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汽车钢板冲压成形表面损伤规律与控制方法研究

作　者: 侯英岢
导　师: 张卫刚; 于忠奇
学　校: 上海交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 冲压成形高强度钢板镀锌板表面损伤演化模型硬度匹配窗口
分类号: TG386
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

为适应现代汽车轻量化、安全性和耐腐蚀性等发展趋势，高强度钢板和镀锌钢板在汽车上的应用越来越多。但高强度钢板和镀锌钢板在冲压过程中也遇到了诸多挑战，如高强度钢板冲压成形时由于需要更大的压边力和拉深力，在成形过程中更容易引起板料表面损伤，镀锌钢板在冲压加工中也出现了镀层粉化、脱落和龟裂等表面损伤缺陷。板料表面损伤不仅影响了汽车的使用性能，而且加速了模具磨损，破坏了冲压工艺稳定性，提高了汽车制造成本。因此研究高强度钢板和镀锌钢板在冲压成形中的表面损伤行为，揭示各影响因素对板料表面损伤的影响规律，抑制或减轻高强度钢板和镀锌钢板表面损伤，对推广高强度钢板和镀锌钢板的工程应用、降低汽车制造成本有着重要的理论意义和实际价值。本文在借鉴和吸收国内外先进研究成果的基础上，针对高强度钢板和镀锌钢板在冲压成形中的表面损伤现象进行了系统研究。首先根据板料冲压加工中的变形、摩擦等特点以及板料表面损伤的特征建立板料表面损伤物理模拟实验及评价系统；在此基础上研究模具和工艺等因素对高强度钢板表面损伤的影响规律，建立高强度钢板表面损伤演化模型；接着研究不同模具硬度条件下钢板强度对板料表面损伤的影响规律，建立可抑制表面损伤缺陷的钢板与模具硬度匹配窗口；最后研究镀锌钢板表面损伤规律以及镀锌工艺对镀锌板表面损伤类型的影响，揭示镀锌钢板表面损伤特点以及产生机理。本文的主要研究内容如下：（1）针对钢板冲压加工特点的板料表面损伤物理模拟实验研究由于车身覆盖件冲压成形中钢板的塑性变形行为以及变形模式的复杂性，使用传统摩擦实验装置不能模拟钢板与模具间的接触摩擦。首先分析车身覆盖件冲压成形中钢板与模具间的接触摩擦特点以及板料表面损伤特征，设计一具有多种板料变形模式的复杂零件来研究钢板冲压加工中的板料表面损伤。为进一步研究模具、工艺及板料因素对板料表面损伤的影响规律，设计带拉延筋的U形件来模拟钢板在拉伸-弯曲变形模式下的表面损伤现象。最后基于车身覆盖件生产现场工况，制定钢板表面损伤影响因素变化范围，设计板料表面损伤模拟实验方案，并研究板料表面损伤定量评价参数及其测量方法。（2）高强度钢板表面损伤规律及其演化模型建立以高强度钢板B170P1为研究对象，首先研究模具材料Cr12MoV、Mo-Cr合金铸铁、球墨铸铁和灰铸铁对钢板表面损伤的影响，结果表明，Mo-Cr合金铸铁是适合高强度钢板冲压成形的最优模具材料。接着使用不同硬度、粗糙度水平的Mo-Cr合金铸铁模具，研究模具和工艺条件等因素对钢板表面损伤的影响规律，得出可以通过提高模具硬度、模具表面粗糙度等级以及适当减小压边力等措施来减轻板料表面损伤缺陷。最后在物理模拟实验数据的基础上，建立高强度钢板表面损伤演化模型，并验证了模型的正确性。利用本部分的研究内容，可以综合考虑模具及工艺等因素来制定技术措施，进而抑制或减轻板料表面损伤缺陷。（3）面向高强钢板表面损伤的板材与模具硬度匹配窗口建立随着钢板强度水平的提高，钢板冲压成形需要更高的压边力，冲压加工中更容易引起板料表面损伤，而且由于钢板硬度的提高，模具磨损也更严重。因此，对于不同强度等级的高强度钢板冲压成形，模具应进行不同的表面处理以得到不同级别的表面硬度。以高强度钢板B170P1、DP590和DP780为对象，研究高强度钢板冲压成形时钢板强度与模具硬度的匹配问题。首先以钢板表面损伤Ry值为设计目标，以钢板硬度（即钢板强度）、模具硬度、零件冲压次数为变量因子，进行Box-Behnken实验设计。在实验研究的基础上，建立二阶响应面模型，最后通过模型重构建立钢板与模具硬度匹配窗口。利用此匹配窗口，可有效指导模具选材、以及模具寿命预测，抑制高强度钢板表面损伤发生，降低产品废品率。（4）镀锌钢板表面损伤分析热镀锌、热镀锌合金化和电镀锌是典型的镀锌工艺，不同性质的锌镀层与模具表面形成不同的摩擦副，在钢板冲压加工中产生不同类型和不同程度的表面损伤，因此对于不同类型镀锌钢板的冲压加工，应使用不同表面状态的模具以减轻板料表面损伤缺陷。首先研究模具硬度、模具粗糙度对不同种类镀锌钢板的影响规律，在此基础上分析三种镀锌工艺对钢板表面损伤类型的影响，提出抑制镀锌钢板表面损伤的技术措施。最后通过对镀锌钢板镀层硬度、表面形貌、化学成分等的测量和分析，揭示不同镀锌钢板表面损伤产生的机理。根据本章研究内容可以确定模具表面状态，进而减轻三种镀锌钢板冲压加工中的表面损伤缺陷。通过以上研究工作，本文对高强度钢板和镀锌钢板在冲压加工中的表面损伤现象进行了全面和系统的分析。从钢板冲压成形中板料表面损伤特征、物理模拟方法、评价等方面都进行了较为深入的探讨，对模具因素、工艺条件、钢板种类对板料表面损伤的影响都进行了比较全面的研究，为高强度钢板和镀锌钢板在汽车制造中的进一步推广，奠定了坚实的基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-29
  1.1 研究背景和研究意义  13-15
  1.2 薄板表面损伤研究现状  15-25
    1.2.1 板料表面损伤机理研究  16-17
    1.2.2 板料表面损伤模拟实验装置  17-20
    1.2.3 板料表面损伤的定量评价  20-21
    1.2.4 影响板料表面损伤的因素  21-22
    1.2.5 改善板料表面损伤的措施  22-25
  1.3 研究现状总结  25-26
  1.4 本文研究目标、研究内容  26-29
    1.4.1 本文研究的主要目标  26-27
    1.4.2 本文研究的主要内容  27-29
第二章薄板冲压中板料表面损伤物理模拟实验研究  29-51
  2.1 引言  29
  2.2 针对薄板冲压成形的板料表面损伤模拟实验装置研究  29-38
    2.2.1 薄板冲压中的接触摩擦特点  29-31
    2.2.2 薄板冲压中的板料表面损伤特点  31-32
    2.2.3 模拟复杂变形模式的特征零件设计  32-36
    2.2.4 模拟拉伸-弯曲变形模式的零件设计  36-38
  2.3 板料表面损伤模拟实验条件  38-44
    2.3.1 薄板冲压中的润滑  38-40
    2.3.2 实验模具表面状态  40-43
    2.3.3 实验板料选择  43-44
  2.4 板料表面损伤定量评价方法研究  44-50
    2.4.1 表面损伤定量评价参数  44-47
    2.4.2 评价参数阈值确定  47-49
    2.4.3 表面损伤测量方案  49-50
  2.5 本章小结  50-51
第三章高强度钢板表面损伤规律及其演化模型研究  51-69
  3.1 引言  51
  3.2 模具因素对板料表面损伤的影响规律  51-57
    3.2.1 模具材料对板料表面损伤的影响  51-53
    3.2.2 模具硬度对板料表面损伤的影响  53-55
    3.2.3 模具表面粗糙度对板料表面损伤的影响  55-57
  3.3 工艺条件对板料表面损伤的影响规律  57-61
    3.3.1 压边力对板料表面损伤的影响  57-58
    3.3.2 润滑条件对板料表面损伤的影响  58-60
    3.3.3 板料变形模式对表面损伤的影响  60-61
  3.4 表面损伤演化模型的建立  61-68
    3.4.1 表面损伤演化模型的建立方法  62-66
    3.4.2 表面损伤演化模型建立与验证  66-68
  3.5 本章小结  68-69
第四章面向高强钢板表面损伤的板材与模具硬度匹配窗口建立  69-88
  4.1 引言  69
  4.2 板材与模具硬度匹配窗口建立方法  69-78
    4.2.1 实验设计方法  69-71
    4.2.2 匹配模型建立方法  71-76
    4.2.3 匹配模型的评价方法  76-78
  4.3 钢板强度对高强钢板表面损伤的影响规律  78-83
    4.3.1 高强钢冲压成形压边力的选定  78-80
    4.3.2 钢板强度对高强钢板表面损伤的影响  80-83
  4.4 基于响应面模型的模具硬度匹配窗口建立  83-87
    4.4.1 响应面模型的建立及评价  83-84
    4.4.2 模具硬度匹配窗口的建立  84-87
  4.5 本章小结  87-88
第五章镀锌钢板表面损伤初步分析  88-114
  5.1 引言  88
  5.2 镀锌工艺概述  88-91
    5.2.1 连续热镀锌工艺  88-90
    5.2.2 连续电镀锌工艺  90-91
  5.3 镀锌钢板表面损伤规律  91-102
    5.3.1 不同模具硬度下镀锌板表面损伤规律  92-99
    5.3.2 不同模具粗糙度下镀锌板表面损伤规律  99-100
    5.3.3 镀锌工艺对钢板表面损伤类型的影响  100-102
  5.4 镀锌钢板表面损伤原因分析  102-111
    5.4.1 镀层对板料力学性能的影响分析  102-105
    5.4.2 镀锌板表面损伤原因分析  105-111
  5.5 本章小结  111-114
第六章结论与展望  114-118
  6.1 主要研究工作和结论  114-116
  6.2 主要创新点  116-117
  6.3 不足之处及进一步研究展望  117-118
参考文献  118-126
致谢  126-127
攻读博士期间发表的论文&申请专利  127

汽车钢板冲压成形表面损伤规律与控制方法研究

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