振動(dòng)壓邊拉深成形的數(shù)值模擬分析

張 帥，李湘生，周 健，馮垠潔，孫 濤

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

板材沖壓成形是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，特別是拉深成形過程，它涉及幾何非線性、物理非線性以及邊界非線性等問題[1].除工件形狀外，還有許多直接或間接影響其成形的因素，這就增加了分析拉深成形的難度，以前主要依靠傳統(tǒng)方法的分析求解，很難達(dá)到預(yù)期的效果.計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)值模擬分析變得實(shí)用可行，事實(shí)上，目前國外對(duì)板材成形的數(shù)值模擬分析已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，超過60%的企業(yè)在生產(chǎn)過程中設(shè)有數(shù)值模擬分析的環(huán)節(jié)[2].

為防止筒形件在拉深成形過程中出現(xiàn)的起皺，通常需要增設(shè)壓邊裝置[3].壓邊裝置的壓邊力必須選取適當(dāng)，若其太大則會(huì)增加危險(xiǎn)截面拉裂的風(fēng)險(xiǎn)；若其太小則很難控制起皺.通常視不同情況選用固定壓邊圈或彈性壓邊圈[4].本文采用新的壓邊形式——振動(dòng)壓邊，并在仿真過程中通過自定義壓邊力曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)拉深過程中壓邊圈振動(dòng)的控制.

1 模具設(shè)計(jì)及網(wǎng)格劃分

1.1 模具設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)上往往依靠技術(shù)人員進(jìn)行手工模具設(shè)計(jì)，對(duì)于較復(fù)雜的零件來說，因不能準(zhǔn)確地預(yù)測拉深成形過程中的問題而只能反復(fù)地修模和試模，導(dǎo)致模具設(shè)計(jì)的周期長，成本高.當(dāng)今通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真模擬分析，能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方式的不足.圖1所示為Dynaform仿真軟件參與下的模具設(shè)計(jì)流程.

圖1 Dynaform仿真軟件參與下的模具設(shè)計(jì)流程

簡單的模具零件可使用Dynaform仿真軟件進(jìn)行造型，但復(fù)雜的模具零件需要使用三維軟件進(jìn)行造型，且要將其轉(zhuǎn)化成曲面片體，保存為Dynaform仿真軟件可識(shí)別的iges格式.完成模具零件造型后需要在Dynaform仿真軟件中進(jìn)行相應(yīng)的仿真計(jì)算，然后通過后處理軟件查看仿真結(jié)果，若結(jié)果滿意則進(jìn)入下一階段，進(jìn)行模具總體設(shè)計(jì)；若結(jié)果不理想則需要重新修改工藝參數(shù)或?qū)δ＞吡慵M(jìn)行重新造型，直至得到滿意結(jié)果為止.

根據(jù)模具設(shè)計(jì)流程，將凸模安裝在上模座上，上模座通過壓板安裝在液壓機(jī)上；將凹模安裝在下模座上，下模座安裝在安裝板上，安裝板通過壓板安裝在液壓機(jī)的基座上，可設(shè)計(jì)出圖2所示模具.安裝板上還安裝了4個(gè)氣缸，壓邊圈通過螺栓與氣缸連接.通過螺栓上彈簧的壓縮量可控制壓邊力的大小.

圖2 模 具

將板材放到凹模上后，氣缸因給氣而回縮，拉動(dòng)壓邊圈，使板材壓在凹模的上表面，然后啟動(dòng)液壓機(jī)，使安裝在液壓機(jī)上的凸模向下運(yùn)動(dòng)，在凸模接觸板板前啟動(dòng)計(jì)時(shí)器.同時(shí)，氣缸通過電磁換向閥以一定的頻率換向，使壓邊圈振動(dòng).這時(shí)凸模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)板材進(jìn)行拉深.在拉深結(jié)束后，壓邊圈通過氣缸頂起，安裝在凹模底部的頂料裝置將已成形工件頂出凹模.

1.2 網(wǎng)格劃分

利用Dynaform仿真軟件仿真時(shí)需要把三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成曲面片體.圖3所示為模具及板材的簡化曲面模型.簡化后需要分別對(duì)凸模、壓邊圈、板材及凹模進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分.

在Dynaform仿真軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分是仿真模擬分析的重要步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響仿真的結(jié)果.通常，板材的網(wǎng)格劃分較為稠密[5]，凸模、壓邊圈及凹模的網(wǎng)格劃分則相對(duì)稀疏，以便在保證仿真精度的同時(shí)加快計(jì)算速度.圖4所示為模具及板材網(wǎng)格劃分的結(jié)果.

圖3 模具及板材的簡化曲面模型

2 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

本文以6061-O鋁合金板作為沖壓仿真用板料.板料的主要性能參數(shù)通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)[6]獲得，具體如表1所示.

表1 6061-O鋁合金材料的性能參數(shù)

2.1 最小壓邊力估算

在Dynaform仿真軟件中仿真時(shí)，參考算出的壓邊力[7]，可快速確定壓邊力的取值范圍.

最小壓邊力為：

(1)

最大拉深力為：

Fp max=3(σb+σs)(D0-Dd-rd)t0

(2)

式中:t0為板材的厚度，t0=1 mm；D0為板材的直徑(利用Dynaform仿真軟件對(duì)零件展開得到)，D0=54 mm；Dd為凹模內(nèi)徑，Dd=32 mm；d0為凸模直徑，d0=29.8 mm；σb為板材的極限抗拉強(qiáng)度；σs為板材的受拉屈服強(qiáng)度；rd為凹模圓角半徑，rd=5 mm.

根據(jù)式(1)和式(2)可算出最小壓邊力，F(xiàn)c min=681.27 N.

根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，設(shè)摩擦系數(shù)為0.125，沖壓速度為3 000 mm/s，同時(shí)，參照算出的最小壓邊力，壓邊力可取值1 000 N、2 000 N、3 000 N、4 000 N、5 000 N、6 000 N、7 000 N、8 000 N、9 000 N、10 000 N.對(duì)以上10組數(shù)據(jù)，使用Dynaform仿真軟件進(jìn)行壓邊力仿真.

當(dāng)壓邊力為10 000 N時(shí)，板材因壓力太大而不能均勻地流入凹模，存在較大的破裂風(fēng)險(xiǎn).因此，壓邊力的上限為10 000 N.通過綜合分析，將壓邊力確定為3 000 ～9 000 N.在這個(gè)范圍內(nèi)，工件成形質(zhì)量好，板材基本上不會(huì)出現(xiàn)起皺和減薄，而且不會(huì)發(fā)生破裂導(dǎo)致的工件報(bào)廢問題.

2.2 摩擦系數(shù)設(shè)定

摩擦系數(shù)是本文進(jìn)行正交試驗(yàn)的另一個(gè)重要因素.設(shè)壓邊力為3 000 N，沖壓速度為3 000 mm/s，摩擦系數(shù)取值0.050、0.075、0.100、0.125、0.150、0.175、0.200.針對(duì)這7組數(shù)據(jù)，使用Dynaform仿真軟件進(jìn)行摩擦系數(shù)仿真.

從仿真結(jié)果可知，摩擦系數(shù)越大，板材越容易被拉裂.當(dāng)摩擦系數(shù)為0.200時(shí)，板材有嚴(yán)重減薄的趨勢.因此，在本文正交試驗(yàn)中將摩擦系數(shù)設(shè)定為0.050(低)、0.125(中)、0.170(高)這3個(gè)水平.

3 正交試驗(yàn)及其結(jié)果分析

3.1 正交試驗(yàn)

影響板材拉深成形的因素很多，只進(jìn)行單一變量分析具有一定的片面性.為此，本文綜合考慮壓邊力、摩擦系數(shù)和振動(dòng)頻率3個(gè)因素，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)(表2).其結(jié)果如表3所示.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)板材拉深的壁厚極差分析結(jié)果如表4所示.

表2 正交試驗(yàn)的因素及水平

注：因素A 為振動(dòng)頻率 ；因素B 為摩擦系數(shù)；因素C 為壓邊力.

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 針對(duì)板材拉深的壁厚極差分析結(jié)果 mm

從表4可以看出，振動(dòng)頻率、摩擦系數(shù)、壓邊力的極差分別為0.013 7、0.033 0、0.027 3.針對(duì)工件成形后最薄處進(jìn)行考察，結(jié)合極差分析方法中極差越大對(duì)應(yīng)的因素越重要這一原則，按從大到小的順序可排列為，摩擦系數(shù)、壓邊力、振動(dòng)頻率.摩擦系數(shù)是考察因素中影響最大的因素，壓邊力次之，振動(dòng)頻率的影響最小.振動(dòng)壓邊不是影響拉深成形最主要的因素，只是對(duì)工件拉深有一定影響.也就是說，振動(dòng)壓邊能夠減小筒形件的減薄量，有利于提高工件拉深成形的質(zhì)量.分析可知，最優(yōu)方案為A3B1C2，對(duì)應(yīng)于正交試驗(yàn)表中第7組數(shù)據(jù).

成形極限圖(FLD)法是判斷和評(píng)定金屬薄板料成形性最簡便且直觀的方法[8].以最優(yōu)方案仿真的振動(dòng)壓邊拉深成形工件的FLD如圖5所示，對(duì)應(yīng)的厚度梯度圖如圖6所示.

圖5 振動(dòng)壓邊拉深成形工件的FLD

從圖5可以看出：工件底部為拉深安全區(qū)；筒壁部分有起皺趨勢，但還沒有出現(xiàn)起皺現(xiàn)象；工作邊緣發(fā)生了起皺.

圖6 振動(dòng)壓邊拉深成形工件的厚度梯度圖

從圖6可以看出，工件邊緣為增厚最大處，最大厚度為1.309 mm.結(jié)合圖5可知，工件邊緣有一定程度的起皺.針對(duì)這一缺陷，可在后續(xù)加工中進(jìn)行相應(yīng)的切邊處理.從圖6還可看出，從工件邊緣到底部，其厚度呈逐漸減薄趨勢，凸模倒角與工件接觸處厚度最薄，是最容易拉裂的部位.工件破裂一般都是從此處開始的，在筒形件的拉深成形過程中應(yīng)特別注意這一問題.

4 結(jié) 論

在板材振動(dòng)壓邊拉深過程中，摩擦系數(shù)為考察因素中影響最大的因素，壓邊力次之，振動(dòng)頻率相對(duì)影響最小.有振動(dòng)壓邊比無振動(dòng)壓邊的拉深成形效果好，但是振動(dòng)壓邊不是影響拉深成形最主要的因素，只是對(duì)工件拉深有一定的積極作用.振動(dòng)壓邊使筒形件在拉深時(shí)的減薄量減小，工件成形時(shí)不易被拉裂、拉破.通過極差分析可知，最佳方案為A3B1C2，即振動(dòng)頻率7 Hz、摩擦系數(shù)0.050、壓邊力6 000 N.振動(dòng)壓邊拉深成形工件從邊緣到底部，其厚度呈逐漸減薄趨勢，凸模倒角與工件接觸處厚度最薄，是最容易拉裂的部位.