CN112059032A - 一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，涉及材料加工领域，包括以下步骤：1）利用有限元分析软件ABAQUS对金属制件成形过程进行模拟，确定板材成形过程中的大变形区域，即板料厚度减薄严重的区域和破裂区；2）利用感应加热器，在金属板料上围绕大变形区域进行感应加热，产生一个温度场，板材力学性能随温度变化而变化，加热到指定温度后，移开感应加热器，将板材放入模具进行冲压成形。本发明提供的方法主要目的是减小板材成形后的厚度不均，避免变形失稳，提高金属制品寿命和性能；方法简单易行，成本低廉，且对提高板材成形性能有显著效果。

Description

一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法

技术领域

本发明涉及材料加工领域，主要涉及一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法。

背景技术

工业生产中，金属板材的应用十分广泛，金属板材往往需要被模具冲压成特定的形状再使用，但是在实际的生产中，由于金属板材的成形是一个非常复杂的过程，均匀的金属塑性流动很难实现，一旦某些部位的应变过大，就会导致部分减薄甚至直接产生断裂，这对金属制品的寿命和性能有着非常恶劣的影响，现在，也通过一些手段来防止这种情况的发生，比如模具预热，加入润滑剂等，但是这些方法对提高板材成形性能的作用十分有限，板材成形后，较大变形部位的板材相对较小变形部位的板材还是较为薄弱，应变不均，本发明针对这一弊端提出创新。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，具有简单易行，成本低廉，且对提高板材成形极限作用明显的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，包括以下步骤：

1）利用有限元分析软件ABAQUS对金属制件成形过程进行模拟，确定板材成形过程中的大变形区域，即板料厚度减薄严重的区域和破裂区；

2）利用感应加热器，在金属板材上围绕大变形区域进行感应加热，产生一个温度场，板材力学性能随温度变化而变化，加热到指定温度后，移开感应加热器，将板材放入模具进行冲压成形。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2）中感应加热器包括感应线圈和导磁体，所述导磁体使用的是硅钢片叠片，呈“凹”字形，装卡在感应线圈上，所述感应加热器使用机械手夹持，放置在板材成形的大变形区域周围。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1）中所述板材的成形的大变形区域，由有限元分析软件ABAQUS对金属制件的成形过程进行模拟后得出，所述大变形区域周围经感应加热到一定温度后，板材获得梯度性能。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述梯度性能体现为板材力学性能随板材与感应线圈的距离变化而改变，越靠近感应线圈，材料的屈服强度越低，塑性越好。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述感应加热温度由板材减薄程度确定，对金属试件不同温度下的单拉实验，分析实验数据，记录板材塑性改善的温度区间，结合板材成形时大变形部位的减薄程度，在温度区间内选择该部位合理的加热温度，板材大变形区域中厚度减薄率较大，在25%以上时，加热温度在温度区间内上限附近选择，板材厚度减薄率较小，在15%到25%之间时，加热温度在温度区间的下限附近选择。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述单拉实验数据主要包括力位移数据，根据板材力位移曲线显示的信息找出屈服点，当板材屈服点下降为常温下的80%-50%时的温度范围记录为板材塑性改善的温度区间。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果如下：

本发明基于梯度性能提高板材成形极限，有效地改善了材料由于冲压成形的形状差异而产生的应变不均的现象，针对不同的板材和冲压过程，进行不同温度下的单拉实验和成形过程模拟，手段简单，并且十分有针对性，以实验数据为基准进行板材加热方案的设计，利用感应加热器对板材进行精准加热，使其能够达到预想的梯度性能，本方法使用简单，针对性强，对板材冲压成形变形不均的现象有很好的抑制作用。

附图说明

图1为本发明一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法流程图；

图2为本发明实施例板材成形凹模；

图3为本发明实施例板材成形凸模；

图4为本发明实施例板材成形模具压边圈；

图5为本发明实施例板材成形示意图；

图6为本发明实施例板材成形厚度分布图；

图7为本发明实施例感应加热器示意图；

图8为本发明实施例板材加热方式及温度场示意图；

其中，1、感应线圈，2、导磁体，3、大变形区域，4、感应加热器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示， 本实施例提供的一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法， 包括以下几个步骤:

步骤1：对板材进行不同温度下的单拉实验，确定板材的塑性改善的温度区间。对于一般的钢材，加热温度范围温度一般在200-500摄氏度，铝合金材料塑性改善的温度更低，不同温度下的单拉实验能够记录板材变形过程中的力位移数据，进行后续处理，记录板材屈服点下降为常温下的80%-50%时的温度范围，即为板材塑性改善的温度区间。

步骤2：用有限元分析软件ABAQUS对板材的成形过程进行模拟，一块厚度0.8mm的异形高强板常温下在模具中的冲压成形，成形凹模如图2所示，成形凸模如图3所示，压边圈如图4所示，成形示意图如图5所示，在压边圈作用下，板材边缘部分固定，在凸凹模共同作用下，板材成形。导出板材的厚度分布图如图6所示，在此类变形中，厚度减薄率为板材变形前后厚度之差比上板材变形前的厚度，板材变形后厚度减薄率超过15%即确定为大变形区域，在本实施例中，板材变形前厚度为0.8mm，成形后厚度减薄超过15%，即成形后厚度低于0.6mm即确定为大变形区域，应用本发明所述方法提高板材成形性能，在标注出的区域中，板材成形后减薄率高于15%，为板材大变形区域3，所以应该对该区域进行梯度性能改善。

步骤3：继续利用有限元分析软件，在变形前的板料上，围绕大变形区域输入一个板材温度梯度场，初始的温度梯度场由经验确定，越接近大变形区域3，板材的屈服强度增加，反之，板材塑性变好。根据有限元模拟结果调整温度梯度场的大小，调整方式为单向的扩大或减小温度梯度场半径，再次模拟，直到找出能明显缓解板材大变形区域减薄的梯度性能场，根据这个梯度性能场确定感应加热器4的尺寸。

步骤4：在这些区域周围布置感应加热器4，感应加热器4呈矩形，尺寸大小在步骤2中确定，感应加热器4工作部位为一矩形，放置于板材加热位置的上方。所述导磁体2使用的是硅钢片叠片，呈“凹”字形，可以装卡在感应线圈1上，利用导磁体2可以精确控制加热区域，能减少磁力线的逸散，提高感应器的加热效率。所述感应加热器4使用机械手夹持，放置在板材成形的大变形区域3周围。

感应加热器4工作部分的示意图如图7所示，中心部位对准板材成形过程中的大变形部分，加热温度根据板材厚度减薄率的大小在步骤1的温度区间内选择，板材厚度减薄率较大时，在温度区间内上限附近选择，反之，在温度区间的下限附近选择。进行加热后，板材内的温度场如图8所示，由于温度的变化，板材的力学性能也会发生改变，温度越高的部分，材料的屈服强度越低，越容易产生变形，反之，变形不容易发生。

步骤5：板材加热到指定温度，移开感应线圈1，板材放入模具进行冲压。在冲压过程中，由于板材温度场和板材本身性质的作用，被加热部分会先变形，就可以缓解大变形部分严重的厚度减薄。

带有导磁体的感应加热器4对板材的加热范围精准，使其能够达到预想的梯度性能，对不同的板材和冲压过程，进行不同温度下的单拉实验和成形过程模拟，手段简单，并且有针对性，有效地改善了材料由于冲压成形的形状差异而产生的应变不均的现象，

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）利用有限元分析软件ABAQUS对金属制件成形过程进行模拟，确定板材成形过程中的大变形区域，即板料厚度减薄严重的区域和破裂区；

2）利用感应加热器（4），在金属板材上围绕大变形区域进行感应加热，产生一个温度场，板材力学性能随温度变化而变化，加热到指定温度后，移开感应加热器，将板材放入模具进行冲压成形。

2.根据权利要求1所述的一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，其特征在于：步骤2）中感应加热器（4）包括感应线圈（1）和导磁体（2），所述导磁体（2）使用的是硅钢片叠片，呈“凹”字形，装卡在感应线圈（1）上，所述感应加热器（4）使用机械手夹持，放置在板材成形的大变形区域周围。

3.根据权利要求1所述的一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，其特征在于：步骤1）中所述板材的成形的大变形区域（3），由有限元分析软件ABAQUS对金属制件的成形过程进行模拟后得出，所述大变形区域（3）周围经感应加热到一定温度后，板材获得梯度性能。

4.根据权利要求3所述的一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，其特征在于：所述梯度性能体现为板材力学性能随板材与感应线圈的距离变化而改变，越靠近感应线圈，材料的屈服强度越低，塑性越好。

5.根据权利要求1所述的一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，其特征在于：所述感应加热温度由板材减薄程度确定，对金属试件不同温度下的单拉实验，分析实验数据，记录板材塑性改善的温度区间，结合板材成形时大变形部位的减薄程度，在温度区间内选择该部位合理的加热温度，板材大变形区域中厚度减薄率较大，在25%以上时，加热温度在温度区间内上限附近选择，板材厚度减薄率较小，在15%到25%之间时，加热温度在温度区间的下限附近选择。

6.根据权利要求5所述的一种基于梯度性能提高板材成形极限的方法，其特征在于：所述单拉实验数据主要包括力位移数据，根据板材力位移曲线显示的信息找出屈服点，当板材屈服点下降为常温下的80%-50%时的温度范围记录为板材塑性改善的温度区间。

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