模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法.pdf

一种车辆工程技术领域的模拟汽车板表面拉毛缺陷的方法。本发明在制备好冲压胚料，设定模具工况和成形条件后，对压力机作出调整，包括：试验用压力机为单动倒装式压力机，冲压凸模为浅底锥台盒形状，压边板、凹模型腔应该同加工、以保证同心性，型腔尺寸也相同，压边板、凹模形状与凸模的外轮廓相同，且压边板与凸模、凹模与凸模之间的模具间隙都为1.5mm、中心与凸模相同，凹模工作面的长、短拉延筋凸筋与压边板上的长、短拉延筋凹筋的对称中心相同，拉延筋凸筋和凹筋分别镶嵌压边板和凹模的工作面，保证镶嵌结合部绝对平滑，然后进行拉毛实验。本发明能更准确地模拟汽车覆盖件冲压过程中板料的应力应变状态。

权利要求书
1、  一种模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，其特征在于，在制备好冲压胚料，设定模具工况和成形条件后，对压力机作出调整，包括：试验用压力机为单动倒装式压力机，冲压凸模为浅底锥台盒形状，压边板、凹模型腔应该同加工、以保证同心性，型腔尺寸也相同，压边板、凹模形状与凸模的外轮廓相同，且压边板与凸模、凹模与凸模之间的模具间隙都为1.5mm、中心与凸模相同，凹模工作面的长、短拉延筋凸筋与压边板上的长、短拉延筋凹筋的对称中心相同，拉延筋凸筋和凹筋分别镶嵌压边板和凹模的工作面，保证镶嵌结合部绝对平滑，然后进行拉毛实验。

2、  根据权利要求1所述的模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，其特征是，所述的制备好冲压胚料，是指：浅底锥台盒形件特征尺寸为200×100×60mm，半锥角为10°，选取汽车用钢板，切成400×300规格的冲压胚料。

3、  根据权利要求1所述的模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，其特征是，所述的设定模具工况，是指：针对所研究的汽车板冲压成形工况，确定所需要研究的模具状态，包括模具材质、模具表面硬度、模具表面粗糙度大小及纹理参数，加工模具，完成实验装置的开发。

4、  根据权利要求1所述的模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，其特征是，所述的设定成形条件，是指：
a.布置拉延筋：在浅底锥台盒形件的直边部分布置拉延筋，拉延筋的长短由直边的长度而定；
b.压边力的确定：以保证冲压件合理变形为前提确定各处压边力大小；
c.冲压速度的确定：冲压速度为：3mm/s；
d.冲压深度的确定：冲压深度为60mm；
e.成形在室温下进行，冲压采用普通冲压用润滑油。

5、  根据权利要求1所述的模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，其特征是，所采用的凹模状态为：凹模材质为铸铁，凹模工作面表面粗糙度为0.2～2.0μm之间，压边板材质、表面硬度以及工作面表面粗糙度的设置都和凹模的相同。

6、  根据权利要求1所述的模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，其特征是，单动倒装式压力机的凹模垫块安装在上底板上，凹模镶嵌在凹模垫块上，拉延筋凸筋安装在凹模的工作表面，凹模、凹模垫块以及凸模垫块能随着上底板在压力机上横梁的带动下一起上下运动。

7、  根据权利要求1或者6所述的模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，其特征是，单动倒装式压力机的背向导块安装于下底板上，凸模安装在下底板上，压边板放置于顶杆上，能随顶杆上下运动，拉延筋凹筋直接镶嵌在压边板的上工作面。

8、  根据权利要求4所述的模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，其特征是，所述的压边力的确定，具体为弯角处压边力小于直边处压边力，曲率半径小的弯角处压边力小于曲率半径大的弯角处压边力。

说明书模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法
技术领域
本发明涉及的是一种车辆工程技术领域的方法，具体是一种模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法。
背景技术
在冷轧钢板冲压成形中，特别是板料拉深成形中，当板料处于滑动运动时，由于板料和模具工作表面间的强制接触，可能发生粘着磨损，这时成形件会被严重损伤，即冲压件出现表面损伤——拉毛现象。在生产中，通过减少拉毛缺陷，可以提高产品表面质量和成品率。所以，研究拉毛现象和预防拉毛产生措施对汽车制造商和汽车板供应商都是非常重要。在冷轧钢板冲压成形过程中，出现拉毛现象与诸多因素相关：板料的材质(成分与组织)、力学性能(如加工硬化特性)以及表面形貌(如粗糙度)，模具的材质(成分与组织)、力学性能(如硬度)、表面形貌(如粗糙度及其纹理)以及形状尺寸，还有外部条件如润滑(成分与用量)、温度、异物等，还有成形条件如变形模式与变形量、压边力、流入速度、接触面积等。目前相关的研究主要集中在薄板弯曲成形方面，采用的成形方式基本上都是U形件弯曲，该方法的成形特点主要是，产生拉毛部位板料只受近似平面拉伸应变状态的应力，属于板料拉伸类成形，特征成形模式单一，只能模拟覆盖件拉深模具较大直边部位板料的成形情况。该方法的缺点是无法获得更多应力状态下板料变形时拉毛特性，变形方式单一，基本上只能反应钢板简单弯曲变形时的板料拉毛特性。
经对现有技术的文献检索发现，澳大利亚的D.M.Fabijanic等人在期刊《Metal Forming》(《金属成形》)2000年第9期上发表论文“Improving thegalling resistance of automotive stamping tools”(“提高汽车冲压模具的抗拉毛性能”)，该文用弯曲成形方法研究了汽车板冲压模具的抗磨损性能，他们都在实验中实现了对拉毛的模拟，不过也都有明显的局限性，主要是板料拉毛只发生在弯曲成形的直边部分，而对于几何形状多样的汽车覆盖件，其成形模式是拉深变形，即除在较大直边部位存在有弯曲变形，其他部位均是拉深变形，属于板料压缩类成形，并且发生在模具转角部位的拉毛缺陷比直边部位的拉毛现象更为普遍，所以采用U形件弯曲变形来模拟模具磨损(或板料抗拉毛性)对于研究汽车板拉毛特性有较大的局限性，不能完全满足研究各因素对拉毛行为的影响规律和建立科学评价拉毛缺陷的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，本发明提出一种模拟汽车板料表面拉毛缺陷的方法，使用带拉延筋的浅底锥台盒形件拉深成形来模拟汽车覆盖件冲压过程中的拉毛缺陷，此种薄板成形方式能更准确地模拟汽车覆盖件冲压过程中板料的应力应变状态。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
1)制备冲压胚料
浅底锥台盒形件特征尺寸为200*100*60mm，半锥角为10°。选取某种汽车用钢板，切成400×300规格的冲压胚料。
2)确定模具状态
针对所研究的汽车板冲压成形工况，确定所需要研究的模具状态，主要包括模具材质、模具表面硬度、模具表面粗糙度大小及纹理等参数，加工模具，完成实验装置的开发；所采用的凹模状态为：凹模材质为当前汽车生产厂家常用的铸铁，凹模表面硬度为HRC30～65不等，凹模工作面表面粗糙度为0.2～2.0μm之间，为了便于分析实验结果，确定每一个模具因素对拉毛影响规律，压边板材质、表面硬度以及工作面表面粗糙度的设置都和凹模的相同。
3)压力机的装配
结合多点变压边力压力机，按照实验件所采用浅底锥台盒形件的形状尺寸，设计能够实现浅底锥台盒形件拉深变形的汽车板拉毛模拟器实验装置；试验用压力机为单动倒装式压力机，凹模垫块安装在上底板上，凹模镶嵌在凹模垫块上，拉延筋凸筋安装在凹模的工作表面，凹模、凹模垫块以及凸模垫块可随着上底板在压力机上横梁的带动下一起上下运动，背向导块安装于下底板上，凸模安装在下底板上，压边板置于顶杆上，可随顶杆上下运动，拉延筋凹筋直接镶嵌在压边板的上工作面。压边板、凹模型腔应该同加工、以保证同心性，型腔尺寸也相同。压边板、凹模形状与凸模的外轮廓相同，且压边板与凸模、凹模与凸模之间的模具间隙都为1.5mm、中心与凸模相同。凹模工作面的长、短拉延筋凸筋与压边板上的长、短拉延筋凹筋的对称中心相同，拉延筋凸筋和凹筋分别镶嵌压边板和凹模的工作面，保证镶嵌结合部绝对平滑。
4)确定成形条件
a.布置拉延筋。
浅底锥台盒形件各部分变形形状不同决定了拉延筋分布的不均匀性，在盒形件的直边部分布置拉延筋，弯角处不设拉延筋，拉延筋的长短由直边的长度而定。
b.压边力的确定。
以保证冲压件合理变形为前提确定各处压边力大小，具体为弯角处压边力小于直边处压边力，曲率半径小的弯角处压边力小于曲率半径大的弯角处压边力。
c.冲压速度的确定。
根据浅底盒形件的形状特点取冲压速度为：3mm/s。
d.冲压深度的确定。
根据所研究的汽车板冲压成形工况，确定冲压深度为60mm。
e.其他成形条件
成形在室温下进行，冲压采用普通冲压用润滑油。
5)进行拉毛实验
a.在完成多次成形后模具表面将会出现粘结瘤，从而划伤实验件表面，产生拉毛缺陷。随着拉深成形的次数增加，拉毛会愈加严重，记录拉深件数和拉毛严重程度，为研究模具各因素对拉毛的影响规律提供依据；当出现拉毛缺陷以后，可以有针对性地开展评价方法研究，为生产现场提供一套科学的评价方法。
b.模拟影响汽车覆盖件拉毛缺陷的多个因素及水平值。
当研究某一种模具因素的多个水平值的拉毛特性时，可发挥该装置镶块式结构的优点，只需更换实验装置的部分元件，如凹模、压边板的模具状态参数，就能实现该实验方案的需求。把这种模具因素的多个水平值地拉毛特性归纳起来，就可以得出该模具因素对汽车板拉毛缺陷的影响规律。
本发明方法的成形特点主要是，从几何结构上，该盒形件底部与侧壁相接的圆角采用较大的圆角半径，而法兰与侧壁相接的圆角采用较小的圆角半径，侧壁锥角采用中等角度，这种浅底锥台盒形件的形状特征与多数轿车外覆盖件的形状相似；从变形特征上，盒形件的直边长度差异较大和侧壁大转角可以获得更多应力状态下板料变形，即在较长直边部位附近产生近似平面拉伸应变的应力状态，在转角部位附近产生拉深变形的压缩应力状态，在短直角边部位产生介于前两者之间应力状态，与覆盖件结构较急剧变化的部位相似，整体上特征成形模式比较复杂，而侧壁带锥角能够实现随着压机压下时板料接触凹模圆角量不断增加，这一物理过程与覆盖件成形过程完全相符，拉延筋是大多数覆盖件成形中所特有的结构。用该零件能较全面地模拟覆盖件拉深模具不同部位板料成形情况，且与形状多样的汽车覆盖件变形程度更为相近，可获得更多应力状态下板料变形时拉毛特性，能够满足研究汽车板拉毛特性研究的要求。此外，该零件不但可以实现本盒形件拉深成形，还可实现前述的弯曲成形。
本发明具有实质性特点，突破了研究汽车板拉毛缺陷采用传统的U形弯曲件成形方法所具有局限性，提出了浅底锥台盒形件拉深的成形方法，使得实验研究中不仅能得到板料成形件直边部分的拉毛缺陷，也能得到与实际工艺更为接近的圆角部位的拉毛缺陷，为研究冲压过程中模具各因素对拉毛的影响规律以及评价拉毛方法打下了良好的基础。
附图说明
图1为本发明实施例所采用的装置结构示意图
图2a、图2b、图2c为浅底锥台盒形件形状主视图、俯视图和左视图
具体实施方式
结合附图和本发明技术方案提供以下实施例：
具体的实施步骤如下：
1、制备冲压胚料
如图2a、图2b、图2c所示，浅底锥台盒形件特征尺寸为200*100*60mm，半锥角为10°。选用车身覆盖件冲压用高强度冷轧钢板，制作400×300的矩形胚料。
2、确定模具状态
根据本发明方法，在实验室比较了高强度冷轧汽车钢板在Cr12MoV和HT300两种模具材质上的拉毛特性，分别以这两种钢同时作为凹模2和压边板14的材质，表面硬度经热处理后定为33～35HRC，模具工作面表面为1.6μm，在压边力、冲压速度、润滑、温度等其他工艺条件以及钢板型号相同的情况下进行拉毛实验。
3、压力机的装配
本实施例主要在多点变压边力压力机上完成。如图1所示，本实施例中使用的装置，包括：上底板1、凹模2、凹模垫块3、凸模4、凸模垫块5、背向导块6、下底板7、压边板8、顶杆9、压边板拉延筋凹筋10、凹模拉延筋凸筋11。
上底板1和压力机上横梁相连，凹模垫块3在上底板1上，凸模垫块5安装在上底板1，凹模2镶嵌凹模垫块3上，拉延筋凸筋11安装在凹模2的工作表面，凹模2、凹模垫块3以及凸模垫块5可随着上底板1在压力机上横梁的带动下一起上下运动，背向导块6通过六角镙栓和普通圆柱销安装于下底板7上，凸模4通过内六角螺钉和内六角螺钉安装在下底板7上，压边板8放于顶杆9上，可随顶杆9上下运动，拉延筋凹筋10直接镶嵌在压边板8的上工作面。
压边板8、凹模2型腔同应该同加工、以保证同心性，型腔尺寸也相同。压边板8、凹模2形状与凸模4的外轮廓相同，且压边板8与凸模4、凹模2与凸模4之间的模具间隙都为1.5mm、中心与凸模4相同。凹模2工作面的长、短拉延筋凸筋11与压边板上的长、短拉延筋凹筋10的对称中心相同，拉延筋凸筋11和凹筋10分别镶嵌压边板8和凹模2的工作面，保证镶嵌结合部绝对平滑。
凹模2材质为当前汽车生产厂家常用的铸铁，凹模2表面硬度为HRC30～65不等，凹模2工作面表面粗糙度为0.2～2.0μm之间，为了便于分析实验结果，确定每一个模具因素对拉毛影响规律，压边板8的材质、表面硬度以及工作面表面粗糙度的设置都和凹模2相同。
冲压成形时，毛坯置于压边板8上，凹模2在压力机上横梁的带动下向下运动，当凹模2接触毛坯时，压边板8随凹模2一起向下运动，此时顶杆9对压边板8施加一定的向上压紧力，在压紧力和凹模2向下运动下使毛坯变形成为预期的盒形件。
4、确定成形条件
a.布置拉延筋
在浅底锥台盒形件的四个直边部位各布置一条拉延筋，弯曲部位不设拉延筋。
b.设置压边力
总压边力大小为12吨，在图2b上1、2、3、4、5和6所对应的位置各设2吨压边力。
c.冲压速度为3mm/s。
d.冲压深度为60mm。
e.在室温下进行实验，润滑油采用普通冲压用润滑油。
5、进行拉毛实验
实验结果表明：
a.在材质为Cr12MoV的模具上，拉深80件左右时汽车钢板出现明显的拉毛缺陷，到180件时最大划痕深度为60μm，而材质为HT300的模具在拉深30件左右即有明显的拉毛缺陷，到75件左右最大划痕深度即达到65μm。
b.材质为Cr12MoV的模具在拉深80件时拉毛出现在浅底锥台盒形件四个转角部位的周围，到108件时直边部位才有明显的拉毛缺陷，材质为HT300的模具在拉深30件时拉毛也出现在浅底锥台盒形件四个转角周围，到42件时直边部位才有明显的拉毛缺陷，并且两种材质条件下的实验都是零件转角部位的拉毛程度比直边部位的拉毛程度严重，所测的划痕深度最大值都出现在转角部位，这一结果对变形较为复杂的成形件在成形过程中，相对于直边部位的拉毛缺陷而言，零件转角部位的拉毛缺陷是占主导地位的。
此实施例结果表明这种汽车覆盖件拉毛缺陷模拟方法能够顺利地在实验室环境中再现汽车钢板拉毛缺陷，相对于只能模拟直边部位拉毛缺陷的U形件弯曲成形方法来说，这种浅底锥台盒形件拉深成形方法可以真实再现汽车板在车身覆盖件冲压环境中板料表面拉毛缺陷行为，为研究汽车板的拉毛特性打下良好的基础。