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解读弯曲-反弯曲导致的板料成形性增强效应

已有 715 次阅读 2020-5-24 22:52 |系统分类:科研笔记

利用模具对材料进行压力成型加工过程中,有一个重要的概念,叫做成型性。什么是成型性?我们可以把成型性设想成汽车油箱里的油。你要开车从A到B,中间没有加油站,你当然希望这一箱油开到地方以后,还有一些剩余。你不希望车没开到地方,在半路上油就用光了。材料成型过程也是这个道理。你希望在成型结束的时候,变形最剧烈的地方,还有一些剩余成形性没有被用掉,这样你就能够得到一个完好无损的成形件,否则,你只能得到一个破损的废品。

一个好的成型工程师,应该积极主动地管理调配成型过程中的变形程度分布,经过精明的变形量分布管理和调整以后,在变形结束时,保证最大变形处仍然还有一些剩余变形能力。对于板金属成型而言,各处变形量的管理就是控制变形成形极限图上那些高位点(最大主应变峰值)到成形极限曲线的距离.

20多年前,美国三大汽车厂的板料成型工程师在冲压车间发现了一个有趣的现象:在某些特定的部位,即使成型变形量大大超过传统的成形极限曲线(FLC), 过度的局部减薄和破裂居然没有发生,大批量的冲压件因此可以成功地成形出来。反复用同一批材料在实验室做成形极限试验以后,他们确信材料的成形极限曲线没有变。百思不得其解之后,三家汽车厂和七家钢厂启动了一项费用为20万美元的“汽车/钢铁合作伙伴关系科研项目”,研究板材被拉过拉延筋(DRAW BEAD)以后,它们的成型极限究竟发生了什么变化。

实验研究发现。当板金属几次经过拉延筋的弯曲和反弯曲变形之后,观察到它们的拉伸性能确实有了明显的增加。如果能够充分利用这份额外的可成型性,则可以生产出更高质量的金属板件,减少冲压车间试模期间的模具修改。

该项目的实验数据和研究成果为今后理解这种未知的FLD增强(Enhanced FLD)效果,提供了事实基础。根据该项目的研究成果,当时还提出了可用于冲压车间的修正预测方程式和适用的计算机程序。

该项目的一项关键结论是,通过拉延筋或模具半径的弯曲和反弯曲变形产生的变薄应变,与传统平面内拉伸产生的同样程度的变薄应变相比,前者仅仅造成(消耗)相当于后者40%的成形能力减损。

20年前的实验中用的是车身用软钢和DP600以下的第1代高强度钢。后来的实验进一步表明,这种弯曲-反弯曲导致的成形性增强效应在铝合金板和第3代超高强度钢板上也存在。

如何理解这种弯曲-反弯曲导致的成形性增强效应?这件事的道理是什么?根据我了解到的目前的文献,还没有人对此给出一套合理的解释。我个人的理解是这样的:

板材内部以及外部总是存在微观的冶金结构和几何形状的缺陷,叫做“初始不均匀”。早期的MK理论里就用到过这种初始不均匀的概念,研究这种不均匀如何在变形过程中进一步发展恶化,以至于最后产生极高的应变峰,导致变形集中于一条窄带上,最后导致发生断裂。

材料的成型性就是对这种变形不均匀发展的抵抗能力。随着不均匀变形的发展,材料的成型性自身也被逐渐消耗掉。但是在不同的变形模式下,即使产生了同样程度的等效应变,材料成形性的消耗程度也是不一样的。

在下面这两个图中,我想说在拉伸变形情况下,板内各处的应变分布是由拉伸力的平衡决定的。而在弯曲-反弯曲的变形情况下,板内的各处的应变是由弯曲几何决定的,或者说是由该点所在的位置到中性层的距离决定的.

在弯曲变形情况下,各个点的地位是平等的,无论是否有内部缺陷或初始不均匀,弯曲变形几何条件都会逼着它们做出同样的变形。而在拉伸情况下,初始不均匀或者缺陷比较少的地方,就可以偷一些懒,少变形一些,让那些初始不均匀相对严重的地方多变形一些,成形性能多消耗一些。

所以,到最后算总账的时候,对那部分在前一段经过了拉延筋或模具半径的弯曲和反弯曲变形的变形量,就要打一个60%折。


ASP Draw Bead enhance FLD for steel Training Manual.pdf

bending.JPG

Measure of Forming Limit Strain on the Aluminum Sheets Passed Through Draw-Bead .pdf

tension.JPG




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