第２１卷第３期 安徽冶金科技职业学院学报 Ｖｏ１．２１．Ｎｏ．３ ２０１１年７月 Ｊｏｕｍａｌ ０ｆ Ａｎｈｕｉ Ｖｏｃａｆｉｏｎ￣Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕ１．２０１１ ＣＳＰ工艺和常规工艺生产的 冷轧板成形性能研究 钱海帆［¨，陈斌 ，陈继平 ，钱健清 ２］ （［１］马 钢 股 份 有 限 公 司安徽马鞍山２４３０００） （【２】安徽工业大学金属材料与加工重点实验室 安徽马鞍山ｚ￣３ｏｏｏ） 摘 要：通过ＰＡＭ—ＳＴＡＭＰ２Ｇ分析了不同板厚、摩擦系数、压边力等因素对ＣＳＰ工艺与常规工艺的冷轧板胀形过程的影 响，对两种工艺的冷轧板在胀形过程中板料的厚度分布均匀性、胀形深度、成形性能等进行了比较分析。结果表明：ＣＳＰ工 艺与常规工艺ＤＱ级冷轧板的胀形深度基本相同。当摩擦系数为Ｏ．１２板厚为１．８ｍ时，以ＣＳＰ为原料的冷轧板ＣＳＰ工艺 与常规工艺冷轧板的胀形深度差值最大，最大差值达０．２５“ｍ。随着摩擦的增加，两者胀形深度相差减少。在弹性形变的过 程中，两者厚度变化均匀性一致。在局部发生屈服形变时，常规工艺冷轧板的厚度分布均匀性要稍好，但两种工艺冷轧板的 总体厚度分布均匀性相差不大。 关键词：冷轧板；成形性能；胀形 中图分类号：ＴＧ３３５．５ ５文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—９９９４．（２０１１）０３—００ｏ１—０５ 以ＣＳＰ热轧板为原料冷轧板的应变硬化指数 成形性能方面究竟有多少差异尚无定论。因此对 ｎ值在整个应变范围内的总体值是偏低的，但是由 以ＣＳＰ热轧板为原料的冷轧板和常规工艺生产的 于检测标准在对ｎ值的检测过程中取的是较大应 冷轧板的成形性能进行对比研究，对实际生产具有 变范围，忽略了小应变范围内ｎ值的变化规律，故 十分重要的实际参考价值和指导意义。 而没能反映整个均匀塑性变形阶段的总体ｎ值特 性，这给冷轧板成形性能的预测带来了极大的误差 １两种工艺冷轧板的材料性能参数 与不便 一副。 以ＣＳＰ为原料冷板ＳＰＣＤ板和常规工艺冷轧 本文重点研究ｎ值特性和屈强比对冷轧板成 板Ｓｔｌ３板的ｎ值对比如图１所示。 形性能的影响，其它参数（如杨氏模量、泊松比、厚 ０ ６ 向异性指数、延伸率等）假设都是相同的，由于在生 产实践中基本不可能找出符合这种条件的两种不 ０．２５ 同工艺冷轧板，因此需要用有限元模拟分析这种状 ｎ２４ 态下的冷轧板成形性能差异。本文将从板料的胀 ０２３ 形深度、厚度分布均匀性、成形极限图三个方面分 析ｎ值对ＣＳＰ工艺和常规工艺生产的冷轧板的成 ｎ２２ 形性能的影响。 ０２１ 与ＤＱ级常规工艺冷轧板相比，目前以ＣＳＰ热 轧板为原料的ＤＱ级冷轧板生产同样经冷轧、退火 Ｏ．２Ｏ ｏ ｕ ｏ．∞ ｏ．四 ｏ．１ｏ Ｕ１Ｚ ｎ１４ ｏ．１５ １８ 等工序完成，并且冷轧、退火工序也与常规工艺没 应变ｅ 有差别，但由于冷轧的原料采用了ＣＳＰ工艺生产 图１两种不同原料冷轧板ｎ值随应变的变化 的热轧板，其冷轧产品与常规工艺生产的冷轧板在 由图１可看出，ｎ值在整个应变区间内是不断 变化的，并且总的趋势是先增加后减小，最后慢慢 收稿日期：２０１１—０６—２０ 趋于一个比较稳定的状态。小应变范围内，常规工 作者简介：钱海帆（１９６ｌ一），男，马钢股份公司，副总工程师。 艺冷轧板的ｎ值比ＣＳＰ工艺冷轧板的要大，而在大 ・２・ 安徽冶金科技职业学院学报 ２０１１年第３期 应变范围内，两者１１＿值相差不大。但计算屈强比 ／ａｂ的应变范围大于上述计算ｎ值的应变范围， 是从屈服点的应变一直到颈缩点的应变。故而可 以考虑。两种材料的屈强比的差别是由小的应变范 围内的ｎ值差别及其变化引起的。所以对冷轧板 的应变硬化指数ｒＬ值在小应变范围内的研究和分 析就显得尤为主要。从小应变范围内ｎ值变化对 冷轧板的成形性能的影响开始，继而分析整个应变 范围内ｎ值变化对冷轧板的成形性能的影响，从而 提出合理的方案对冲压工艺能进行指导。本文选 用的ＤＱ级冷轧板的力学性能参数如表１所示。 表１冷轧板的力学性能参数 两种材料的屈强比吼 在小应变范围内有较 ３两种工艺冷轧板的胀形深度比较分析 利用ＰＡＭ—ＳＴＡＭＰ进行胀形深度分析时，根 据杯突标准，通过材料的ＦＬＤ测出板料刚破裂时 的深度为杯突值或胀形深度。有限元模型如图３ 所示。 大差别，一般说来，小应变范围内ＣＳＰ工艺冷轧板 的屈强比ｏ．／ｏｈ要比常规工艺冷轧板要大得多，ｎ 值相差不大。计算屈强比的应变范围大于上述计 算ｎ值的应变范围，是从屈服点的应变一直到颈缩 点的应变。故而可以考虑，两种材料的屈强比的差 别是由小的应变范围内的ｎ值差别及其变化引起 的。 ｌ ｉ ｔ： － ．■ 一 ／ 在冲压生产中，毛坯形状的变化和零件形状的 形成过程通常是在常温下进行。金属材料在常温 下的塑性变形过程中，由于冷变形的硬化效应引起 的材料机械性能的变化，结果使其强度指标（屈服 强度 抗拉强度ｃ『ｂ）随变形程度加大而增加，同时 ｊｊ ： ： ，， 墨： ： ： 塑性指标降低。因此，在进行变形毛坯内各部分的 应力分析和各种工艺参数的确定时，必须考虑到材 料在冷变形硬化中的屈服强度的变化。材料不同， 变形条件不同，其加工硬化的程度也就不同。材料 加工硬化不仅使所需的变形力增加，而且对冲压变 形有较大的影响，有时是有利的，有时是不利的。 在胀形工艺中，材料的硬化能减少过大的局部集中 摹： ： 图２两种冷轧板真应力曲线比较 ＿：： ＰＭｒｏｊｄｅｕｃｌｅｔ：”。ｓ．ｔｍａｔｅｐ ｉ２ｎ６ｇ５２５：＇Ｔ。 ｉｍｅ＝板２．科６４破０裂０处 。 图３板料破裂时的有限元模型 变形，使变形趋向均匀，增大成形极限。 两者力学性能的差异导致了两种材料应力一 应变（ｄ一￡）曲线的不同，因此根据两种材料的力学 性能的差异，在数值模拟软件ＰＡＭ—ＳＴＡＭＰ ２Ｇ中 对这两种材料的应力一应变曲线进行了仔细的分 析，通过这两种冷轧板小应变范围内的ｎ值差异得 出它们的真应力曲线比较图，如图２所示（实线代 表ＣＳＰ工艺冷轧板、虚线代表常规工艺冷轧板）。 利用ＰＡＭ—ＳＴＡＭＰ对两种ＤＱ级冷轧板在不 同板厚和摩擦系数下胀形深度进行模拟，利用 Ｏｒｉ百ｎＬ丑ｂ将以上的胀形深度进行数据处理后可以 总第５３期 钱海帆等．ＣＳＰ工艺和常规工艺生产的冷轧板成形性能研究 ・３・ 得到如图４所示。从以上胀形深度比较图，总体来 为１．８ ｍｍ时，ＣＳＰ为原料的冷轧板与常规工艺冷 看：ＤＱ级ＣＳＰ为原料的冷轧板与常规工艺冷轧板 轧板的胀形深度差值较大，最大差值达到０．２５ｎａｎ； 的总胀形深度基本相同。当摩擦系数为０．１２板厚 随着摩擦的增加，两者胀形相差减少。 ．．Ｈ膨Ｅｃ艺 板聃 板肼号 ａ】磨擦系数为Ｏ．１２ ｂ】磨擦系数为Ｏ．１８ 橱鞘呜板粥 ｃ）磨擦系数为０．２４ ｄ）磨擦系数为０．３０ 图４不同摩擦系数和板厚下的胀形深度比较 ４两种工艺的冷轧板厚度分布比较分析 料的厚度分布均匀性很有必要。分别对两种的第 １２０步到１６０步厚度分布分别进行分析如下图６所 利用软件后处理功能，通过分析板料厚度分布 示。（其中实线代表ＣＳＰ工艺冷轧板，虚线代表常 均匀性，可以判断两种不同原料冷轧板成形性能的 规工艺冷轧板）。 优劣。图５是板料厚度变化分布，板料对应于模具 型面变化剧烈的部位或圆角半径小的部位材料厚 度最薄，也就是减薄率最大，容易产生减薄过大而 破裂，产生厚度变化不均匀的原因是：板料在气压 的作用下先是自由变形，当板料某一局部与模具型 腔接触时，在摩擦阻力作用下这一局部将不再参与 变形。随着板料逐步贴模，板料上变形的区域越来 越小，而这部分区域的板料厚度将继续变薄，乃至 发生破裂现象。 ｎ值对胀形时材料的厚度分布均匀性影响很 大，由于常规工艺冷轧板在较小应变范围内的ｎ值 比ＣＳＰ工艺冷轧板的要大，故所以研究胀形时材 ・４・ 安徽冶金科技职业学院学报 ２０１１年第３期 分布均匀性比常规工艺冷轧板的稍好。随着胀形 冷轧板的厚度均匀性与常规工艺冷轧板相差较小。 深度的增大，在第２００步到第２６０步时ＣＳＰ为原料 。 ｝ ＿ １ ． 一 跚 ｌ —曩 ； ．｛ 、ＩＪ Ｉ。 Ｉ １ ｆ ｊ一 ５一 一 ．ｆ ■ ａ第２０步厚度分布比较 ｂ第１００步厚度分布比较 １ ，、Ｉｒ ＿ｌ ｆ ｝ ｛ ５１＾ ＾ｆ ■累 ｌ ＿ 、 ｜ ｉ ｌ ｌ ｛ １ 『 ｊ ＼ ｆ ｌ １ Ｉ Ｊ ｌ ｆ ｊ ｆ ｌ ｌ § Ｉ ｌ ，Ｉ ， ■ ｌ ／ ｆ ｃ第１２０步厚度分布比较ｄ第１６０步厚度分布比较 ＿ 暑ｌ卜 —、 ｊ 』 １． ．Ｉ ｊ －一 、 ｒ ｒ ＿一 ●Ⅳ ｌ 』 Ｉ Ｉ ＇ ， Ｉ １ ｒ ｑ ｐ ｊ ｈ １ ＩＩ ｒ ｌ Ｉ Ｊ Ｉ ｌ 、 Ｉ ｌ ｒ ｌ ｌ ｒ 、 ｌ Ｉ ， 、 Ｉ ｌ ～ ｒ 、 ● Ｆ １ ｅ第２００步厚度分布比较 ｆ第２６０步厚度分布比较 图６胀形过程各步厚度分布 从上面的研究可以看出：在整个应变范围内， 强比Ｏｓ／ａｂ稍大对材料厚度分布均匀性有利，由于 常规工艺冷轧板与ＣＳｔ＇为原料冷轧板的厚度变化 常规工艺冷轧板的屈强比 小，说明屈服强度 是一个变化的过程。在刚刚发生弹性形变的过程 小而抗拉强度ａｂ大，即材料由屈服到破裂的塑 时，两者在弹性阶段的应力应变曲线是相同的，所 性变形长，容易产生塑性变形而不易产生拉裂，所 以两者厚度变化也是基本一致的。 以屈强比不能过大，否则会影响板料厚度分布的均 在到了屈服的阶段，屈强比ｄ。 对板料冲压 匀性，进而影响板料的胀形深度。因此在薄板的局 成形性能影响较大。一般来讲，在小应变范围内屈 部发生屈服形变的部位，常规工艺冷轧板的厚度分 总第５３期 钱海帆等：ｃｓＰ工艺和常规工艺生产的冷轧板成形性能研究 ・５・ 布均匀性要好些，但总体厚度分布相差很小。 随着胀形深度的增大，ＤＱ级ＣＳＰ工艺冷轧板 性形变阶段，两者弹性范围的应力应变曲线是相同 的，故两者厚度变化均匀性也是一致的。在局部发 生屈服形变时，常规工艺冷轧板的厚度分布均匀性 的ｎ值与常规工艺冷轧板相差不大，所以在第２４０ 步后常规工艺冷轧板的厚度分布均匀性比常规工 艺冷轧板相差不是很大。 要稍好，但两种工艺冷轧板的总体厚度分布均匀性 相差不大。 参考文献 ［１］ 罗亚军，杨曦，何丹农．板料成形中的有限元数值模拟 ５结论 本文分析了不同板厚、摩擦系数、屈服强度等 因素对两种不同原料冷轧板胀形过程的影响，对两 技术［Ｊ］．金属成形工艺，２ＯＯＯ，６：４２—４６ 种冷轧板在胀形过程中厚度分布均匀性、成形性能 ［２］徐丙坤，施法中，陈中奎．板料冲压成形数值模拟中的 的差异性等进行全面客观和深入地分析评估。得 几个关键问题［Ｊ］．塑性工程学报，２００１，２：２１—２３ 出的主要结论如下： ［３］张晓静，周贤宾，李新军．汽车覆盖件多工步成形数值 （１）ＣＳＰ工艺与常规工艺ＤＱ级冷轧板的胀形 模拟技术研究［Ｊ］．塑性工程学报，２００１，１：１８—２１ ［４］黄庆宝．板料成形及模具数值模拟分析［Ｄ］．哈尔滨： 深度基本相同。当摩擦系数为０．１２板厚为１．８ｍｍ 哈尔滨理工大学，２Ｏ０７ 时，ＣＳＰ为原料与常规工艺冷轧板的胀形差值最 ［５］杨大宇，陈玉全，吴明阳．汽车覆盖件拉延模具虚拟调 大，最大差值为０．２５ｍｍ；随着摩擦的增加，两者胀 试的研究［盯．制造技术与机床，２ＯＯ７，７：２１—２４ 形相差减少。 ［６］ 邱晓刚，卢国清，陈文龙．板材成形有限元仿真技术的 （２）在整个变形范围内，常规工艺与ＣＳＰ为原 应用［Ｊ］．钢铁钒钛，２ＯＯ３，１：１６—１９ 料冷轧板的厚度均匀性是一个变化的过程。在弹 Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ Ｃｏｌｄ．．．ｒｏｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｓｈｅｅｔｓ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｖ ＣＳＰ Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＱＩＡＮ Ｈ￡Ｌｉ—Ｆａｎ，ＣＨＥＮ Ｂｉｎ，ＣＨＥＮ Ｊｉ—ｐｉｎｇ，ＱＩＡＮ Ｊｉａｎ—Ｑｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｔｈｅ ｉ血ｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｂｌａｎｋ ｈｏｌｄｅｒ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆａｃ— ｔｏｍ ｏｎ ｔｈｅ ｂｕｌｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｃｏｌｄ—－ｒｏｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｓｈｅｅｔｓ ｐｒｔｘｔｕｃｅｄ ｂｙ ＣＳＰ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｃｅｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ａＩｌａ ｕｓｉｎｇ ｈｔｅ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＰＡＭ—ＳＴＡＭＰ ２Ｇ．Ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ ｈｔｉｃｋｎｅｓｓ ｕｎｉｆｏｒｍｉ— ｔｙ，ｂｕｌｇｉｇｎ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｏｆｒｍｉｇｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｃｏｌｄ—ｒｏｌｌｄｅ ｓｈｅｅｔｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｂｕｌ￣ｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｗｅｒｅ ａｌ－ ｏｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｈｔｅ ｂｕｌｇｉｇｎ ｄｅｐｔｈｓ ｏｆｔｈｅ ｃｏｌｄ—ｒｏｌｌｄｅ ｓｈｅｅｔｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ＣＳＰ ｔｅｃｈｎ— ｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｔｈｅ ｓａｍｅ．Ｔｈｅ ｂ．１ｇｍｇ ｄｅｐｔｈ ｈａｓ ｍａｘｉｎｌｍ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｏｉ ０． ２５ｍｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｗｏ ｃｏｌｄ－・ｒｏｌｌｅｄ ｓｔｅｌ ｓｈｅｅｔｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ＣＳＰ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｃｅｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｅｎ ｈｔｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ０．１２ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ １．８ｍｍ．Ｔｈｅ ｂｕｔ￣ｇ ｄｅｐｔｈ ｈａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ．Ｂｏｔｈ ｓｔｅｌ ｓｈｅｅｔｓ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｓａＩｎｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｄｕｒｉｇｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｍｍｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｌｄ—ｗｉｌｄｅ ｓｈｅｅｔ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｕｎｉｏｆｒｍｉｔｙ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｙｉｅｌｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ＯＣＣＵＲＳ，ｂｕｔ ｈｔｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｈｔｉｃｋｎｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉ． ｂｕｔｉｏｎ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｓｔｅｅｌ ｓｈｅｅｔｓ ｈａｓ ｌｉｔｌｔｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｅｅｔ；ｆｏｒｍｉｇｎ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｂｕｌｙｉｎｇ
