基于變壓邊力的半球形圓筒件成形性能研究

劉樂平

(湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410000)

0 引言

板材成形在制造業(yè)中占有重要地位，尤其在汽車、家電、航空航天行業(yè)。隨著對安全與輕量化要求的不斷提升，越來越多的高強度材料得到應(yīng)用，沖壓成形面臨的起皺、開裂、回彈等問題一直阻礙著行業(yè)的發(fā)展。板料拉深成形過程中同時包含材料非線性、幾何非線性以及邊界條件非線性等，屬于十分復(fù)雜的非線性問題[1]。并且在實際沖壓過程中，影響零件成形質(zhì)量的因素眾多，如沖壓速度、壓邊力、摩擦、坯料尺寸、材料性能等[2]。壓邊力是其中一個相對容易控制且對成形結(jié)果影響較大的因素，壓邊力過大會導(dǎo)致材料開裂，壓邊力不足又會使材料起皺。因此，合理的壓邊力大小是實現(xiàn)零件良好成形性的重要保證[3-4]。

在成形仿真分析與零件生產(chǎn)中，常常是通過經(jīng)驗公式設(shè)置一個恒定壓邊力進行分析或者給油壓機設(shè)定一個恒定壓力進行零件生產(chǎn)。但是，在實際拉深過程中，由于材料的有效壓料面積不斷減少，其壓邊力應(yīng)該是一個隨拉深行程或時間變化而變化的值，使用傳統(tǒng)的恒壓邊力控制難以獲得零件最佳的成形質(zhì)量[5]。有學(xué)者研究表明，采用隨時間或位置變化的變壓邊力進行成形，不僅可以提高板材的成形性能，減低成形過程中起皺和開裂的風(fēng)險，還能減少回彈、提高零件的尺寸精度[6-7]。本文作者利用Dynaform對高強鋼圓筒件進行拉深成形，分別采用恒定壓邊力與不同變化模式的壓邊力進行研究仿真分析與試驗研究，得到利于提升高強鋼拉延性能的最佳壓邊力變化模式。

1 有限元模型建立

1.1 材料選擇

本文作者選用的板材為DP590，該材料為雙相鋼，內(nèi)部含有馬氏體與鐵素體的混合組織。其中硬相馬氏體以島狀彌散分布在軟相鐵素體基體上，使得DP鋼同時具有高強度與較好的成形性[8]。板料為直徑200 mm的圓片，厚度為1.2 mm。其基本力學(xué)性能見表1。

表1 DP590基本力學(xué)性能

在Dynaform軟件中自帶有材料的曲線以及憑經(jīng)驗公式得到的成形極限曲線(FLC)，合理的成形極限曲線能夠準(zhǔn)確地反映板料起皺、開裂等缺陷。因此為提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將DP590材料真實應(yīng)力應(yīng)變曲線以及實際的FLC曲線導(dǎo)入Dynaform中進行分析，如圖1、圖2所示。

圖1 DP590材料曲線

圖2 FLC曲線

1.2 有限元模型

以半球形圓筒件為研究對象，先利用UG軟件進行建模，后導(dǎo)入Dynaform軟件中進行前處理及成形分析。半球形圓筒件有限元模型如圖3所示。

圖3 工具體與板料

板料單元類型選用Belytschko-Tsay殼單元，各向異性屈服準(zhǔn)則選用 Barlet屈服準(zhǔn)則，板料網(wǎng)格為5 mm×5 mm，對板料進行網(wǎng)格劃分后的單元數(shù)為6 575，節(jié)點數(shù)為6 450。工具體設(shè)為剛體，即在分析過程中視為不會產(chǎn)生任何變形，工具體網(wǎng)格大小為20 mm×20 mm。凹模和壓邊圈設(shè)為1.1倍板厚，拉深成形中各接觸面摩擦因數(shù)設(shè)為0.125。其中凸模直徑為100 mm，頂部為半球形，凹模圓角半徑大小為5 mm。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 恒定壓邊力數(shù)值模擬

在實際分析與工程中，往往使用的是恒定壓邊力。因此為了得到圓筒件在恒定壓邊力的拉延極限高度，在保證法蘭邊不發(fā)生明顯起皺的前提下，分別設(shè)置5×104、10×104、15×104、20×104、25×104、30×104、50×104N的恒定壓邊力進行仿真分析，在板料發(fā)生開裂時，記錄此時的拉延高度。結(jié)果如表2、圖4所示。

表2 不同恒定壓邊力下的拉延極限高度

圖4 不同恒定壓邊力下的拉延極限高度

由圖4可知，圓筒件拉延極限高度先隨著壓邊力增大而增大，壓邊力為15×104N時其拉延高度達到最大值H=45.7 mm，后拉延極限高度隨壓邊力增大而減小。因此F=15×104N壓邊力為該圓筒件成形最佳壓邊力。當(dāng)壓邊力低于該值時，由于壓邊力不足導(dǎo)致法蘭邊產(chǎn)生輕微起皺，使得板料與工具體的摩擦力增大，材料不易往里流動，因此拉延高度較??；同樣當(dāng)壓邊力高于該值時，由于壓邊力的增加導(dǎo)致摩擦力增大，板料在成形過程中走料困難，從而導(dǎo)致零件嚴(yán)重變薄，直至拉裂。由此可見，壓邊力對成形結(jié)果影響顯著，并且觀察圖5可知起始開裂位置發(fā)生在半球頂部。

圖5 開裂部位示意

2.2 變壓邊力數(shù)值模擬

為研究變壓邊力對圓筒件拉延極限的影響，分別采用圖6所示4種壓邊力加載曲線進行仿真分析[9]。分析過程中，僅改變壓邊力大小，其他工藝參數(shù)均保持一致，圖7為導(dǎo)入Dynaform中的∨形壓邊力加載曲線示意圖。

圖6 壓邊力加載曲線

圖7 ∨形壓邊力加載曲線

經(jīng)分析得到每種加載方式下圓筒件的拉延極限高度，以及在拉延高度為30 mm時圓筒件減薄與增厚情況，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在遞增形與∧形加載方式下圓筒件的拉延極限高度比恒定15×104N壓邊力下的拉延極限高度大。當(dāng)拉延高度為30 mm時，采用遞減形與∨形加載方式時圓筒件減薄率均比較大，且法蘭邊發(fā)生起皺現(xiàn)象；而遞增形、∧形與恒定15×104N下成形結(jié)果均比較好。由此可見，遞增形與∧形兩種加載方式比恒定壓邊力更有利于材料成形，提高材料成形極限；而遞減形與∨形加載方式則不利于該圓筒件成形。

表3 不同加載方式下的分析結(jié)果

3 實驗驗證

為驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，得到在不同加載方式下圓筒件的實際拉延極限高度，利用現(xiàn)有的材料拉延極限性能測試設(shè)備進行拉延試驗。試驗設(shè)備如圖8所示，利用該設(shè)備可準(zhǔn)確觀察到材料開裂部位以及開裂時對應(yīng)的拉延極限高度。

圖8 試驗設(shè)備

圖9為利用該設(shè)備觀察到的材料開裂情況及拉延極限高度。觀察圖9可知板料開裂位置發(fā)生在半球頂部，與仿真結(jié)果一致，且圖中所示拉延開裂時對應(yīng)的極限高度為30.19 mm。

隨后分別加載不同壓邊力進行實驗，得到對應(yīng)的實際拉延極限高度，并與仿真值比較，如表4、圖10所示。

圖9 成形圖像及位移信息

加載方式極限拉延高度/mm仿真值實驗值遞減形32.230.19遞增形46.845.8∨形35.433.1∧形47.345.2恒定15×104 N45.743.5

圖10 不同加載方式下仿真值與實際值比較

觀察表4與圖10可知，試驗值與仿真值存在一些差異，這是由于仿真是在理想環(huán)境下進行的，而實際實驗時容易受到工作環(huán)境、機臺速度、摩擦等影響，因此得到的拉延極限略低于仿真值。但總體趨勢仍與仿真規(guī)律一致，遞增形與∧形兩種加載方式下的拉延極限高度最大。

4 結(jié)論

通過導(dǎo)入DP590實際材料曲線以及FLC曲線，利用Dynaform軟件對圓筒件進行仿真分析以及實驗驗證。結(jié)果表明：對于半球形圓筒件，與加載恒定壓邊力相比，遞增形以及∧形加載方式能夠提高圓筒件的拉延成形極限高度，而遞減形及∨形壓邊力加載方式對圓筒件的拉深成形極限高度沒有改善作用。