带钢宽向性能差异对圆盖类产品成形质量影响有限元分析

文｜康永华、刘伟、关成亮、胡小明、蒋岩茹、吉学军、徐成敖首钢京唐钢铁联合有限责任公司

带钢在热轧、冷轧生产过程中，带钢沿宽向的压下变形、换热条件等边界条件是存在差异，导致厚度分布和轧后力学性能存在差异，这种差异导致圆盖类产品冲压时出现成圆不良的“拉方”缺陷。特别对带钢边部，其变形状态和换热条件与中部有较大差异，其金相组织和力学性能与中部差异较大，更容易造成这种“拉方”缺陷。

用户对圆盖类产品下料时，采用多模具对整板面同时冲裁圆料，因圆坯的尺寸和冲裁模具间距是固定的，当“拉方”程度超出后序切边范围，会给用户造成“成圆不良”的废品。

带钢成形有限元分析技术能较准确地分析冲压成形后带钢的变形分布、各部位成形后质量状况，但如果不考虑带钢宽度方向上的特性差异，就不能真实、准确反映冲压成形后的不均匀情况。

从上世纪80年代以来，为分析汽车制造中拼焊板的成形特点，拼焊板有限元分析技术近三十年来逐步成熟，本研究借鉴拼焊板冲压成形的有限元分析方法，对坯料按带钢宽向分为若干块坯料处理，按每块的具体力学性能和厚度分别赋值，各坯料边界进行拼接处理，利用有限元软件按照用户模具进行冲压成形模拟计算，计算成形质量、不均匀变形情况。

考虑带钢宽向性能差异的有限元计算分析方法

坯料分区预处理

根据冲压成形计算精度要求，带钢宽度方向性能差异大小确定坯料分区，按区域分别绘制坯料三维图，按多坯料建立有限元模型，按区划分有限元网格，对相邻区边界设置焊缝，采用刚性连接。各坯料分别输入各区域与轧向呈00、450、900拉伸屈服曲线，以充分反映各区域的力学性能各向异性，输入材料的成形极限曲线。

建立模具模型

建立模具三维几何壳模型，并导入建立的有限元模型，进行网格处理。

设置冲压加工工艺参数

建立冲压步，对每步输入模具各部分的运动顺序、方向及速度、压边力，据需要设置每步冲压的帧数，启动有限元模型计算。

冲压成形模拟计算及分析

提交有限元软件计算，计算冲压件各部位在成形过程中各块坯料的成形极限图、厚度分布云图，测量冲压后各处直径，计算不圆度。

计算实例

本实例对圆形顶盖成形的第一序进行计算，顶盖成品见图1，第一序形状及尺寸见图2，坯料直径102mm。

坯料处理

①根据其厚度特点和性能差异分为3块，通过三维绘图软件，按图1绘三块坯料，导入有限元软件，按壳单元处理，对三块坯料分别制作相同密度的网格，坯料间焊缝处理为刚性连接，坯料有限元模型及有限元网格见图3。

图3顶盖成形第一序有限元模型

②材料力学性能输入。

材料模型选用Barlat3型塑性模型，在有限元模型中输入三块坯料与轧向呈00、450、900拉伸屈服曲线，坯料1的拉伸屈服曲线见图4，坯料2的拉伸屈服曲线见图5，坯料3的拉伸屈服曲线见图6，输入每块坯料的三个方向（与轧向呈00、450、900）塑性硬变比r。

（a）轧向(b)450(c)900

图4坯料1拉伸屈服曲线

（a） （b）(c)

（a）轧向(b)450(c)900

图5坯料2拉伸屈服曲线

（a）（b）(c)

（a）轧向(b)450(c)900

③输入材料成形极限曲线，见图7。

于有限元前处理接口输入实验检测的成形极限曲线FLC，见图7。

建立模具有限元模型

根据用户的模具，利用三维绘图软件绘制模具三维图，导入有限元分析模型，划分网格，建立的模具几何模型见图8，有限元模型见图9。

图8模具三维图

3）设置冲压参数

定义模具及材料的摩擦系数，设定各冲压工具每步动作的运动方向及速度，不动的工具设为静止，对承载力的工具设置力的方向和大小，检查无误后启动模型运算。

4）模拟运算结果

①成形后的形状

变形后模拟的情况见图10，因坯料1的强度高且较薄，位于带钢边部位置，冲压后延伸小，出现较大的不圆性，因此顶盖坯料位于边部时，易出现“拉方”缺陷，利用有限元软件的后处理测量功能，测了轧向和垂直轧向的直径，分别为86。358mm、86。397mm，可看出坯料变形明显的不均匀性。

②各部位的成形质量

利用软件的运算的成形极限图，可观察各部位的成形质量。图11为坯料1的成形极限图，图12为坯料2的成形极限图，图13为坯料3的成形极限图。

③成形后的厚度分布

图14为计算的变形后厚度分布。

结论

通过以上模拟计算，带钢宽度方向的力学性能和厚度的不均匀会造成冲压变形后金属变形程度不同，圆盖类冲压产品会造成冲后不圆，对成圆性能要求较高的冲压成形，不能忽略带钢宽向性能分布的不均匀性。

在用有限元方法分析时，借鉴拼焊板的坯料处理方法，通过划分坯料分区域建模，充分考虑带钢宽向性能的差异性，可较真实反映宽向性能和厚度不均匀性对成形的影响，一方面为改善带钢宽向性能不均提供较准确的依据；另一方面对圆盖类产品，为用户提供材料不圆度数据，对制造的修边量及坯料尺寸提供较准确的依据。