口嵌入有限元軟件，應(yīng)用所建立的模型，研究獲得了輪輻成形過程的應(yīng)力應(yīng)變、壁厚與損傷分布規(guī)律.

1 B550CL高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序有限元模型的建立

1.1 高強(qiáng)鋼B550CL材料模型

本文所使用的高強(qiáng)鋼材料為梅鋼新研發(fā)的材料B550CL，其力學(xué)性能尚不明確，因此，首先對該材料進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，獲得了其基本力學(xué)性能參數(shù)，如表1所示.

表1 高強(qiáng)鋼B550CL力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果，得到高強(qiáng)鋼B550CL的彈性段和塑性段的本構(gòu)方程為

為了更好地描述高強(qiáng)鋼輪輻翻邊開裂這一缺陷，需要選擇合適的韌性斷裂準(zhǔn)則，文獻(xiàn)［12-15］介紹了不同類型斷裂準(zhǔn)則在金屬成形領(lǐng)域的應(yīng)用.本文采用C-L韌性斷裂準(zhǔn)則，并將耦合了韌性斷裂準(zhǔn)則的子程序通過 Vumat接口嵌入Abaqus有限元軟件，在后處理模塊中便可以得到材料的損傷值、應(yīng)力三軸度等相關(guān)結(jié)果.式(2)為C-L準(zhǔn)則的表達(dá)式.

1.2 輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序有限元模型建立

以寶鋼車輪有限公司某型號輪輻成形過程為例，其反拉深-翻邊前的截面形狀尺寸如圖1(a)所示，板料厚度為4.6 mm;最終成形件截面形狀尺寸如圖1(b)所示.根據(jù)圖1(a)建立反拉深-翻邊前輪輻的幾何模型，采用實(shí)體單元建模并用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的模具形狀尺寸，將其適當(dāng)簡化，建立高強(qiáng)鋼B550CL用于某型號輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序的模具幾何模型，采用殼單元建模并用R3D4單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格.為了避免翻邊孔開裂，實(shí)際生產(chǎn)中將中心孔翻邊沖頭設(shè)計(jì)成如圖2所示形狀，即:反拉深-翻邊復(fù)合工序的翻邊成形是一個(gè)多次復(fù)合翻邊的過程;初次翻邊的凸模是柱狀凸模1，二次翻邊的凸模為錐狀凸模2，最后在拋物線凸模3的作用下成形出最終形狀，完成翻邊過程.

圖1 高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序前后外形尺寸

圖2 中心孔翻邊沖頭

將模具和板料進(jìn)行裝配，得到高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序有限元模型，如圖3所示.為了保證模型的穩(wěn)定性，采用較低的加載速度，模擬時(shí)上模芯的加載速度設(shè)為v=17 mm/s;模具與板料間摩擦采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)μ=0.15;下模芯活動套的壓邊力根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，設(shè)為5 MPa.通過對圖3中高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序模型的分析可以發(fā)現(xiàn)，翻邊和反拉深成形在整個(gè)變形過程中同時(shí)進(jìn)行、相互影響，且翻邊成形貫穿于整個(gè)變形過程，這使得復(fù)合工序的變形十分復(fù)雜.

圖3 高強(qiáng)鋼輪輻反拉深-翻邊復(fù)合工序三維有限元模型

1.3 有限元模型的可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建模型的可靠性，采用上述模擬條件，試制了輪輻反拉深-翻邊復(fù)合成形件.將圖1(b)中的3個(gè)特征尺寸(翻邊高度H、輪輻高度L、輪輻外徑D)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示.從表2可以看出，輪輻模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差很小，且均符合成形工藝要求.因此，本文建立的模型是可靠的，可以進(jìn)行相關(guān)的模擬研究.

表2 高強(qiáng)鋼輪輻復(fù)合工序模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 成形過程應(yīng)力分布規(guī)律

由于輪輻為回轉(zhuǎn)體零件，其應(yīng)力應(yīng)變分布沿周向變化不大，基本沿徑向呈帶狀分布，如圖4所示.因此，選取圖4所示的輪輻截面的一半研究反拉深-翻邊復(fù)合工序中材料在厚向和徑向的變形規(guī)律.

圖4 輪輻截面示意圖

應(yīng)力三軸度對材料的損傷和斷裂起重要作用，金屬板料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部的空穴在拉應(yīng)力的作用下增大、擴(kuò)大，直至一定數(shù)量的空穴聚集在一起形成裂紋.應(yīng)力三軸度為正值時(shí)，材料處于拉應(yīng)力狀態(tài)，有利于材料內(nèi)部空穴長大，材料易發(fā)生斷裂.圖5是成形后輪輻截面應(yīng)力三軸度分布圖，圖中給出輪輻不同成形區(qū)域示意圖.由圖5可以看出，翻邊成形區(qū)域大部分處于拉應(yīng)力狀態(tài)，因此，當(dāng)應(yīng)力集中時(shí)容易產(chǎn)生開裂等缺陷.

圖5 應(yīng)力三軸度分布與變形區(qū)示意圖

圖6是成形后輪輻截面等效應(yīng)力分布圖，可以看到，中心孔翻邊區(qū)域的應(yīng)力集中明顯，而這一區(qū)域處于拉應(yīng)力狀態(tài)區(qū)，因此，很容易產(chǎn)生裂紋.等效應(yīng)力的最大值位于翻邊孔口處.

圖6 等效應(yīng)力分布

根據(jù)文獻(xiàn)［16］，翻邊成形時(shí)孔口區(qū)的周向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，使這一方向變形最為劇烈.圖7是成形后輪輻截面周向應(yīng)力分布圖.從圖7可以看出，材料在翻邊孔口區(qū)附近均受到較大的拉應(yīng)力，使得這一區(qū)域材料沿周向的流動比較劇烈，加速了裂紋的產(chǎn)生.周向應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在翻邊孔口處.

圖7 周向應(yīng)力分布

圖8為反拉深-翻邊復(fù)合工序孔口區(qū)材料的等效應(yīng)力和周向應(yīng)力變化趨勢圖.從圖8可以看到，等效應(yīng)力和周向應(yīng)力在整個(gè)成形過程中相差不大，即翻邊成形的最大主應(yīng)力為周向應(yīng)力;在成形的初期，柱狀凸模和板料作用，使得中心孔發(fā)生變形，應(yīng)力急劇上升，這一階段主要發(fā)生切向變形，因此，等效應(yīng)力幾乎與周向應(yīng)力一致;隨著變形過程的進(jìn)行，厚向應(yīng)力和徑向應(yīng)力增大，導(dǎo)致等效應(yīng)力和周向應(yīng)力產(chǎn)生了差別;而隨后錐狀凸模和拋物線凸模作用時(shí)，材料應(yīng)力變化相對平緩.

圖8 復(fù)合工序成形過程應(yīng)力變化

2.2 成形過程應(yīng)變分布規(guī)律

圖9為成形后輪輻截面等效應(yīng)變分布圖，可以看到，材料在翻邊成形區(qū)域的變形程度比其他區(qū)域更大.說明這部分材料的流動較為劇烈，較大的變形容易引起材料轉(zhuǎn)移時(shí)局部發(fā)生材料增厚或減薄等缺陷.最大等效應(yīng)變出現(xiàn)于翻邊孔口區(qū).

圖9 等效應(yīng)變分布

材料的周向應(yīng)變反應(yīng)了這一方向的變形程度，當(dāng)材料的周向應(yīng)變過大時(shí)，容易發(fā)生沿周向的開裂.圖10為成形后輪輻截面周向應(yīng)變的分布圖，可以看到，相對于其他區(qū)域，翻邊區(qū)材料在周向上發(fā)生了更為明顯的伸長變形，較大的伸長變形容易引起材料在厚度方向的過度減薄，從而引起材料的開裂.最大周向應(yīng)變出現(xiàn)于孔口區(qū).

圖10 周向應(yīng)變分布

圖11為反拉深-翻邊復(fù)合工序孔口區(qū)材料的等效應(yīng)變和周向應(yīng)變變化趨勢圖.從圖11可以看出，在柱狀凸模作用初期材料的變形較為劇烈，使得等效應(yīng)變和周向應(yīng)變急劇上升;當(dāng)柱狀凸模完全進(jìn)入中心孔，材料便不再發(fā)生明顯的變形，使得1～3 s這一時(shí)間段幾乎沒有進(jìn)一步的變形發(fā)生;隨著錐狀凸模進(jìn)入中心孔，二次翻邊成形開始，材料繼續(xù)發(fā)生變形，等效應(yīng)變和周向應(yīng)變持續(xù)增加，但此階段的變形相比柱狀凸模作用時(shí)更為平穩(wěn);最后，在拋物線凸模的作用下，完成翻邊成形，此階段材料變形量不大，變形也最為平穩(wěn).圖11中等效應(yīng)變和周向應(yīng)變在整個(gè)成形過程中相差不大，說明材料的周向應(yīng)變是翻邊成形時(shí)的最大主應(yīng)變，翻邊變形區(qū)域附近主要發(fā)生材料的周向流動.

圖11 復(fù)合工序成形過程應(yīng)變變化

2.3 成形過程損傷分布規(guī)律

將耦合韌性斷裂準(zhǔn)則的子程序通過Vumat接口嵌入ABAQUS中，在軟件后處理模塊中便可以得到反拉深-翻邊復(fù)合工序成形件的損傷值分布.圖12為成形后輪輻截面損傷值分布圖，可以看到，相對于整個(gè)成形件，輪輻在翻邊變形區(qū)損傷值較大.最大損傷值出現(xiàn)于翻邊孔口區(qū)及附近區(qū)域，其值為2.85.按照子程序的定義，損傷值超過2時(shí)材料發(fā)生開裂，說明實(shí)際情況下這一區(qū)域可能出現(xiàn)裂紋.結(jié)合前面的應(yīng)力應(yīng)變分析及模具形狀特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)翻邊變形區(qū)在整個(gè)成形過程中，始終承受拉應(yīng)力而產(chǎn)生了較大的伸長變形;同時(shí)，成形末期，由于輪輻上的凹槽結(jié)構(gòu)對材料流動有較強(qiáng)的限制作用，使得翻邊變形區(qū)的材料得不到來自其他區(qū)域材料的補(bǔ)充，而這一區(qū)域材料流動又十分劇烈，因此，容易產(chǎn)生材料的開裂.

圖12 損傷值分布

2.4 成形過程壁厚分布規(guī)律

圖13為成形后輪輻截面從翻邊區(qū)到輪輻外緣的壁厚分布規(guī)律.從圖13可以看出，輪輻成形件在大部分區(qū)域發(fā)生了材料的減薄，但在翻邊成形區(qū)的減薄更為明顯;壁厚最小值是位于孔口區(qū)的3.16 mm，減薄率為31%.說明這一區(qū)域在翻邊成形時(shí)減薄嚴(yán)重，可能會因?yàn)檫^度減薄而影響輪輻的使用，或?qū)е铝慵膱?bào)廢.

圖13 壁厚分布

3 結(jié)論

1)基于ABAQUS/Explicit平臺，建立了B550CL高強(qiáng)鋼用于輪輻成形時(shí)反拉深-翻邊復(fù)合工序三維有限元模型，并通過試制輪輻驗(yàn)證其可靠性.

2)采用所建模型，模擬獲得了B550CL高強(qiáng)鋼輪輻復(fù)合成形過程中材料的應(yīng)力應(yīng)變分布變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)翻邊成形的孔口區(qū)是變形時(shí)應(yīng)力最為集中、變形量最大的區(qū)域，使得這一區(qū)域容易發(fā)生開裂.

3)采用所建模型，模擬獲得了B550CL高強(qiáng)鋼輪輻復(fù)合成形過程中材料的損傷和壁厚分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)翻邊成形的孔口區(qū)的損傷值過大，實(shí)際成形過程可能出現(xiàn)開裂;同時(shí)這一區(qū)域也存在壁厚過度減薄的現(xiàn)象，有可能影響輪輻的正常使用甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢.

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