盒形件沖壓拉深成形數(shù)值模擬研究*

□ 許多盛 □ 程仲文 □ 易湘斌 □ 羅文翠 □ 蘇學(xué)眾 □ 楊 賡

蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院 蘭州 730050

1 研究背景

作為一種典型的非軸對(duì)稱形拉深件,盒形件廣泛應(yīng)用于反光鏡、油箱、電池盒等產(chǎn)品中。盒形件的成形加工經(jīng)常采用薄板多道次沖成壓形工藝,存在工序多、模具數(shù)量多、加工成本高等缺點(diǎn),加工質(zhì)量難以保證。盒形件包括直角邊區(qū)域和圓角區(qū)域,其拉深變形過程存在變形分布不均、應(yīng)力分布不均、變形速度不均等問題,直角邊區(qū)域和圓角區(qū)域之間存在關(guān)聯(lián),變形過程十分復(fù)雜[1]。

為適應(yīng)小批量、多品種、輕量化成形件加工要求,可以采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具優(yōu)化拉深成形工藝及成形模具的幾何參數(shù)[2-5]。筆者采用Dynaform板料成形仿真軟件,分別對(duì)盒形件沖壓和液壓拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比研究拉深成形關(guān)鍵工藝參數(shù),如壓邊間隙、凸模圓角半徑等對(duì)成形質(zhì)量的影響,進(jìn)而制定滿足盒形件加工要求的工藝參數(shù)。

2 零件工藝分析

選用制件長度50 mm、寬度50 mm、深度55 mm的盒形件,要求保證外形尺寸精度為IT13級(jí),厚度t為1 mm,無厚度不變的要求。材料為304不銹鋼,牌號(hào)為0Gr18Ni9,其性能見表1。

表1 304不銹鋼材料性能參數(shù)

盒形件工件拉深時(shí),毛坯一般為圓形或長圓形,毛坯直徑D為:

(1)

式中:B為矩形件工件邊長;H為矩形件工件高度;r為底面圓角半徑。

考慮修邊余量后,確定毛坯直徑為130 mm。

確定第一次拉深因子:

式中:d1為拉深后直徑;[m1]為第一次許用拉深因子。

確定制件相對(duì)高度為:

H/B=55/50=1.1

確定制件相對(duì)厚度為:

t/B×100=2

采用角部壁間距拉深沖壓方案時(shí),根據(jù)上述公式及文獻(xiàn)[4],確定共需要進(jìn)行兩次拉深,第一次拉深為圓筒形,第二次拉深為矩形件。由文獻(xiàn)[4]查得第一次拉深后制件直徑為69.66 mm,深度為45 mm,第二次拉深后要求達(dá)到零件規(guī)定尺寸。經(jīng)計(jì)算得第一次拉深力為210 kN,第二次拉深力為145 kN,第一次壓邊力為18 kN,第二次壓邊力為69 kN。

3 數(shù)值模擬

建立幾何模型,應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)數(shù)值模擬中使用的板料、凹凸模及壓邊圈進(jìn)行建模。根據(jù)計(jì)算所得的工藝參數(shù)繪制出所需的凹凸模、板料及壓邊圈,然后導(dǎo)出.igs格式文件至Dynaform軟件。利用快速建模模塊建立模型,定義成形類型和接觸類型,以及毛坯材料和成形工具。毛坯采用304不銹鋼,本構(gòu)類型選用Barlat-Lian屈服準(zhǔn)則,各向異性材料模型的類型為T36,厚度為1.0 mm[5]。模擬時(shí)采用整體壓邊,所建立的盒形件拉深三維模型如圖1所示。

▲圖1 盒形件拉深三維模型

將SolidWorks軟件中導(dǎo)出的模具及毛坯曲面導(dǎo)入Dynaform軟件,使用自動(dòng)設(shè)置功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最大的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為4 mm。檢查并修復(fù)缺陷,模型網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果如圖2所示。

▲圖2 模型網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果

為便于研究,采用固定凹模及壓邊圈的方式,凸模自上而下運(yùn)動(dòng)。按照零件尺寸設(shè)置凸模運(yùn)動(dòng)距離和時(shí)間,為減少計(jì)算機(jī)處理時(shí)間,凸模的虛擬速度為真實(shí)速度的1 000 倍[6-9]。

為研究工藝參數(shù)對(duì)零件加工質(zhì)量的影響,共進(jìn)行兩次拉深工藝過程模擬,拉深高度為55 mm,凹凸模圓角半徑為4 mm。設(shè)置壓邊圈壓邊間隙在1.04～1.1倍板料厚度之間變動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)[10],凸模與板料之間的摩擦因數(shù)定義為0.3,板料與凹模、壓邊圈之間的摩擦因數(shù)定義為0.1。

4 結(jié)果分析

4.1 壓邊間隙

在板料沖壓過程中,固定壓邊間隙是一種常見的壓邊方式。壓邊間隙的取值大小會(huì)對(duì)盒形件的成形質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。壓邊間隙過大,則凸緣部位會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn),產(chǎn)生褶皺并破裂;壓邊間隙過小,則板料與壓邊圈間的摩擦力過大,使板料流動(dòng)困難,也會(huì)導(dǎo)致盒形件側(cè)壁破裂。

不同壓邊間隙時(shí)盒形件的成形極限曲線、成形極限、側(cè)壁厚度云圖依次如圖3、圖4、圖5所示。壓邊間隙為1.04 mm時(shí),盒形件已出現(xiàn)輕微拉裂缺陷。當(dāng)壓邊間隙增大至1.06 mm時(shí),拐角處出現(xiàn)局部嚴(yán)重變薄現(xiàn)象。當(dāng)壓邊間隙增大至1.08 mm時(shí),拉深出的盒形件基本沒有缺陷,制件厚度在0.82～1.43 mm之間。而當(dāng)壓邊間隙進(jìn)一步增大至1.10 mm時(shí),盒形件底部出現(xiàn)輕微的拉深不足情況,拐角處厚度減小至0.68 mm,最大增厚率出現(xiàn)在凸緣周圍的最大內(nèi)凹處,最大增厚率為43.48%。綜合來看,壓邊間隙為1.08 mm時(shí),拉深件質(zhì)量最佳。

▲圖3 不同壓邊間隙時(shí)盒形件成形極限曲線

▲圖4 不同壓邊間隙時(shí)盒形件成形極限

▲圖5 不同壓邊間隙時(shí)盒形件側(cè)壁厚度云圖

4.2 凸模圓角半徑

凸模圓角半徑的取值是拉深成形能否成功的關(guān)鍵因素之一。為研究凸模圓角半徑對(duì)盒形件成形質(zhì)量的影響,當(dāng)壓邊間隙為1.08 mm時(shí),分別對(duì)凸模圓角半徑為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm的情況進(jìn)行模擬。

不同凸模圓角半徑下時(shí)盒形件的成形極限曲線、成形極限、側(cè)壁厚度云圖依次如圖6、圖7、圖8所示。底部尖角區(qū)域?yàn)樽钜壮霈F(xiàn)破裂的區(qū)域,這一區(qū)域?yàn)檫^渡區(qū),受筒壁拉應(yīng)力、凸模圓角壓應(yīng)力和彎曲壓應(yīng)力綜合作用,底部會(huì)發(fā)生很小的變形,是拉深過程中的危險(xiǎn)點(diǎn)。當(dāng)凸模圓角半徑為2 mm時(shí),板料發(fā)生了破裂。盒形件厚度最薄的區(qū)域均出現(xiàn)在零件底部圓角處,這是由于在拉深的初始階段,零件底部和凸模之間存在較大的摩擦,圓角處承受了較大的拉應(yīng)力,壁厚開始變薄,產(chǎn)生了應(yīng)力集中。凸模圓角半徑越小,坯料局部變薄越嚴(yán)重,甚至可能發(fā)生破裂。隨著圓角半徑的增大,包括最小厚度和最大厚度在內(nèi),盒形件拉深處的質(zhì)量越來越好。

不同圓角半徑時(shí)盒形件不同部位的側(cè)壁厚度變化情況如圖9所示。盒形件上部邊緣拐角凸模處側(cè)壁厚度變化不大,底部厚度總體隨凸模圓角半徑的增大而減小,最薄處厚度隨凸模圓角半徑的增大而增大。綜合來看,當(dāng)凸模圓角半徑為6 mm時(shí),盒形件的成形質(zhì)量相對(duì)較好。

▲圖6 不同凸模圓角半徑時(shí)盒形件成形極限曲線

▲圖7 不同凸模圓角半徑時(shí)盒形件成形極限

▲圖8 不同凸模圓角半徑時(shí)盒形件側(cè)壁厚度云圖

▲圖9 盒形件不同部位側(cè)壁厚度變化情況

5 結(jié)束語

筆者利用Dynaform軟件對(duì)盒形件進(jìn)行沖壓拉深數(shù)值模擬,以成形極限圖和厚度云圖作為判斷依據(jù),分析壓邊間隙及凸模圓角半徑等關(guān)鍵成形參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響。在拉深過程中,選擇合適的壓邊間隙及凸模圓角半徑,是有效提高盒形件拉深成形質(zhì)量的關(guān)鍵。研究表明,合適的壓邊間隙為1.08 mm,合適的凸模圓角半徑為6 mm。