异种板材成对液压成形的材料变形行为研究

刘 伟，刘 钢，崔晓磊，武 永

(1.哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨150001; 2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001)

异种板材成对液压成形的材料变形行为研究

刘 伟1，2，刘 钢1，2，崔晓磊2，武 永2

(1.哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨150001; 2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001)

通过应力分析了异种板材配对液压成形过程板材的变形行为和相互作用，采用DC04、DP450两种板材组成3种配对方案，通过数值模拟和实验获得了3组配对方案中板材的法兰流入量、试件高度和壁厚分布.研究发现，强度低的板材先发生变形，并带动强度高的板材变形，而后者阻碍前者变形，两个板材总体上趋于协同变形，数值模拟和实验结果证明了力学分析结论的正确性.

液压成形;异种板材;变形行为;数值模拟;高强钢;摩擦力

随着高强钢等高强度轻量化材料的逐步应用，以及采用“以空代实”的轻量化结构的日益需要，汽车、飞机、高速列车等运载工具对轻量化、高强度空腔结构件的需求愈加迫切［1-3］.

板材成对液压成形技术由德国最早提出［4-5］.如图1所示，该工艺将两张板坯叠放在模具里，合模并施加合模力，然后向两板坯之间充入高压液体，使板材在液体压力下分别贴模，从而成形出空腔曲面零件，所成形的板坯可以是周边预先焊接的或未焊接的.该工艺的优点在于可以一次成形两个不同形状的零件或一个复杂截面形状的空腔零件，提高生产效率，节省模具费用，特别适合用于制造汽车车身的横梁、A/B/C柱、悬臂、排气系统和油箱等零件［6-8］.

板材成对液压成形工艺如果采用周边预先焊接的板坯，则可以一步得到封闭的空腔零件，但由于焊缝的约束经常导致双板相互变形的受限，很难成形复杂形状零件，也不能充分发挥材料的性能［9-11］.相反，如果采用周边未焊接的板坯，则可以通过变化压边力实现法兰处板材的流动控制，从而同时提高双板的成形性，实现复杂形状零件的成形［12-13］.因此，在此基础上，一种“液压预成形-修边-激光焊接-液压整形”的工艺将焊接工序安排在预成形和整形之间，实现了复杂件成形焊接一体化［14］.

图1 板材成对液压成形工艺示意图

在板坯未焊接情况下，当采用不同板材配对时，由于材料性能的差异导致板材的流动行为不同并相互影响.然而，类似的研究鲜有报道.因此，本文采用未焊接的DC04、DP450两种板材配对，以半球形件为研究对象，探讨异种板材成对液压成形的板材相互影响规律、流动特性和变形行为.

1 力学分析

板材成对液压成形时，板材在液体压力的作用下产生拉深和胀形变形，法兰区域板材作为变形区向模具型腔内流动，受力情况如图2所示.

图2 法兰区的摩擦应力示意图

在法兰区域，径向应力可以通过理想变形径向应力σr和摩擦作用的径向应力σm叠加而求得.当液体压力在法兰区内边缘处产生的拉应力σP足够大，板料被拉入模具型腔需满足式(1)时:

其中，根据微分平衡条件和塑性方程可以求得σr和σm:式中:β为中间主应力影响系数;σs为材料的屈服强度;μD为板材与下模的摩擦系数;μB为板材与上模的摩擦系数;PFL为板材法兰区单位面积上的压边力;t为板材厚度;FCL为合模力.

对于异种板材成对液压成形，两板之间由于接触和滑动会产生相互摩擦力.设两板中强度较低的为A板，强度较高的为B板，A板在相对较低的液体压力下就可以被拉入模具型腔，且拉入量大于B板，作用在两块板材上的摩擦应力是不同的.

对于A板满足式(1)时，有

其中

对于B板满足式(1)时，有

其中

式(5)和式(7)中:μS为两板之间的动摩擦系数.

当两板未发生相对滑动前，σm，A=σm，B，由式(2)可知

因此，由式(8)可知，在相同的液体压力作用下，由于A板强度较低，首先满足变形条件被拉入模具型腔.随着A板进入模具型腔，A板受到B板的摩擦力方向与A板的运动方向相反，即A板受到摩擦阻力.由式(5)可知，A板需要更大的液压力维持继续变形.与此对应，B板受到A板的摩擦力方向和B板的运动方向相同，即B板受到有益摩擦力.而由式(7)可知，B板发生变形所需的力由于“有益摩擦”而有所减小.这说明:当力学性能不同的A、B两板成对液压成形时，强度较低的A板首先发生变形，并带动强度较高的B板开始变形，而B板阻碍A板继续变形.总体变形行为可以表述为:A板和B板趋于协同变形.

2 数值模拟

采用上、下各一个半球形件构成一个成形对，建立研究对象和数值模型，如图3所示.其中，模具型腔的直径为100 mm，圆角半径为6 mm，板材直径为170 mm.板材采用B-T壳单元离散，本构关系采用各向异性指数强化模型(Type36)，接触模型采用面-面接触类型:FORMING_ONE_ WAY_SURFACE_TO_SURFACE，设定摩擦系数μ=0.08.

为了便于观察各板材的变形行为和相互影响，采用A板(材料DC04)和B板(材料DP450)两种力学性能差别较大的板材，性能参数如表1所示.其中，DC04板厚为1 mm，DP450板厚为1.17 mm.材料密度为 7.83 g/cm3、杨氏模量207 GPa、泊松比0.3.

图3 有限元网格模型

表1 DC04和DP450板材力学性能参数

按照图4的曲线设定阶梯型加载路径，分别对三组板材配对液压成形过程进行数值模拟，包括二组相同板材配对和一组异种板材配对，得到图5所示的3组板材配对组合下的法兰流动情况.其中，A板的流入量从第1组的20.5 mm减小为第3组的13.3 mm，流入量减少35%;相反，B板的流入量从第2组的2.7 mm增加为第3组的3.3 mm，流入量增加22%，如表2所示.

图4 液体压力－合模力加载曲线

表2的数值模拟结果说明:异种板材成形时，两板材之间有相对滑动摩擦力，A板材由于模具和B板的双重摩擦阻力作用，流入量减小;B板的摩擦条件因A板给它的有益摩擦作用的存在而发生了改善，从而使得其流入量提高.

图5 不同板材配对法兰流动情况

表2 三组板材配对的法兰流入距离

3 实验研究

实验采用2 000 kN板材液压成形机，最大合模力为1 000 kN，整个成形过程可实现自动控制.实验模具如图6所示，实验过程将两张板坯置于上下模具之间，使用丁腈橡胶O型密封圈实现板材与模具间以及上下模具间的密封，液体充液口充入板材中间，同时通过控制合模力的大小来防止液体的泄露.

图6 成形实验装置

实验研究采用与数值模拟相同的研究方案和加载路径以及板材尺寸，并测量成形试件法兰流入距离和试件高度，测量结果如表3所示.比较发现:第1组和第3组中A板的法兰流入量由22.6 mm减少到11.5 mm，试件高度由62.1 mm减少到48.1 mm;第2组和第3组中B板的法兰流入量由2.7 mm增加到到3.1 mm，试件高度由18.0 mm增加到21.6 mm.实验测量的法兰流入量变化和数值模拟比较接近，同时证明了理论分析结果的正确，表明摩擦力的作用对板材变形的影响规律.

表3 不同板材配对的成形试件法兰流入距离和试件高度

分别沿3组成形试件的中心对称面剖分，如图7所示.沿半球形件中心点到法兰边缘取等弧长的22个测量点分别测量壁厚，以各测点为横坐标，壁厚为纵坐标，绘制出的壁厚分布曲线见图8.

图7 3组板材配对的成形试件

图8 成形件的壁厚分布曲线

图8的壁厚分布表明:相对于第1组，第3组中的A板壁厚减薄较小;从而证明了B板对A板的摩擦阻力作用使A板变形量减小;而B板在第2组和第3组两种配对条件下的壁厚变化都很小，实际测量厚度变化并不明显.

4 结论

1)理论分析表明:异种板材成对液压成形时，随着液体压力的增大，强度低的板材先发生变形，两板材之间发生相对滑动产生摩擦力，强度低的板材带动强度高的板材变形，强度高的板材阻碍强度低的板材变形，两板材趋于协同变形.

2)通过3组板材配对的数值模拟和实验研究，在分析法兰流入量、成形件高度以及壁厚分布基础上发现:与同种板材配对相比，异种板材配对时，强度高的板材(A板)法兰流入量从20.5 mm减小到13.3 mm，流入量减少35%，成形试件高度由62.1 mm降低到48.1 mm;强度高的板材(B板)法兰流入量从2.7 mm增加到3.3 mm，流入量增加22%，成形试件高度由18.0 mm增加到21.6 mm.

3)数值模拟结果和实验结果比较接近，验证了理论分析结论，所发现的异种配对时板材的相互影响及变形行为，为不同材料、复杂形状空腔零件成对液压成形提供了理论依据.

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Hydroforming behavior of double sheets of different materials

LIU Wei1，2，LIU Gang1，2，CUI Xiao-lei2，WU Yong2
(1.National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China; 2.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

The deformation behaviors between blanks are much different when two kinds of material sheets are hydroformed.The behaviors and interactioin effect of two blanks were analyzed by stress method.Three pairs of blanks of material DC04 and DP450 were used for the hydroforming of double hemispheres by numerical simulations and experiments.The blank flow-in，the height of forming parts and the thickness distribution were investigated and the results proved that the stress analysis was correct.The study shows that the blank with lower strength will be formed before the blank with higher strength，and the former will drive the latter to be deformed.However，the latter will restrain the deformation of the former.As a result，there is a certain synergy deformation between the two blanks.

sheet hydroforming;different sheets;deformation behavior;numerical simulation;high strength steel;friction

TG394 文献标志码:A 文章编号:1005-0299(2012)06-0092-05

2012-10-18.

国家自然科学基金青年科学基金项目(No.50905041);载运工具与装备教育部重点实验室开放基金资助项目(09JD18);教育部博士点基金资助项目(20092302120079).

刘 伟(1977-)，男，博士，讲师;

刘 钢(1971-)，男，教授，博士生导师.

刘 伟，E-mail:liuw@hit.edu.cn.

(编辑 吕雪梅)