第一章 绪论
1.1 高强度钢板
高强度钢板是经过固溶体强化、相变强化、细晶强化、形变强化或组合设计并能满足强度和加工性的材料，其强度与相对密度的比值高于相应的传统材料，但是塑性和韧性比传统钢材低,如图 1-1 所示。对于高强度钢，目前并无统一的定义。有人认为，抗拉强度在 370MPa 级以上的热轧钢板和 340MPa 级以上的冷轧钢板被称之为高强度钢板；也有人认为，抗拉强度为 350MPa 以上的低合金钢称作高强度钢 。根据 ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)超轻钢车身项目定义，把屈服强度在210～550MPa 之间的低合金钢称作高强度钢，屈服强度在 550 MPa 以上的钢定义为超高强度钢。根据强化机理的不同又把高强度钢板分为普通高强度钢板和先进高强 度 钢 板 (Ultra High Strength Steel--UHSS 和 Advanced High StrengthSteel--AHSS。
先进高强度钢板，包括：
（1）双相钢（DP 钢）DP 钢具有很软的铁素体和坚硬的马氏体两种相，伸长率高，塑性好。由于马氏体相和铁素体相之间的应变不协调，施加压力时会引起相当高的加工硬化，致使其具有相当高的抗拉强度，限制了拉伸时出现颈缩，因此具有良好的延伸性和成形性。常用于有严格要求的薄板冲压件。
（2）相变诱导塑性钢（TRIP 钢）TRIP 钢金相组织中含有大量的铁素体和相变引起的贝氏体以及参与奥氏体和马氏体。残余奥氏体在加工时，会转变为马氏体，于是引起部分材料的强度提高，使材料总体获得良好的加工性，并且抗冲击性大大增强。
（3）多相复合钢（CP 钢）CP 钢既采用了按晶粒细化机理提高延展性的措施，同时又采用了通过金相显微组织硬化机理提高强度的措施，因此其具有相当高的抗拉强度，高加工硬化指数，还有均匀的延伸性能。
（4）马氏体钢（MS 钢）马氏体钢的金相显微组织特点是，在以马氏体为基体的金相显微组织中，含有少量的铁素体和（或）贝氏体，在界面上无碳化物。在多相钢中，马氏体钢的抗拉强度最高，其性能主要取决于淬火后为改善延展性所进行的回火。
普通高强度钢板，包括：
（1）BH 钢BH 钢，即烘烤硬化型钢板，它具有现代汽车工业所需要的加工性能。BH 钢通过涂装烘烤后硬化，利用热能将冲压成形时倒入的位错用固溶碳固定，从而达到提高屈服强度的目的。
（2）IF 钢在超低碳钢（C≤0.005%, N≤0.004%）中，加入足够量的元素钛和铌，使钢中的碳、氮原子完全被固定成为碳、氮化合物，这种钢成为无间隙原子钢，即Interstitial FreeSteel,简称IF 钢。
（3）含磷钢含磷钢是典型的固溶强化钢，其抗拉强度较普通低碳钢较高，价格适中，延展性较高。
（4）各向同性钢板(IS)各向同性钢的金相显微组织是以铁素体为基体并且各向同性，主要用于汽车外板。汽车用高强度钢板的开发始于70年代，开始是微合金钢，不久是含磷合金钢；80年代前期是双相钢和BH钢及IF钢；90年代前后又开发出强度更高的微合金钢——各向同性钢；最近又研发了残余奥氏体钢(RA／TRIP)、复合相钢(CP)和马氏体钢(MS)；接着又开发了相变诱发塑性钢和多相超高强度钢。
1.2 模具磨损
磨损是工具、设备等常见的一种失效形式，由于材料表面的不平整度和加工纹路等，在相互接触过程，就会不可避免的造成材料的摩擦和磨损。磨损是物理、化学和力学作用综合的过程，磨损的种类也较多。一般，按照磨损的破环机理，可以分为：粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损和腐蚀磨损。模具的磨损失效一般是指刃口钝化、棱角变圆、平面下陷、表面沟痕、剥落等等。在板料冷冲压过程中，冲模正常而主要的失效形式是其工作零件即凸模、凹模上出现了源于冲压过程中长期、剧烈摩擦产生的、超出允许范围的过量磨损，磨损的部位一般发生在刃口的棱角处、侧面和端面接近刃口处。这是因为，冲压材料与模具工作零件接触面之间，在连续高速、高压的强烈冲击下必然产生剧烈摩擦，伴随着每一次摩擦都会在模具工作表面产生少量的、多数情况下肉眼难以辨别的微量磨损，长期连续增长的微量磨损逐渐积累就会形成肉眼可见的磨损。当磨损达到一定程度时，冲模冲裁出的零件毛刺高度等超标，尺寸和形位精度超差，冲件不合格，模具失效。目前，我国冷冲模的使用寿命与国际先进水平相比还比较低，厚板冲模的寿命约 5000~10000 件，薄板冲模的寿命约每次刃磨 10000 冲次，拉伸模寿命约为 3000~5000 件。
第二章 冲切实验及试样断面质量分析
2.1 高强度钢板的冲切实验方案
冲切是利用模具使板料发生分离的过程，冲切时凸模下行与板料发生接触，材料受到凸、凹模端面的压力作用，在作用点间的材料便产生剪切变形。由于凸模、凹模间有间隙存在，因此凸、凹模端面的压力不在同一垂线上，材料受到弯矩的作用产生弯曲；同时，材料向凸模侧面靠近时，凸模端面下的材料被挤进凹模，材料还受横向挤压变形。在冲切过程中，材料性能、模具间隙、刃口钝利以及模具设备的导向情况都会影响冲切件的断面质量；模具间隙还影响冲切时弯曲、拉伸、挤压等附加变形的大小，是冲切工艺中重要的参数。为了对比不同模具材料的磨损特性，在本研究中设计一套平行镶块组装形式的模具结构，选用 6 种模具材料进行冲切实验，利用 JH21-110 冲床手工送料，冲切实验设备及模具如图 2-1 所示。
为了减少模具刃口边缘与板料的摩擦，冲切上模设计成斜刃，模具表面与水平面和垂直面各有 30夹角；冲切间隙对冲切过程有重要影响，为了加剧考虑冲切时的模具材料磨损特性，冲切间隙取 4%料厚，即：0.056mm，上模与下模刃口圆角半径为 0.1mm，压边圈圆角半径为 0.5mm，冲切过程及模具工艺参数如图 2-2 所示。
第三章 有限元数值模拟理论........................... 37-54
3.1 有限单元法基础 ...........................37-39
3.2 ABAQUS 简介 ...........................39-44
3.3 弹塑性有限元基本方程........................... 44-46
3.4 等效塑性应变增量........................... 46-50
3.5 硬化法则 ...........................50-52
3.6 本章小结 ...........................52-53
本章参考文献........................... 53-54
第四章 冲切过程的有限元模拟........................... 54-76
4.1 引言........................... 54
4.2 韧性断裂准则........................... 54-58
4.2.1 常用韧性断裂准则........................... 55-56
4.2.2 韧性断裂准则阈值的确定........................... 56-58
4.3 ABAQUS 有限元建模........................... 58-62
4.3.1 冲切模型的建立........................... 58-60
4.3.2 边界条件........................... 60-61
4.3.3 自适应网格及网格断裂........................... 61-62
4.4 冲切过程模拟仿真 ...........................62-66
4.4.1 初始冲切过程的模拟........................... 63-65
4.4.2 模拟结果分析........................... 65-66
4.5 磨损对冲切过程的影响 ...........................66-72
4.5.1 模具磨损轮廓的拟合模型........................... 66-68
4.5.2 模具磨损对冲切过程的影响........................... 68-72
4.6 本章小结 ...........................72-74
本章参考文献 ...........................74-76
结论
首先采用模具未磨损时的工艺参数模拟初始冲切时的板料断裂过程，并将各韧性断裂准则模拟获得的试样断面质量与各镶块对应的初次冲切试样的断面质量参数进行对比。采用的 4 种韧性断裂准则中，Cockcroft-Latham 准则、McClintock 准则、Rice-Tracy 准则模拟获得的试样断面质量相近并且试样塌角高度、剪切带宽度与实验结果的误差相对较小；Oyane 准则模拟获得的试样塌角高度明显低于实验中任何模具镶块对应的试样，但是剪切带宽度却高于实验结果，并且模拟试样的断面斜度较大，与实验结果相差较大，未能准确反应 DP780 板料的断裂过程。虽然模拟获得的试样塌角高度和剪切带宽度接近于实验结果，但是模拟试样的毛刺高度却比实验结果偏大，所选用的断裂准则未能较好的反应出试样毛刺高度的情况。综合分析可得出，Cockcroft-Latham 准则、McClintock 准则、Rice-Tracy 准则能较好的模拟出 DP780 高强度钢板的断裂情况，能较好的预测试样塌角、剪切带等断面质量参数。
为了分析模具磨损对冲切过程的影响，采用“间隙—圆角”相结合的模型评估模具磨损后冲切间隙和刃口圆角的变化情况，并依此修正冲切工艺参数再次模拟模具磨损后的冲切过程。以 Cr12MoV 镶块为分析对象，拟合出其磨损的新冲切间隙及刃口圆角半径等，然后选用 Rice-Tracy 准则进行模具磨损后的冲切过程模拟，并且将所获物理量与模具未磨损时的模拟结果对比，进而分析模具磨损对冲切过程的影响。模拟发现：模具磨损后，板料产生初始裂纹时的上模行程增加；对比模具磨损前后的冲切力—时间曲线发现，模具磨损后最大冲切力略有增加，但是改变不明显；对比模具磨损前后模拟试样的断面质量参数发现，模具磨损后冲切试样塌角高度、剪切带宽度及毛刺高度等都出现较明显的增加情况。