淺談鈑金件毛坯料的計算方法

于富琳　于瀛

摘要：鈑金件毛坯料的計算問題是一個重要的工藝環(huán)節(jié)。本文對各種傳統(tǒng)的鈑金件的毛坯料的計算方法進行了分析；同時也對先進的計算方法進行詳細的闡述。通過分析可以得到傳統(tǒng)和先進的計算方法的各自優(yōu)點和適用場合。

引言

鈑金件毛坯料的計算方法是鈑金工藝中的一個難題，同時也是分析鈑金件件變形程度、設(shè)計工藝及擬訂工藝規(guī)程的前提。如果鈑金件的設(shè)計合適，這晚過程中材料的流動性將更好，從而明顯地減少拉裂現(xiàn)象的發(fā)生，成形極限也可有所提高，減少切邊余量，節(jié)約金屬材料。

1. 傳統(tǒng)鈑金件毛坯料的計算方法

1.1.經(jīng)驗法

經(jīng)驗法是根據(jù)面積不變原理進行折彎展開計算的一種近似方法，在實際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。由于成形過程力學(xué)分析復(fù)雜，人們經(jīng)常采用近似的幾何估算和試模修正相結(jié)合的方法得到折彎展開的近似形狀。不同種類零件的經(jīng)驗公式各不相同，目前企業(yè)采用的方法。

1.2.逐次逼近法

逐次逼近法是取印有坐標網(wǎng)格的一定形狀的板材作初始毛坯料，將其壓延成適當(dāng)高度的工件，觀察凸緣外邊緣處材料，通過分析判斷出多余材料的部位，在下一次鈑金上將該部分去除：接著用經(jīng)過第一次去除的鈑金外形作為本次鈑金的初始形狀，重新壓延，觀察并去掉多余的料，如此循環(huán)往復(fù)進行，直到得出真實結(jié)果。但是該方法資源消耗較大，而且應(yīng)該去掉部分不容易定量把握，因此該方法效率較低。

1.3.拼合法

拼合法是根據(jù)壓延件相應(yīng)部分面積相等的條件確定毛坯各部分的面積。展開原則是直邊部分按彎曲變形毛坯的長度進行計算，圓角部分按四分之一圓杯壓延變形計算毛坯半徑，然后用圓角光滑連接過渡區(qū)，即可得到毛坯形狀。拼合法對壓延過程中凸緣材料流動進行的非連續(xù)性假設(shè)和整體轉(zhuǎn)移假設(shè)，使得此方法要想獲取較高的精確度，就必須使假設(shè)對應(yīng)的零件尺寸盡可能地小。

1.4.滑移線法

滑移線法的基本假設(shè)是板料厚度不變，且處于平面應(yīng)變狀態(tài)：材料各向同性，無硬化：不考慮摩擦力對塑性流動的影響。這樣可以推出拉深過程中模具輪廓與板料周界是主應(yīng)力跡線，因此滑移線與這些輪廓呈45。，繪出每點的兩個最大剪應(yīng)力方向并作包絡(luò)線，得到兩組互相正交的，表示最大剪應(yīng)力方向的滑移線。當(dāng)板料處于屈服時，各點的最大剪應(yīng)力達到最大值，塑性變形就沿著這些跡線進行滑移。應(yīng)用滑移線理論，研究和制作沖壓毛坯的合理形狀和尺寸，是一種比較直觀和合理的方法。但是滑移線法的建立是一件復(fù)雜的工作，用手工方法比較困難，用計算機建立滑移線場只能處理一些簡單的平底、直壁、平壓料面壓延件，因此滑移線法無法大范圍使用。

1.4.勢場模擬法

勢場模擬法假設(shè)沖壓件板料為不可壓縮的平面各向同性的剛塑性體，沖壓中，介于工件邊緣和準確毛坯邊緣之間的凸出部分，處于塑性狀態(tài)，并在內(nèi)邊緣應(yīng)力的作用下向凹腔內(nèi)流動。根據(jù)物理模型數(shù)學(xué)描述的相似性，從理論上可以證明，沖壓工件凸出處金屬的這種流動與相似區(qū)域、相似邊界條件的純粘性流體的流動、電流的流動或熱傳導(dǎo)具有相似性，因而可由勢場模擬求出不規(guī)則沖壓件的展開毛坯料外形。一般對于外形相近的沖壓件，只需求出某一尺寸的等位線，其他尺寸的等位線可以通過縮放得到。

2. 先進鈑金件毛坯料的計算方法

2.1_有限元逆算法

有限元逆算法的一個主要特點是將板料成形過程簡化為一個或若干個簡單疊加的變形過程，采用全量理論進行分析。因此計算可以只考慮初始形狀和最終形狀，忽略中間的變化。這是一種預(yù)測板料成形中大變形的高效算法。該方法考慮了三角形CST膜單元、大彈塑性應(yīng)變、厚向異性及模具運動引起的垂直或法向節(jié)點力。壓邊圈的摩擦和壓邊力以及沖頭的摩擦和正壓力用簡化的外力矢量表示。

2.2結(jié)構(gòu)進化優(yōu)化方法

結(jié)構(gòu)進化優(yōu)化方法主要是以一個面積大而且形狀簡單的板材開始計算，再逐步去除板材中多余的材料，直至獲得理想零件所需要的尺寸。該方法最大的優(yōu)點在于簡單且有效。結(jié)構(gòu)進化優(yōu)化方法有兩大優(yōu)點：其一，無需計算梯度，只要一些網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及一些單元輸出信息：其二，這個軟件獨立于成形仿真求解器，它可以與任何工程上的仿真軟件相兼容。然而不足之處是，迭代效率低，由于采用三角單元，使得最終板料輪廓不夠光滑。

2.3.比例因子法

比例因子法的基本思想調(diào)用有限元分析軟件進行沖壓模擬，獲得終了輪廓線。然后，將終了輪廓線與目標輪廓線進行比較，如果形狀誤差在公差允許范圍之內(nèi)，則結(jié)束運算，輸出該初始輪廓線。反之，則對該初始輪廓線進行特定的偏置，再調(diào)用有限元軟件對偏置后的輪廓線進行沖壓模擬，獲得偏置后的終了輪廓線。最后，計算出零件變形的比例因子。通過比例因子對初始輪廓線進行修正，再將修正后的輪廓線作為下一次迭代的初始輪廓線。這樣不斷循環(huán)，直至形狀誤差均在公差允許范圍之內(nèi)，結(jié)束迭代，將最后一次迭代的輪廓線作為最優(yōu)輪廓線輸出。此方法的優(yōu)點計算精度更精確。不足之處在于初始輪廓線和目標輪廓線的選取依賴經(jīng)驗的積累，而且形狀誤差的計算和初始輪廓線的偏置及調(diào)整工作量較大。

3. 結(jié)論

通過對鈑金件毛坯料計算方法的分析，可以得到傳統(tǒng)計算方法計算的精度相對較低，先進的計算方法計算精度較高。但是每種計算方法都有自身的適用條件，應(yīng)根據(jù)不同的要求合理選擇計算方法。

參考文獻

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