謝暉等

摘要：針對超高強(qiáng)鋼板沖壓模具的磨損問題，提出一種有效而快捷的預(yù)測模具磨損量和使用壽命的方法.該方法采用Archard磨損理論，得到?jīng)_壓成型結(jié)束后模具的磨損區(qū)域主要集中在模具圓角處.系統(tǒng)地研究了模具硬度、沖壓速度和模具材料對模具磨損程度的影響.結(jié)果表明：模具硬度達(dá)到60～65HRC時(shí)能有效減小磨損量；模具磨損量與沖壓速度成正相關(guān)關(guān)系.采用磨損累積法預(yù)測模具修模前的使用壽命，模擬得到的沖壓7 500次的模具磨損量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅相差1.47%，表明該方法是正確可行的.這對于確定合理的沖壓工藝方案和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：Archard理論；數(shù)值模擬；超高強(qiáng)鋼；沖壓；模具磨損

中圖分類號：TG76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research and Application of Die Wear CAE Analysis

of Ultra High Strength Steel Stamping

XIE Hui1，LI Jiangman1，WANG Shien2，ZHU Weidong2，WANG Dongfu2

（1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan Univ，Changsha，

Hunan410082，China；2.Shanghai Tractor & Internal Combustion Engine Co， LTD，Yangpu，Shanghai200433，China）

Abstract：Aiming at the die wear problem of ultra high strength steel stamping forming， an effective and fast method was proposed for predicting die wear and working life. The method adopted Archard wear theory in order to obtain mould wear data after stamping forming. Die wear was mainly concentrated in the die round corners. The factors affecting die wear were analyzed systematically. These factors include die hardness， stamping speed and die material. The results showed that the die wear decreased effectively when the die hardness reached 60～65 HRC. The die wear was positively correlated with the stamping speed. Wear cumulation method was used to predict the service life of die， which had stamped 7500 times. the difference between die wear calculated by simulation and test data was only 1.47%， which showed that the method was feasible. The method has an important practical value in determining reasonable stamping process and designing die structure.

Key words：Archard theory；numerical simulation；ultra high steel；stamping；die wear

生產(chǎn)低油耗、低排放的汽車，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然選擇.超高強(qiáng)鋼因具有較高的強(qiáng)度，能滿足汽車輕量化、碰撞安全性、節(jié)能減排的要求，已被廣泛應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)件和安全加強(qiáng)件等重要零部件中[1].模具磨損是沖壓模具最常見的故障，也是影響模具壽命最主要的因素.同時(shí)模具的磨損還會(huì)影響沖壓工件的形狀、尺寸和表面質(zhì)量[2].由于超高強(qiáng)鋼的高屈服強(qiáng)度、高抗拉強(qiáng)度，沖壓成形時(shí)模具的工作條件較惡劣[3]，模具所承受的載荷更大，模具的磨損情況也更為嚴(yán)重，給汽車模具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來了一系列的問題.因此，超高強(qiáng)鋼沖壓模具的磨損研究具有非常重要的意義.

目前，針對擠壓、鍛壓等其他成形工藝的模具磨損研究比較多，而對于超高強(qiáng)鋼沖壓模具的磨損研究比較少.從1953年起，Archard理論被廣泛應(yīng)用于模具磨損分析中，國內(nèi)外許多學(xué)者針對該磨損理論的修正、磨損預(yù)測以及減小磨損量等進(jìn)行了大量研究.江秉華等在Archard理論的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法分析了模具間隙對模具磨損的影響[4]；林高用等將考慮溫度影響的Archard磨損修正模型與有限元數(shù)值模擬分析方法相結(jié)合，預(yù)測鋁合金擠壓過程中模具表面磨損最嚴(yán)重的部位，提出一種考慮擠壓次數(shù)影響的總磨損量計(jì)算公式[5]；李偉等改進(jìn)傳統(tǒng)磨損量計(jì)算方法，建立了基于型面接觸應(yīng)力的磨損量估算公式[6]；黃瑤等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與有限元分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了模具壽命的快速預(yù)測[7]；彭必友等基于修正的 Archard 磨損理論，利用數(shù)值模擬技術(shù)分析擠出速度對模具磨損程度的影響[8]；Eriksen提出通過優(yōu)化模具設(shè)計(jì)來減小磨損量[9].

國外的模具磨損研究主要集中在實(shí)驗(yàn)方面，然而實(shí)驗(yàn)研究會(huì)受各種外部條件的影響，難以為工程設(shè)計(jì)提供快捷的方法.而數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，則為模具磨損的量化預(yù)測提供了一種新的手段.本文作者在Archard模型的基礎(chǔ)上，對超高強(qiáng)鋼沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測模具的磨損分布；研究模具表面硬度、模具運(yùn)動(dòng)速度和模具材料對超高強(qiáng)鋼模具磨損的影響；利用磨損累積有限元方法得到模具磨損的計(jì)算公式，預(yù)測模具壽命.數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，有利于指導(dǎo)超高強(qiáng)鋼沖壓工藝參數(shù)的確定和模具的設(shè)計(jì)制造.

1建立模型

1.1磨損理論基礎(chǔ)

模具磨損后，不能通過修復(fù)而繼續(xù)服役時(shí)稱為模具失效，在模具失效中，磨損失效占70%左右[5].當(dāng)模具總的磨損量達(dá)到或超過最大允許值時(shí)，模具即失效，在這期間生產(chǎn)的零件數(shù)即為模具的使用壽命.磨損機(jī)理是研究模具磨損的基礎(chǔ)，磨損機(jī)理的研究主要是通過對模具型腔的磨損表面進(jìn)行細(xì)致觀察并結(jié)合一定的假設(shè)來解釋模具磨損產(chǎn)生的原因.模具磨損失效是多種因素相互影響的復(fù)雜過程，可形成磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損等四種類型.經(jīng)研究，其中磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損是模具磨損失效的主要形式[10].模具在工作過程中，與成形坯料直接接觸，并產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)而造成磨損，使模具的尺寸發(fā)生變化或改變了模具的表面狀態(tài)，使其不能繼續(xù)服役而失效.

式中：dV為磨損體積；dP為工件與板料接觸面的法向壓力；dL為模具與工件之間的切向相對滑移距離；H為模具硬度；K為磨損因子，與材料參數(shù)及潤滑條件有關(guān)，根據(jù)接觸條件的不同在10-2～10-7之間波動(dòng).

將式（1）中的dV，dP，dL用下式替換：

式中：dW為磨損深度；dA為接觸面積；u為相對滑移速度；t為滑移時(shí)間.

可以得出以模具磨損深度為輸出結(jié)果的Archard模型公式：

為便于進(jìn)行有限元模擬運(yùn)算，將式（3）進(jìn)行積分變形，得到Archard磨損模型公式：

式中：a，b，c為常數(shù)，鋼材成形中分別取a=1，b=1，c=2.超高強(qiáng)鋼板與模具的接觸條件比普通鋼板更差[11]，取K=10-6.

1.3模具有限元模型

本文的模具模型來自實(shí)際生產(chǎn)中一套用于沖壓DP780鋼的級進(jìn)模的成型模，用于生產(chǎn)雪弗蘭、邁銳寶轎車前縱梁中部加強(qiáng)件.該零件能夠有效吸收、衰減車輛碰撞時(shí)的沖擊能量，圖1為零件產(chǎn)品圖，零件型面較平順，起伏較小，存在兩處圓角區(qū)域.如圖2所示，模具模型包括凹模、凸模和上壓邊圏，為提高數(shù)值模擬的計(jì)算效率，簡化對結(jié)果影響較小的小孔、凸臺、導(dǎo)板等結(jié)構(gòu).初步簡化后的成型模具的外形尺寸為：1 400 mm×395 mm×1 020 mm.圖3為凸模型面圖，模具為左右對稱模，成型工序拉延深度淺，模具型面較平順13.2mm。

板料為DP780鋼，厚度為1 mm，楊氏模量為2.07E5 MPa，屈服極限480 MPa，泊松比0.28，表面硬度260 HV.模具運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?Z，凸模保持固定不動(dòng)，凹模與上壓邊圈的運(yùn)動(dòng)行程為30 mm.模具與板料之間的金屬剪切摩擦因數(shù)為0.12，工作溫度為默認(rèn)的常溫環(huán)境.

劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它需要同時(shí)考慮計(jì)算精度以及計(jì)算效率的問題.劃分的網(wǎng)格形式直接決定網(wǎng)格數(shù)量，一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算時(shí)間也會(huì)增加.本文中模具模型采用四面體單元，能保證較高的計(jì)算精度，同時(shí)采用拉格朗日增量法和共軛求解器進(jìn)行計(jì)算，可提高計(jì)算速度.板料的單元尺寸為1 mm，網(wǎng)格數(shù)目為38 038.模具的單元尺寸為10 mm，最小尺寸2 mm，模具結(jié)構(gòu)中的圓角等部分進(jìn)行網(wǎng)格加密.最后得到模具模型的網(wǎng)格數(shù)分別為：凹模341 391，凸模381 928，上壓邊圈310 173.

2模具磨損的影響因素分析

2.1模具磨損的初始模擬

將模擬條件進(jìn)行一定的簡化，根據(jù)該套模具的沖壓生產(chǎn)條件，設(shè)置板料DP780鋼為理想彈塑性模型，模具材料為理想剛塑性模型.選擇有限元軟件DEFORM3D進(jìn)行計(jì)算分析，模具材料為常用的Cr12MoV，對應(yīng)牌號為DEFORM3D中的AISID2.模具進(jìn)行淬火熱處理，得到模具硬度為55 HRC，模具的模擬運(yùn)動(dòng)速度為300 mm/s.初始模擬結(jié)束后得到的板料成型結(jié)果如圖4所示，板料成型充分，最大有效應(yīng)力值為664 MPa，最大主應(yīng)力值為893 MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在-Y方向的定位孔處.

成型結(jié)束時(shí)凹模和凸模的磨損云圖見圖5和圖6，磨損區(qū)域主要集中在模具的圓角或圓角過渡處.這是因?yàn)閳A角處的坯料流入量較多，模具與板料接觸區(qū)域的正壓力和溫度相比其他部位更大，使其磨損量也是最大的，故成為模具磨損失效的主要區(qū)域. 其中凹模的最大磨損量為6.81e5 mm，滑動(dòng)速度為783 mm/s，接觸應(yīng)力為6 630 MPa.凸模的最大磨損量為7.49e5 mm，相對滑移速度為827 mm/s，接觸應(yīng)力為4 240 MPa.模具的磨損率為6.78e5 mm/s，模具在法向承受的最大載荷為7.344 38e+6 N.

2.2模具表面硬度對磨損的影響

在其他沖壓工藝參數(shù)不變的情況下，將模具硬度設(shè)為65 HRC，再次進(jìn)行數(shù)值模擬.如圖7和圖8，得到凹模和凸模的最大磨損量分別為4.88e5 mm，5.36e5 mm，相比于硬度為55 HRC時(shí)的模具磨損量均減小了28%左右，模具磨損率減小了28.3%，相對滑移速度和接觸應(yīng)力沒有變化.

從上述結(jié)果可以看出沖壓成型過程中模具磨損量與模具硬度成反向的非線性關(guān)系.這是因?yàn)樵谀＞吲c板料的接觸過程中，模具表面硬度高，可以在一定程度上減少工件材料中的雜質(zhì)、材料基體組織中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)對模具所造成的機(jī)械擦傷，即減小了磨損量.

2.3沖壓速度對磨損的影響

其他條件與初始模擬相同，改變模具的運(yùn)動(dòng)速度，分別進(jìn)行沖壓成型的數(shù)值模擬.成型結(jié)束時(shí)，凹模和凸模的磨損結(jié)果分別如表1和表2所示，可以看出：模具運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，凹模和凸模的最大磨損量均變大，模具接觸面的相對滑移速度、接觸應(yīng)力、磨損率也大致呈正比增長關(guān)系.

造成這種結(jié)果主要是因?yàn)殡S著模具與板料接觸時(shí)速度的增加，模具受到的沖擊力也逐漸增加，變形和摩擦所產(chǎn)生的熱也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致成型結(jié)束時(shí)模具的磨損量也增大.同時(shí)，模具運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí)，對板料的拉伸和變形有一定的影響，有可能導(dǎo)致板料成型不充分.模具運(yùn)動(dòng)速度在一定程度上影響著生產(chǎn)效率，因此實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合考慮選擇最佳的沖壓速度.

2.4模具材料對磨損的影響

國內(nèi)的超高強(qiáng)鋼板沖壓模具設(shè)計(jì)通常是在原有的低碳鋼模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，選用更好的模具材料或增大模具尺寸，這樣就導(dǎo)致了模具材料制造成本、模具搬運(yùn)成本、沖壓車間壓力機(jī)噸位和沖壓生產(chǎn)能耗的增加.模具材料應(yīng)能達(dá)到使用性能足夠、工藝性能良好、經(jīng)濟(jì)性合理的要求.超高強(qiáng)度鋼板的磨損情況比普通鋼板沖壓模具嚴(yán)重.為了選擇合適的模具材料，提高超高強(qiáng)度鋼板沖壓模具的壽命，有必要對比不同模具材料在沖壓超高強(qiáng)度鋼板時(shí)的抗磨損性能，以及表面處理工藝等對模具材料磨損性能的影響.

目前國內(nèi)的超高強(qiáng)鋼沖壓模具的鑲塊大多采用Cr12MoV鋼，其具有高淬透性，可用來制造斷面較大、形狀復(fù)雜、經(jīng)受較大沖擊負(fù)荷的各種模具.然而Crl2MoV鋼塑性差，變形抗力大，導(dǎo)熱性差，因此，用作冷作模具鋼鑲塊時(shí)，鍛造工藝要求較嚴(yán)格.

在其他條件與初始模擬相同的情況下，改變模具材料，不同模具鑲塊采用不同材料，利用鍍層處理提高模具表面硬度，分別進(jìn)行沖壓成型的數(shù)值模擬.對表3中的模具磨損結(jié)果進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，工藝條件不變時(shí)，以7CrSiMnMoV鋼為材料的模具最大磨損量比Cr12MoV 鋼做材料的模具最大磨損量更大.通過表面鍍層方法將7CrSiMnMoV鋼模具的表面硬度提高到65 HRC，模擬得到的模具最大磨損量為5.44E-5 mm，比硬度55 HRC的Cr12MoV 鋼模具的最大磨損量更小.同時(shí)7CrSiMnMoV鋼比Cr12MoV鋼成本低，這樣可以同時(shí)較好地控制模具磨損和制造成本.壓邊圈在沖壓過程中的磨損量很小，壓邊圈鑲塊采用價(jià)格更低的7CrSiMnMoV鋼，熱處理獲得55 HRC的模具硬度即可滿足使用要求.凹模和凸模采用不同的模具材料，進(jìn)行不同的表面處理，在保證成形充分的前提下，控制模具的磨損量，降低制造生產(chǎn)成本.

2.5磨損累積預(yù)測法

隨著沖壓次數(shù)的增加，模具表面與工件的接觸壓力、接觸溫度均會(huì)有一定程度的增大，模具之間的接觸型面也有一些變化.實(shí)際生產(chǎn)中，模具的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化后，會(huì)影響到下一次沖壓過程的磨損.但由于模具壽命比較長，單次磨損的累加會(huì)浪費(fèi)較多的資源.模具沖壓次數(shù)達(dá)到千次時(shí)，磨損量變化較明顯，假定模具在 1 000 次以內(nèi)的單次磨損量為恒定值.以1 000次沖壓成型為一組，根據(jù)磨損結(jié)果將模具型面進(jìn)行修正后再進(jìn)行下一組模擬，這樣節(jié)約計(jì)算時(shí)間，磨損結(jié)果也沒有較大誤差[12].從前面的模擬分析可以看出，凹模和凸模的磨損情況基本相同，凸模的磨損比凹模稍大，因此在計(jì)算模具磨損壽命時(shí)以凸模的最大磨損量為依據(jù).

一般當(dāng)模具的最大磨損量達(dá)到0.5 mm時(shí)，模具沖壓出的零件可能會(huì)出現(xiàn)尺寸不良等問題[13]，此時(shí)要進(jìn)行模具保養(yǎng)或者修模.根據(jù)有限元模擬結(jié)果得到，模具在修模之前的壽命為8 000～9 000次.即在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，凸模不發(fā)生疲勞折斷的情況下，凸?？蓻_壓 8 000 件產(chǎn)品而不進(jìn)行修模.

從表4也可看出，隨著間隙值的增大，磨損量逐漸在減小.這是因?yàn)殚g隙值增大后，凸模與凹模的相互干涉量減小，所以磨粒也會(huì)減小.但是當(dāng)模具間隙達(dá)到一定值后，模具磨損量又逐漸增大，這是因?yàn)槟＞吣p進(jìn)入劇烈磨損階段，模具表面粗糙度急劇上升，磨損條件迅速惡化[14].

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

模具的實(shí)際圖如圖9所示，磨損測量主要通過白光掃描得到模具型面的點(diǎn)云信息，考慮試驗(yàn)誤差，進(jìn)行了多次掃描，最終得到一組模具凸模型面的點(diǎn)云信息，如圖10所示.

利用Geomagic Qualify軟件實(shí)現(xiàn)迅速檢測，將掃描后得到的凸模型面點(diǎn)云與模具未磨損時(shí)的型面進(jìn)行法向的差值分析，得到凸模的磨損檢測結(jié)果如圖11所示.凸模磨損后，模具型面將發(fā)生減薄，因此磨損后的模具型面相對于初始模具型面為負(fù)值.凸模的掃描點(diǎn)云與未磨損時(shí)的初始型面間的最大偏差為-4.298 mm，平均偏差為-3.836 mm.因?yàn)閽呙韬蟮狞c(diǎn)云圖與初始模具三維圖之間存在坐標(biāo)差異，因此由最大偏差與平均偏差之間的差值得到凸模的最大磨損量為0.462 mm.

模具已實(shí)際沖壓約7 500次，通過數(shù)值模擬得到的凸模最大磨損量約為0.455 2 mm，比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.462 mm偏小，誤差為1.47 %，表明本文采用的模具磨損的數(shù)值模擬方法具有很好的精度.

4結(jié)論

本文基于Archard 模型，采用數(shù)值模擬的方法，分析了模具硬度、運(yùn)動(dòng)速度、材料等因素對超高強(qiáng)鋼板沖壓模具磨損的影響，通過模具壽命的有限元預(yù)測和磨損試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

1）模具硬度對模具磨損的影響比較顯著，通過淬火、回火或PVD等方式將模具表面硬度提高到60～65 HRC，模具磨損量相比55 HRC時(shí)減少了28 %.

2）一定范圍內(nèi)，隨著模具運(yùn)動(dòng)速度增大，模具的磨損量也隨之增大.在保證板料成型充分、滿足生產(chǎn)要求的前提下，選擇較小的沖壓速度.

3）不同模具材料的抗磨損性能不同，在模具磨損較大的部位采用Cr12MoV制造鑲塊結(jié)構(gòu)，模具磨損較小的部位鑲塊采用7CrSiMnMoV，保證減小模具磨損量的同時(shí)降低生產(chǎn)成本.

4）隨著摩擦因數(shù)的增大，模具的最大磨損量增大.因此模具型腔表面應(yīng)盡量拋光，生產(chǎn)過程中采用良好的潤滑劑，使模具與坯料的摩擦因數(shù)盡量減小，以有效地提高模具的使用壽命.

5）采用磨損累積模擬方法預(yù)測模具修模前的使用壽命為8 000～9 000次，模具實(shí)際沖壓7 500次，模擬得到的磨損量比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小，誤差為1.47 %.證明模具磨損的數(shù)值模擬技術(shù)具有很好的可行性，為確定超高強(qiáng)鋼板的沖壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)和參考.

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