先进高强度钢冲压零件表面鼓包形成机理和预测研究

调查显示，车身外覆盖件表面鼓包问题在一些国内自主品牌汽车企业出现，如夏天车身侧围加油口附近出现鼓包、侧围在涂装工序中烘烤后出现鼓包、车身冲压件上出现圆币型鼓包等，这些问题困扰着汽车企业。 导致鼓包现象出现的机理是首先需要解决的问题。通过试验和理论分析揭示了温度对面畸变的影响机理，随着温度升高，材料的弹性模量和屈服应力都有下降，这样板料更容易出现压缩失稳，出现鼓包。在车身前期设计中应该考虑温度影响，可能需要增加零件型面的刚性。某些鼓包实际上是板料离开模具接触面后回弹所产生的由于零件冲压后的应力释放，导致某些部位在接触去掉以后零件出现鼓包。提出了双向压缩试验的试验方法，开发了一套双向压缩试验的夹具，结合试验和仿真研究，分析了面内压缩应力对鼓包的影响。提出了模具与板料之间可能形成封闭空间，这些封闭空间在体积缩小时会出现温度升高、压力增大，导致板料上出现圆币形鼓包。 为了准确预测表面鼓包问题，需要准确的材料参数。开发了一套拉伸和压缩试验夹具，求得了包辛格效应的材料参数，试验中发现，材料在反向加载是很容易发生屈服，这是导致反向加载时材料很容易出现局部鼓包的原因。提出了一种光学方法获取应变的方法，开发了相应的软件。把这种方法应用于试件在温度控制的水中，测量材料在较高温度下的力学性能参数。 实际生产中出现冲压件产品质量问题，总是通过调整模具间隙、局部修改模具型面来处理各种成形质量问题，包括开裂、回弹、起皱和面畸变等。提出了在仿真中显示板料与模具之间实际局部间隙的方法，申请并获得了专利。提出了一种基于位移传感器监控模具间隙的方法，开展了试验并验证了这种方法的可行性。模具在成形中由于成形力变化，可能导致模具变形或偏移，导致间隙改变，特别提出了模具压力中心的确定方法，这种方法确定的压力中心能减少模具的变形或偏移。 本项目提出新的面畸变产生机理可以解释车身表面鼓包问题，提出的材料试验方法和获取的参数是准确预测车身表面鼓包的基础。模具间隙检查与控制方法的研究，可减少在生产中表面鼓包问题的发生。这些研究成果对国内外覆盖件模具的设计制造、提高外覆盖件表面质量有重要意义。

车身外覆盖件出现表面鼓包问题会显著降低冲压件表面质量。采用高强度钢的车身零件后表面鼓包质量问题更加突出。冲压、装配、烘烤过程中都可能出现表面鼓包问题。现在还没有预示冲压零件表面鼓包位置和风险的方法。本项目拟研究高强度钢冲压零件表面鼓包发生机理和预示方法，用于分析零件冲压、装配或烘烤后零件发生鼓包的位置及其风险。首先需要采用试验研究，分析表面鼓包发生的机理，取得各种预应变下材料发生起皱的极限应力；然后，建立起皱极限应力的数学分析模型，在该模型中考虑零件的几何形状、预应变、平面双向应力比值和材料力学性能等。其次，基于该数学分析模型，提出一种高强度钢冲压零件表面鼓包的预测方法。最后，对提出方法进行验证，并预测装配、烘烤后出现表面鼓包的部位和风险。如果本项目研究成功，将可以指导高强度钢车身零件的几何型面设计、冲压工艺设计和模具设计，还可对车身结构设计、装配设计等有一定的指导意义。

边缘破裂是金属板料冲压成形中一类常见的破裂现象。破裂边缘应力状态与单拉应力状态相似，但其极限应变并不与单拉应变极值相符。成形极限图对于大多数成形工艺都是适用的，但并不足以预测潜在的边缘破裂。对于第一代先进高强钢，已有的研究成果从工艺参数和微观结构方面实验观察了对扩孔率的影响，但并未明确其机理，也并未建立相关联的预测准则；对于第三代先进高强钢边缘断裂问题的研究尚未开展。本课题从微观结构参数入手，研究先进高强钢边缘断裂的诱发机理，分析材料性能参数、微观结构参数、断面质量、工艺参数、几何特征参数以及加载路径对边缘破裂的影响，观察温度、导热性、应变速率、预变形对受剪切变形影响区域材料微观结构的影响，提炼对边缘拉伸变形性能具有决定性影响因素的参数,基于连续介质力学建立先进高强钢边缘破裂的预测判据并与CAE软件相结合形成成形极限补充判据。研究成果将有助于阐明边缘破裂的产生机理，提高其数值模拟预测精度。

本项目针对边缘破裂问题开展了一系列的实验和理论研究，通过进行单向拉伸、冲孔、扩孔和胀形实验，对各工艺下破裂试样的断口形貌进行观察，分析了先进高强钢成形过程中破裂的类型及特征，定性及定量比较了不同材料在相同工艺条件下、同种材料在不同工艺条件下的断口形貌差异，以期进一步了解破裂的机理与规律；通过进行预变形、扩孔和高温单拉实验，探究预变形、曲率半径和冲裁热效应对高强钢边缘拉伸性能的影响；针对先进高强钢的边缘破裂提出了新的预测模型，可以改善传统理想模型无法准确预测边缘破裂的问题。主要研究成果如下： （1）单向拉伸试验中DP590、DP780、DP980的断裂模式为韧窝型韧性断裂，MS1180和MS1300的断裂模式为介于韧窝断裂和解理断裂之间的准解理型断裂。冲孔实验中DP钢随着强度级别的升高，断裂带越来越光滑；对于MS1180和MS1300，断裂带由非常细小的拉裂韧窝组成，MS1180平均韧窝直径大约1.6μm，MS1300平均韧窝直径大约1.2μm。扩孔实验中五种高强钢破裂模式均为韧窝型韧性断裂，随着钢板强度级别的升高，平均韧窝直径减小，韧窝密度先增大后减小。在胀形实验中，DP780和DP980的断裂模式均为韧窝型韧性断裂。 （2）预变形导致的加工硬化会明显影响板料边缘的拉伸性能，且预变形量越大边缘拉伸性能越差。3%-9%的预变形量使DP780扩孔率下降约6%-12%； 0°方向3%-9%的预变形量使DP980扩孔率下降约5%-11%；90°方向预拉伸对DP980扩孔率的影响较小，扩孔率下降了约3%。 （3）对同种材料，边缘的曲率半径越小，拉伸性能越差。DP780孔径为15mm的扩孔率比孔径为9mm的扩孔率高5.09%；DP980孔径为15mm的扩孔率比孔径为9mm的扩孔率高6.26%。此外，DP980边缘成形性能对曲率变化的敏感程度要大于DP780。 （4）冲裁变形区的温度变化对薄板冲裁断面质量影响较小。 （5）基于M-K模型和Hill颈缩理论建立了新的有限元模型，适用于考虑冲裁损伤的边缘成形极限预测。通过冲孔和扩孔实验验证了新模型在预测边缘成形性能方面的优越性。 （6）引入法向应力，与M-K理论相结合，获得了能考虑法向应力影响的成形极限模型，法向应力提高应力和应变空间内描述的材料的成形极限，双线性应变路径下法向应力的作用阶段对材料的成形极限有显著的影响。 2100433B