PAM-STAMP軟件在復雜盒形件上的運用

王亞清

摘要：復雜鋁合金盒型拉深件，利用公式很難確定成形工藝路線和模具結(jié)構(gòu)，在成形過程中出現(xiàn)起皺和裂紋等質(zhì)量問題，合格率很低，本文通過運用PAM-STAMP軟件對零件進行模擬，優(yōu)化工藝路線，提高產(chǎn)品的合格率。

關(guān)鍵詞：鈑金仿真軟件 工藝路線 質(zhì)量 模擬

一、引言

PAM-STAMP是專業(yè)的鈑金仿真軟件，能夠解決板料成形過程中的質(zhì)量問題，金屬板料成形是一個復雜的彈塑性變形過程，對于復雜的板材零件，在變形過程中材料的塑性流動更為復雜，用傳統(tǒng)的方法需要多次修改模具進行工藝試驗，摸索正確的模具結(jié)構(gòu)。下罩蓋屬于典型復雜盒形件，成形的技術(shù)難點有：

1如何解決板料在拉深成形時產(chǎn)生折疊及裂紋等缺陷;

2零件材料為1.3mm厚的鋁合金板材整體成形，加工難度非常大;

3零件形狀復雜，橫截面為不規(guī)則形狀，金屬流動難以定量分析;

4傳力區(qū)及圓角區(qū)變形量大，易開裂，難以一次成形。

二、零件的工藝性分析

零件材料為2A11的鋁合金板料，厚度1.3mm，屬復雜薄壁異形盒形零件，幾何形狀不規(guī)則，為多面體狀，沿蓋底有4處尖端凸起，形狀復雜，變形量較大。根據(jù)以往經(jīng)驗及結(jié)合自身現(xiàn)有的設(shè)備及生產(chǎn)條件，采用拉深成形的工藝方案。

由于鋁合金拉深性能較差，拉深中極易減薄，在成形過程中部分材料處于懸空狀態(tài)，容易產(chǎn)生褶皺和折疊;由于蓋體自身的不規(guī)則形狀，致使在拉深成形過程中的切向應(yīng)力σθ和切向應(yīng)變εθ沿周向的不均勻性，外緣材料向蓋底的流動速度和方向的不規(guī)則。當切向壓應(yīng)力超過材料的抗壓縮失穩(wěn)極限時，拉深成形便產(chǎn)生不均勻起皺，隨著拉深的繼續(xù)進行，法蘭區(qū)材料切向收縮更為嚴重，皺紋增大;皺紋的產(chǎn)生又反過來阻礙了法蘭區(qū)金屬向傳力區(qū)、圓角區(qū)的流動，因而增加了產(chǎn)生裂紋的危險。綜上所述，需要采用拉深-拉深-校整的工藝方法。

三.工藝路線確定和模擬分析

3.1零件材料模型的建立

2A11屬于Al-Cu-Mg類硬鋁合金，屬于可熱處理強化的變形鋁合金，是一種“比強度”高的結(jié)構(gòu)材料.在退火和熱狀態(tài)下，通常會有較高的塑性，在成形過程中進行熱處理軟化，可提高材料塑性，從而使零件容易成形。

2A11（LY11）的化學成分如表1所示。

2A11（LY11）的物理性能如表2所示。

綜合上述的零件結(jié)構(gòu)特點和材料特性，憑借以往的沖壓拉深經(jīng)驗初步確定零件的成形工藝路線，但是由于零件結(jié)構(gòu)復雜，在生產(chǎn)過程中存在質(zhì)量問題如存在皺紋或裂紋等缺陷，產(chǎn)品合格率較低，需要多次試模和修改模具，進行工藝試驗，摸索正確的模具結(jié)構(gòu)來滿足零件的成形要求，研制周期較長。運用鈑金分析軟件在計算機上制定修改工藝參數(shù)，選擇合適的材料、應(yīng)力、應(yīng)變、模具間隙及分析成形起皺、拉深裂紋等產(chǎn)生的原因，模擬復雜沖壓成形過程，制定合理的工藝路線，為模具設(shè)計提供可靠的依據(jù)，在計算機上仿真替代產(chǎn)品真實的研制過程，對于工藝參數(shù)的優(yōu)化及確定具有重要的指導性意義。

在有限元模擬過程中，模具相對于板料不發(fā)生變形，采用剛性有限元模型，而彈塑性模型在成形時同時考慮材料的彈性階段和塑性階段，相對于剛性模型更加符合板料變形的真實情況，因此板料采用各向異性的彈塑性有限元模型。具體如表3所示。

該零件材料為2A11，材料性能數(shù)據(jù)表4

根據(jù)材料的冪指數(shù)本構(gòu)方程σ=kεn，由表4可知，材料2A11的硬化指數(shù)較小，為0.195，材料的硬化指數(shù)小，抗起皺失穩(wěn)能力較弱;強度系數(shù)k對成形影響不大。另外，n值較小的鋁合金的延伸率也較小，根據(jù)材料成形極限可知，最大等效應(yīng)變?yōu)?n，說明鋁合金材料成形潛力小，極易發(fā)生集中性失穩(wěn)（頸縮）直至出現(xiàn)裂紋。

3.2工藝路線的確定

3.2.1 坯料的計算

拉深件毛坯形狀及尺寸的確定，直接關(guān)系到拉深零件的產(chǎn)品質(zhì)量、拉深件的精度，由于零件結(jié)構(gòu)復雜，很難運用理論公式進行計算其展開尺寸，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件Pam-stamp反算展開料求解零件的展開料，它采用一步成形逆算法，計算速度很快，可以準確預(yù)測板料的初始形狀，計算結(jié)果較為精確。為保證拉深的效果，必須保證足夠的壓邊面積，但過大的壓邊面積會使法蘭區(qū)金屬流動阻力增大，傳力區(qū)金屬得不到補充，材料過度減薄，導致不足以抵抗變形拉應(yīng)力，使得在凸模圓角區(qū)域發(fā)生強度破裂。所以根據(jù)計算出的毛坯尺寸結(jié)合實際值確定毛坯的最終尺寸。

由毛坯外形最大尺寸，初步給出毛坯尺寸為1.3mm×500mm×500mm正方毛料。通過計算得出的毛料尺寸進行試拉深，經(jīng)過多次試拉深試驗，根據(jù)每次試驗情況，對零件的毛料尺寸再進行修正。根據(jù)成形前后表面積基本不變原理及通過幾次試驗，加上修邊量，最后確定零件的毛料尺寸為圓形毛料，直徑為φ410。

3.2.2 工藝路線的確定

該零件型面復雜為典型的盒形拉深件，拉深系數(shù)較小，超出零件的成形極限，通過計算拉深系數(shù)初步確定該零件需要兩次拉深成形，盒形件拉深過程中，毛料所受應(yīng)力和應(yīng)變沿周邊不均勻分布，其不均勻程度按相對高度H/L及角部相對圓角半徑R/L的大小而變化。這兩個比值決定了圓角部分材料向側(cè)壁轉(zhuǎn)移的程度及側(cè)壁高度的增補量。（H-零件高度，L-矩形件的短邊寬度）

通過H/L與R/L×2.7+0.4的值相比較，如果H/L ≤R/L×2.7+0.4，那么可以進行一次拉深，代入公式H/L（H=134/248.1= 0.5401）≤R/L×2.7+0.4即（3/248.1） ×2.7+0.4=0.4496），數(shù)值表明該盒形件不可以進行一次拉深;而h/d=134/246=0.5401≤0.7-0.8屬于角部具有小圓角半徑的較高盒形件，此類零件的相對半徑較小，底部容易破裂，需2次拉深。

經(jīng)過計算和對材料性能的分析、確定零件的成形工藝路線為二次拉深成形，第一次將所有的轉(zhuǎn)接R加大，將零件的形面進行圓滑過渡，保證拉深成形的高度，同時減少拉深過程的阻力，防止零件裂紋。第二次成形零件的最終高度，主要是壓縮成形，讓初成形的零件進行貼模，同時防止多余材料的存在產(chǎn)生皺紋，兩次拉深的高度尺寸和模具的轉(zhuǎn)接R大小直接影響到零件的成形質(zhì)量，運用鈑金仿真軟件對零件的拉深工藝路線進行精確模擬，解決零件成形過程中的一系列質(zhì)量問題。

3.3 成形過程模擬

工藝路線確定以后，采用PAM-AUTOSTAMP模塊對零件進行精確模擬，該模塊充分考慮了成形過程中的速度、溫度、表面摩擦、壓料力、沖床剛度等各種因素的影響，對預(yù)測成形過程中的材料流動、起皺、破裂和拉深成形等具有非常高的精度。在模擬之前建立PAM-STAMP的三維數(shù)模通常包括：凸模、凹模、壓邊圈和板料，將零件的幾何信息輸入到數(shù)值模擬軟件PAM-STAMP中，以導入的型面作為凹模。為保證模具的幾何形狀，在模具的圓角尖角部分劃分相對細密的網(wǎng)格，以保證成形過程中板料對模具具有良好的貼模性，成形過程采用的工藝參數(shù)為：工具和板料之間的摩擦系數(shù)為0.08，相當于潤滑劑的條件，工具和板料直接接觸。

對零件成形的質(zhì)量進行模擬，采用了單動有壓邊圈的精確成形模擬，通過第一次拉深的模擬可以看出零件的法蘭邊區(qū)域增厚約0.08mm，并有起皺的趨勢，這是由于材料切向收縮，εθ<0，根據(jù)體積不變原理，材料在法蘭區(qū)域εt+εθ+εd=0，則厚向應(yīng)變εt>0。因而，在實際加工過程中需要增加壓邊力，防止零件起皺。

四、拉深成形模具的設(shè)計：

拉深模具的凸模、凹模結(jié)構(gòu)形式設(shè)計的合理與否，不但關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接影響拉深變形程度。通過模擬分析，二次拉深成形能夠滿足零件的加工要求，第一次和第二次拉深成形模均采取倒裝形式，配以導柱、導套精確定位，避免由于間隙偏差，造成間隙大面起皺，間隙小面拉裂現(xiàn)象。為了消除拉深時材料無約束流入陰模產(chǎn)生起皺發(fā)生，因而選用帶有壓邊圈的形式的模具結(jié)構(gòu)。為便于零件拉深成形，在各次拉深成形中合理選用大R值，使零件拉深時材料便于流動，為便于零件拉深后脫模，沖模設(shè)計帶有打料器、退件器等機構(gòu)。

五、拉深成形過程中的問題及解決措施

該零件的拉深成形是在400T油壓機上進行，拉深后材料成形裂紋出現(xiàn)在筒壁與底部轉(zhuǎn)角稍上的地方，該處需要轉(zhuǎn)移的材料較少，變形程度小，硬化程度低，經(jīng)過分析造成裂紋的原因有兩方面：壓邊力過大，圓角區(qū)域材料得不到有效補充，需減小壓邊力及增加潤滑措施減少模具和材料之間的摩擦。模具凹模圓角R部不光滑，需進行拋光處理。經(jīng)過數(shù)次改進后，裂紋消失。

由于壓邊力減小導致零件表面存在褶皺現(xiàn)象，結(jié)合模擬和實際試驗結(jié)果確定影響零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素為壓邊力的大小，根據(jù)計算理論的壓邊力為300-450KN，當壓邊力為450KN時，零件內(nèi)部存在破裂現(xiàn)象，隨著壓邊力的降低，內(nèi)部破裂有所減少，但是壓邊圈部分的金屬起皺現(xiàn)象隨著壓邊力的降低愈加嚴重，通過調(diào)整模具圓角半徑和潤滑，改善零件的成形接觸條件，保證了零件的成形要求。

六、結(jié)論

金屬板料成形是一個復雜的彈塑性變形過程，本文采用有限元數(shù)值模擬和工藝試驗相結(jié)合的實驗方法，取得以下結(jié)論：

1通過數(shù)值分析軟件PAM-STAMP的INVERSE模塊反算材料的展開料形狀，并通過現(xiàn)場實驗的反復修邊，成形零件的效果較好。

2利用成形極限圖對材料拉深成形過程中的材料裂紋、起皺等缺陷分析，調(diào)整工藝路線、模具結(jié)構(gòu)、坯料展開料形狀等。

3通過鈑金仿真軟件復雜盒形件成形過程中的運用，總結(jié)復雜形狀鋁板成形的工藝難點，并將試驗結(jié)果運用到實際加工中，克服薄板成形中出現(xiàn)的褶皺、裂紋現(xiàn)象。