板料成形技術(shù)-資料下載頁(yè)

【導(dǎo)讀】所需成形形狀和性能零件的一種制造工藝。它主要包括沖裁、剪切、彎曲、拉。領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域中占有較大的比例，已逐步發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。由于腔體類金屬零件的應(yīng)用層面比較廣泛，因此，拉深成形。隨著今后工業(yè)化水平的飛速發(fā)展，沖壓拉深技術(shù)必將得。到更大的發(fā)展和進(jìn)步。藝方法的不斷提高和完善，是板料成形技術(shù)不斷發(fā)展的中心。深、溫差拉深、脈動(dòng)拉深和徑向推力拉深。這樣一來(lái)，使得拉深成形零部件幾。據(jù)壁厚變化情況還可以分為一般拉深件以及變薄拉深件。來(lái)，數(shù)控液壓氣墊出現(xiàn)后，不再采用雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)作為沖壓線的打頭設(shè)備，壓力機(jī)械形成了柔性沖壓生產(chǎn)單元。此外，在板料成形計(jì)算機(jī)仿真與數(shù)值模擬的研究上，國(guó)外的很多成果已經(jīng)。在每一個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展，都對(duì)板料拉深成形的發(fā)展起到促進(jìn)作用，近年來(lái)，另外，考慮到數(shù)碼相機(jī)外殼成形工藝不僅僅停留在拉深成形這一部分，因。整個(gè)工藝的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，都是建立在手工設(shè)計(jì)模具的

　　

【正文】 ORM 建模，為了提高效率減少計(jì)算時(shí)間，在凸模行程一開(kāi)始，拉深就開(kāi)始發(fā)生。我們知道，生產(chǎn)實(shí)際中沖頭接觸板料一般都是在沖頭中間行程速度最大的環(huán)節(jié)開(kāi)始拉深，所以這一點(diǎn)考慮是有道理的，對(duì)模擬的真實(shí)性來(lái)說(shuō)也很重要。綜上所述，決定選擇最大沖壓速度為 10000mm/s，為一余弦曲線的沖壓速度加載條件作為模擬參數(shù)，模擬時(shí)采用的曲線見(jiàn)圖 （ d）所示。 壓邊力 壓邊力的數(shù)值大小和方向作為拉深工藝中重要的工藝參數(shù)，對(duì)拉深件成形質(zhì)量起重要影響。在拉深過(guò)程中，持續(xù)的壓邊力過(guò)大，容易導(dǎo)致制件產(chǎn)生拉伸失穩(wěn)（局部頸縮、破裂）；持續(xù)的壓邊力過(guò)小，又容易導(dǎo)致制件產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)（起皺、變厚）。因此，合理的調(diào)整壓邊力的大小和方向?qū)p少和避免 拉深過(guò)程中 可能出現(xiàn)的各種失穩(wěn)有一定的積極意義。 傳統(tǒng)工廠中的壓邊力加載往往通過(guò)對(duì)彈簧或橡膠高度與數(shù)量的調(diào)整以得到隨凸模行程線性增加的加載過(guò)程，或者通過(guò)中間板（限位板）與上模固定板的 23 間距以限定彈簧的壓下量來(lái)控制壓邊力的大小 。一般，這類壓邊力的施加，要求在拉深前期做好計(jì)算工作，而且在隨后的生產(chǎn)中還要不斷試模，來(lái)調(diào)整壓邊力的大小以保證能夠得到合格的拉深件。這些壓邊方式都有一個(gè)特點(diǎn)，就是在拉深過(guò)程中，壓邊力的加載路徑獨(dú)立于板料塑性成形路徑，僅僅和模具行程，模具結(jié)構(gòu)等一些參數(shù)有關(guān)，因此，它們無(wú)法針對(duì)板料的成形特點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生較好的拉深效果，從而不能在拉深過(guò)程中及時(shí)的適應(yīng)板料成形特點(diǎn)，這也是傳統(tǒng)壓邊力往往不能很好的滿足拉深零件成形要求的一個(gè)原因。論文將通過(guò)板料成形有限元數(shù)值模擬這一工具，分析研究壓邊力以波動(dòng)的形式作用于板料拉深過(guò)程中所產(chǎn)生的 影響和效果，考慮到由于壓邊力的波動(dòng)可以帶來(lái)摩擦阻力的波動(dòng)，從而會(huì)對(duì)一些成形關(guān)鍵部位，失穩(wěn)集中發(fā)生區(qū)域產(chǎn)生一定的影響；同時(shí)壓邊力的波動(dòng)頻率可以提供間斷的作用時(shí)間，在間斷的作用時(shí)間內(nèi)，存在半周期的時(shí)間表現(xiàn)為壓邊力顯著下降，這對(duì)板料在拉深成形過(guò)程中緩解局部應(yīng)力集中，避免擴(kuò)散失穩(wěn)，集中失穩(wěn)等等都有一定的調(diào)節(jié)作用。在研究的同時(shí)，并同傳統(tǒng)壓邊技術(shù)得到的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以研究波動(dòng)的壓邊力作用形式是否具有改善板料成形質(zhì)量的效果。 下面的模擬分析主要從針對(duì)壓邊圈的作用形式加以研究，并且考慮到壓邊圈壓下量的波動(dòng)缺點(diǎn)較為明顯， 因此僅就這一種情況，來(lái)分析液壓壓力造成壓邊力的波動(dòng)對(duì)盒形件拉深成形所產(chǎn)生的重要影響，對(duì)于這一點(diǎn)的詳細(xì)介紹，后面其他相關(guān)問(wèn)題一節(jié)關(guān)于壓邊力的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題中會(huì)詳細(xì)加以說(shuō)明。 模擬參數(shù)的確定 考慮到 一般的 盒形件拉深 成形過(guò)程屬于準(zhǔn)靜態(tài)變形過(guò)程，運(yùn)用隱式算法 雖然合理但是 計(jì)算量 很 大，計(jì)算時(shí)間 較 長(zhǎng)。采用 時(shí)間與效率并重的原則， 模擬階段， 運(yùn)用 顯式算法 進(jìn)行拉深分析。另外， 通過(guò)比較， 為了得到 波動(dòng)壓邊力對(duì)拉深產(chǎn)生的特殊影響，需要相應(yīng)保持一些模擬參數(shù)的一致性。這里根據(jù)板料拉深特點(diǎn)，基本設(shè)置如表 32，表 33 和表 34 所示。 當(dāng)板料網(wǎng)格劃分比模具更細(xì)密時(shí)以及剛體模具厚度不影響板料沖壓的情況下，一般采用表 32 所示接觸類型，不僅能夠有效解決主面從面的接觸滲透問(wèn)題，而且可以提高計(jì)算效率；而接觸阻尼的定義則緩解了垂直于接觸表面的法向數(shù)值振蕩，對(duì)減少沙漏變形作用顯著；在單元?jiǎng)?分問(wèn)題上，對(duì)于整個(gè)有限元模型來(lái)講，控制實(shí)際計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的是最小尺寸單元，如果劃分網(wǎng)格質(zhì)量不理表 32 模擬基本參數(shù) 模擬選擇單位 mm,ton,sec,N 接觸方式類型 Forming_One_Way_Surface_To_Surface 接觸阻尼系數(shù) +001 板料單元公式 Belytschko_Tsay Shell 24 想，會(huì)造成很多小單元的存在，計(jì)算時(shí)間將成倍增加。所以在網(wǎng)格劃分問(wèn)題上，一般三角形單元的數(shù)目不能超過(guò)單元總數(shù)的 10％，在模具轉(zhuǎn)角、圓角等區(qū)域保證布置 4 到 5 個(gè)單元 [4]；在摩擦問(wèn)題的處理上，由于摩擦對(duì)拉深成形有重要影響，必須考慮實(shí)際生產(chǎn)中模具表面處理以及通過(guò)在拉深中添加潤(rùn)滑油等對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響，一般拉深模具表面質(zhì)量（與板料接觸面）為 － ， 對(duì)于一般鋼板，動(dòng)摩擦系數(shù) μ d＝ ，用液壓或橡膠拉深時(shí) μ d＝ 0[ 5]，因此考慮潤(rùn)滑劑的液壓影響，在模擬階段，取一個(gè)均值 μ d＝ ，以反映實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)滑動(dòng)摩擦力的控制。結(jié)構(gòu)參數(shù)、單元?jiǎng)澐旨澳Σ恋葏?shù)如表 33 所示。另外表 34 給出了模擬材料模型的主要性能參數(shù)。這里需要注意一點(diǎn)的是前面給出了實(shí)際生產(chǎn)條件下的材料參數(shù)，但是在模擬條件下，模擬參數(shù) 從實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù) K=110（根據(jù) HUAT）被放大到 648，應(yīng)變強(qiáng)化 指數(shù) n＝ （根據(jù) HUAT） 而 在模擬中取 ，這主要是從軟件對(duì)模擬拉深結(jié)果真實(shí)性的逼近上加以考慮，并不是對(duì)結(jié)果的扭曲，也不會(huì)造成模擬的失真。 模擬結(jié)果對(duì)比分析 1． 模擬結(jié)果 下面給出了三種不同壓邊力加載下的模擬結(jié)果。這三種情況具有一定的代表性，在實(shí)際生產(chǎn)中易于實(shí)現(xiàn)，而對(duì)其他波形的研究我們知道液壓壓力的變動(dòng)原理一般是通過(guò)閥控制線性變化的過(guò)程，因此正弦波不易實(shí)現(xiàn)，正弦波，梯形表 33 模具結(jié)構(gòu)模擬參數(shù) 模擬參數(shù) 結(jié) 構(gòu) 名 稱 毛 坯 凸 模 凹 模 下頂塊 壓邊圈 材料模型 MAT_36 MAT_RIGID MAT_RIGID MAT_RIGID MAT_RIGID 材料密度 楊氏模量 +005 +005 +005 +005 +005 泊松比 單元厚 度 單元厚向積分點(diǎn)數(shù) 5 3 3 3 3 初始網(wǎng)格 四邊形單元 4416 4398 6168 1244 3546 三角形單元 224 40 26 7 6 動(dòng)摩擦系數(shù) 靜摩擦系數(shù) 表 34 板料性能參數(shù) 名稱 R0 R45 R90 K n MATERIAL36 +000 +000 +000 +002 25 波等將通過(guò)總結(jié)、對(duì)比的方式加以驗(yàn)證。第一種是常壓邊情況，如圖 （ a）所示，可以近似的反映實(shí)際生產(chǎn)，壓邊力給定為 4000N；第二種情況是三角鋸齒波壓邊力，考慮壓邊綜合效果，在拉深開(kāi)始時(shí)所需壓邊力較小，故波動(dòng)平均值較低，后面起皺趨勢(shì)增加，因此均值相應(yīng)上升。總體波動(dòng)幅值如圖 （ c）所示，其中 BHFmax＝ 4350N， BHFmin=600N（不考慮壓邊起始點(diǎn) BHF＝ 0N）；第三種是矩形波壓邊力情況，這種壓邊力可以提供完全間斷的壓邊作用時(shí)間，幅值波動(dòng)為 BHFmax＝ 4000N， BHFmin=0N，如圖 （ e）所示。從圖 （ b）中可以看出，與圖 （ d）與圖 （ f）相比，不同壓邊力狀態(tài)下的成形極限圖有較大區(qū) 別，尤其采用波動(dòng)壓邊力以后，盒形件成形質(zhì)量顯著提高。 2．對(duì)比 分析 上面模擬結(jié)果，給出了拉深成形極限圖。對(duì)成形極限圖進(jìn)行分析，可以直觀地反映拉深件表面質(zhì)量狀況、應(yīng)力應(yīng)變分布以及厚度變化等情況，是最佳的工藝判據(jù)。從上圖可以看出，波動(dòng)壓邊力顯著改善了兩個(gè)拉深區(qū)域，分別是平面等拉與平面應(yīng)變過(guò)渡區(qū)域和單向拉伸與純剪過(guò)渡區(qū)域，前者主要反映盒形件a b c d e f (a) 常壓邊力曲線 (b)常壓邊力 FLD (c)三角鋸齒壓邊力曲線 (d)齒壓邊力 FLD (e)矩形壓邊力曲線 (f)矩形壓邊力 FLD 圖 不同壓邊力加載下的拉深成形極限圖 26 圖 脹形變形區(qū)失穩(wěn)改善曲線 底面與側(cè)壁交匯的四個(gè)過(guò)渡圓角區(qū)，相當(dāng)于脹形變形；而后者主要體現(xiàn)在兩側(cè)壁之間以及凸緣與側(cè)壁轉(zhuǎn)角過(guò)渡區(qū)域，這一部分相當(dāng)于壓延變形；此外，在平面應(yīng)變與單向拉深區(qū)域之間也有一定的改善作 用，但較前兩者不明顯，具有過(guò)渡特征。 根據(jù)國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)這一領(lǐng)域的研究成果，在壓邊力的處理問(wèn)題上，假設(shè)拉深過(guò)程中每一時(shí)刻拉深載荷 P 都與制件所能承受的極限載荷 Prup 相等，那么這種情況下所對(duì)應(yīng)的壓邊力就是制件破裂的臨界壓邊力 [6]： ? ? ?????? ????? )()(2)(12)(1 10 ???????? JIKRR RFQ BCB Br u p (31) 這里 ? 為摩擦系數(shù)， 0B? 表示理論預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)斷面上的名義極限拉應(yīng)力， ?為凸模包角。由于以上三個(gè)模擬階段，控制的唯一變量只有壓邊力這一參數(shù)，其他參數(shù)均沒(méi)有優(yōu)化，因此在三種模擬結(jié)果下，由 （ 31） 式得到的臨界壓邊力是一致的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，破裂臨界壓邊力隨拉深高度的變化規(guī)律接近拋物線，在拉深的中期，臨界壓邊力有最小值 Qrup, min[6]。一但壓邊力達(dá)到或超過(guò)這一曲線幅值，板料將被拉裂。 根據(jù)臨界壓邊力的這一特點(diǎn)， 可以看出：對(duì)脹形變形區(qū)，應(yīng)變狀態(tài)為 ε x0,ε y≥0,ε z 0。在常壓邊力狀態(tài)下，如圖 （ b）所示，盒底四個(gè)圓角部破裂面積相對(duì)較大 ，主要原因可以歸結(jié)為從拉深后期的某個(gè)時(shí)刻起，常壓邊力 Qcons tant ≥Qrup, min，但是改變?yōu)椴▌?dòng)壓邊力加載后，破裂面積顯著減少： 一方面由于壓邊力 Qwave 加載曲線轉(zhuǎn)為鋸齒波形以及矩形波形，當(dāng) Qwave 幅值大于 最小臨界壓邊力 Qrup, min時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生拉伸失穩(wěn)，但這只是一個(gè)瞬態(tài)階段，有破裂的趨勢(shì)卻沒(méi)有破裂的時(shí)間，或者沒(méi)有較充分的破裂時(shí)間，在一個(gè)周期內(nèi)，隨之 Qwave 值小于 Qrup,min，此時(shí)失穩(wěn)得到了及時(shí)的遏制。所以，從以上分析中可以看出，失穩(wěn)的程度和周期有關(guān)，從而和頻率有關(guān)，這一點(diǎn)將在后面的分析 中提及。考慮到整個(gè)過(guò)程拉深仍在繼續(xù)，板料會(huì)不斷產(chǎn)生加工硬化，此時(shí)由于波動(dòng)壓邊力造成的卸載再加載過(guò)程，其塑性路徑將沿著卸載時(shí)的彈性路徑加載，從而可以有效避免拉深后期由峰值造成的瞬態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象；另一方面， 考慮 克服由于壓邊力 Qwave 所引起的毛坯與壓邊圈和凹模表面之間摩擦阻力而必須增加的拉應(yīng)力部分為： dtQ w a v e??? ? 2? (32) 根據(jù) （ 32） 式可知，壓邊力 Qwave 的波動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致 σ μ 的相應(yīng)波動(dòng)，這樣以來(lái)，由凸模作用力在板料內(nèi)部所引起的 拉應(yīng)力就產(chǎn)生了一定的波動(dòng)，從應(yīng)力應(yīng)變的 27 角度分析，這對(duì)板料在變形過(guò)程中有效避免脹形部分失穩(wěn)有一定的作用。右面給出了脹形變形區(qū)的改善曲線，如圖 所示。 對(duì)壓延變形區(qū)，應(yīng)變狀態(tài)為 ε x0,ε y0,ε z ≤0。在板料出現(xiàn)破裂區(qū)域任取一體素，考慮其變形路徑上的拉深失穩(wěn)點(diǎn)，可由兩條路徑迭合得到，一條路徑相當(dāng)于壓邊圈作用于凸緣而產(chǎn)生的壓延應(yīng)變，如圖 （ b），圖 （ d），圖 （ f）中成形極限圖左邊最下面變形區(qū)；另一條路徑相當(dāng)于凸模下行以及凹模圓角，壓邊圈與板料摩擦等綜合產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變，為成形極限圖中單向拉 伸變形區(qū)，當(dāng)拉深深度增加時(shí)，該點(diǎn)將要向 ε 1 增加的方向移動(dòng)。這樣以來(lái)，與簡(jiǎn)單變形不同，該體素的變形路徑是這兩種路徑的迭合，在前一路徑上存在一個(gè)臨界點(diǎn)，在該點(diǎn)再加一個(gè)很小的拉伸應(yīng)變，就會(huì)產(chǎn)生破裂 [5]。而這一點(diǎn)相當(dāng)于第一路徑與密席斯橢圓的交點(diǎn)，在該點(diǎn)以前的失穩(wěn)，均由迭合路徑?jīng)Q定。根據(jù)這一分析，圖 （ b）與圖 （ d）、圖 （ f）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在常壓邊力條件下，出現(xiàn)了較為密集的破裂失穩(wěn)，但是采用波動(dòng)壓邊以后，在破裂臨界點(diǎn)右側(cè)，失穩(wěn)現(xiàn)象顯著減少，說(shuō)明波動(dòng)壓邊力對(duì)第二條路徑產(chǎn)生了一定的影響，從而造成部分拉伸應(yīng)變 下降，尤其在接近臨界失穩(wěn)點(diǎn)附近，波動(dòng)造成的拉伸應(yīng)變幅值下降可以及時(shí)有效地避免這一時(shí)刻的破裂現(xiàn)象的發(fā)生。 以上針對(duì)拉深成形極限圖給出了兩個(gè)破裂失穩(wěn)區(qū)域的對(duì)比分析結(jié)果，下面將從能量的角度分析在模擬過(guò)程中三種不同壓邊力加載下的板料成形特點(diǎn)。圖，圖 分別為板料動(dòng)能曲線圖和滑動(dòng)界面能量圖。從圖 5 中可以看出由于矩形波的幅值較三角鋸齒波幅值相比，波動(dòng)更為劇烈，雖然可以得到成形失穩(wěn)小的制件，但是劇烈的波動(dòng)幅值卻額外增加了成形能量，帶來(lái)了板料動(dòng)能的相對(duì)不穩(wěn)定，在宏觀表現(xiàn)為板料的振動(dòng)和凸緣的起皺。從圖 3(f)中可以 看出，制件凸緣已經(jīng)產(chǎn)生了較輕微的起皺現(xiàn)象，對(duì)于這種情況，可以采取降低波動(dòng)幅值的方法加以避免，如圖 (d)所示，沒(méi)有出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。另外，作者已經(jīng)做一些關(guān)于波動(dòng)頻率對(duì)制件拉深成形質(zhì)量影響的工作，并發(fā)現(xiàn)在一定頻率范圍內(nèi)，提高壓邊力波動(dòng)頻率也可以有效地減輕由于劇烈的幅值波動(dòng)造成的板料動(dòng)能相對(duì)不穩(wěn)定現(xiàn)象，并可以避免凸緣起皺的發(fā)生。不過(guò)這一工作目前處于起始階段，具體內(nèi)容尚待進(jìn)一步研究。圖 則給出了拉深成型過(guò)程中模具結(jié)構(gòu)與板料之圖 板料動(dòng)能曲線圖 圖 滑動(dòng)界面能量圖 ? Qconstant 加載 ? Qserrat ion 加載 Δ Qrectang l e 加載 ? Qconstant 加載 ? Qserrat io n 加載 ? Qrectang l e 加載 28 間的滑動(dòng)界面能。考慮拉深成形是彈塑性成形，拉深過(guò)程中的滑動(dòng)界面能應(yīng)完全轉(zhuǎn)化為板料的動(dòng)能 和應(yīng)變能，但是在有摩擦的情況下，該能量還必須包括摩擦能以及在接觸面的法向和切向產(chǎn)生的界面摩擦能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化守恒定理，滑動(dòng)界面能必須控制在很小的范圍，才能保證模擬的準(zhǔn)確性。從圖 中看出，矩形波帶來(lái)的滑動(dòng)