深沖兩片罐制耳的仿真模擬

欒 鑫,杜傳軍

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

深沖罐因其多道拉伸的制造工藝,在國外被稱為Drawn and Redrawn Cans,國內(nèi)簡稱DRD 罐。制罐時,金屬板料在壓力機(jī)上通過模具先沖出一個淺杯,然后將淺杯再沖壓一或多個道次逐漸縮小直徑并增加高度使之達(dá)到目標(biāo)罐型。由于材料各向異性,沖壓后罐口部并不平齊,形成不規(guī)則凸緣,這種現(xiàn)象被稱為制耳。將沖壓后留下的不規(guī)則凸緣切除后,最終加工得到的成品是罐底與罐身為一個整體的包裝產(chǎn)品。因其最終產(chǎn)品由整個罐體和封口的蓋兩部分組成,故稱之為兩片罐。

深沖兩片罐壁厚均勻,強(qiáng)度高,密封性能好,制罐工藝簡單,生產(chǎn)效率高,所以近年來發(fā)展迅速,大量應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域。但相應(yīng)地,制罐材料的性能需要更好,生產(chǎn)設(shè)備的投資更大,對制罐設(shè)備和模具的精度要求更高。

制罐的沖壓過程是一個復(fù)雜的物理變化過程。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是基于經(jīng)驗(yàn)公式計算,依靠反復(fù)修改模具和實(shí)際測試來不斷調(diào)整模具制罐的結(jié)果。這種方法費(fèi)時費(fèi)力,難以滿足現(xiàn)在罐型設(shè)計的要求。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元分析軟件在沖壓成形領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,可以從理論上分析制罐成形過程,更直觀地了解平面各向異性系數(shù)對深沖兩片罐制耳結(jié)果的影響。

2 建立有限元模型

本文使用有限元分析軟件ABAQUS/Explicit對深沖兩片罐成形過程進(jìn)行了仿真模擬和分析。ABAQUS是世界知名的通用有限元分析軟件,能夠模擬高度非線性問題,計算出的結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.1 三維建模并裝配

根據(jù)深沖兩片罐某罐型模具實(shí)際尺寸先創(chuàng)建三維幾何模型,該罐型分兩道次沖壓,分別對其成形過程建模,如圖1所示。設(shè)置板料、壓邊圈、凸模、凹模均為殼單元,并且定義壓邊圈、凸模、凹模為剛性體,而板料為可變形體,其中制罐過程建模所用板料為第一道次沖壓變形后的淺杯。

圖1 制罐成形過程建模Fig.1 Model of deep drawing cans

2.2 設(shè)置材料屬性

深沖兩片罐制罐所用材料一般為馬口鐵或鍍鉻板,厚度根據(jù)罐型多采用0.18 mm或以下的二次冷軋薄鋼板。由于沖壓后罐口部不平齊,出現(xiàn)了制耳現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谲堉粕a(chǎn)過程中,微觀晶粒被重組變形,軋制方向的材料被拉伸,厚度方向的材料被壓縮,導(dǎo)致了平面內(nèi)出現(xiàn)各向異性,也就是其力學(xué)性能和物理性能沿不同方向不相同,用式(1)平面各向異性系數(shù)Δr表示:

Δr=(r0+r90-2r45)/2

(1)

式中:r0,r45,r90分別為各向異性材料在與軋制方向成0°、45°、90°時的厚向異性系數(shù)。

在仿真計算中定義板材的軋制方向?yàn)?°,即沿著X軸正軸方向;垂直于軋制的方向?yàn)?0°,即沿著Z軸正軸方向。

在ABAQUS中采用應(yīng)變屈服應(yīng)力比R來定義各向異性屈服行為,不同方向的屈服應(yīng)力比與厚向異性系數(shù)r在平面內(nèi)有如式(2)關(guān)系:

(2)

式中:Rij為三維坐標(biāo)軸下各個方向上的各向異性應(yīng)變屈服應(yīng)力比。

式(3)為不同方向r值:

(3)

式中:εb為寬度應(yīng)變;εt為厚度應(yīng)變。

當(dāng)r>1時,板材在寬度方上比厚度方向上更容易產(chǎn)生變形,說明其深沖性能良好。

為了分析平面各向異性系數(shù)對深沖兩片罐制耳結(jié)果的影響,取不同方向r值和相對的Δr值進(jìn)行仿真計算,具體數(shù)值見表1,具體材料屬性見表2。

表1 不同方向厚向異性系數(shù)和相對的各向異性系數(shù)Table 1 Plastic strain ratio and relative anisotropy in different directions

表2 材料屬性參數(shù)Table 2 Parameters of the material

2.3 定義載荷邊界條件

在邊界條件中,創(chuàng)建位移/旋轉(zhuǎn)邊界,選擇要定義約束的點(diǎn)。對凹模和壓邊圈約束所有方向的運(yùn)動,使其在沖杯和制罐過程中固定不動。對凸模要約束沿X軸和Z軸方向的移動和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動,使凸模只能沿Y軸方向移動。對模型施加邊界條件約束后,板料的變形過程就能同模具使用情況保持一致,保證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。表3為模型邊界條件。

表3 模型邊界條件Table 3 Boundary condition of the model mm

2.4 定義相互作用

在定義相互作用之前,需要先定義相應(yīng)的接觸屬性。使用面面接觸的庫侖摩擦定律定義板料與壓邊圈、凸模和凹模之間接觸關(guān)系。在沖杯過程中,設(shè)置模具與板料內(nèi)外表面之間的摩擦因數(shù)為0.15,而在制罐過程中設(shè)置摩擦因數(shù)為0.17。

2.5 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分的情況會影響計算結(jié)果的精度和計算的時間。在實(shí)際制罐過程中,板料需要經(jīng)過兩道次沖壓,變形過程復(fù)雜,需要對變形區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化,只有罐底中心區(qū)域沒有變形,于是通過線面體分割工具,將圓形板料表面分割,并指派分割后區(qū)域的單元類型和網(wǎng)格屬性,圖2為板料劃分好的網(wǎng)格。

圖2 板料劃分網(wǎng)格Fig.2 Mesh of the blank

3 計算結(jié)果及分析

首先對建立好的沖杯有限元模型進(jìn)行計算。隨后,將變形后的杯形件結(jié)果文件導(dǎo)入到制罐有限元模型中并進(jìn)行運(yùn)算,計算結(jié)果即為經(jīng)過兩道次沖壓變形后的實(shí)際罐型。進(jìn)入后處理模塊,查看計算結(jié)果,在結(jié)果中設(shè)置輸出為應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖、位移云圖等,比較不同平面各向異性系數(shù)對深沖兩片罐制耳結(jié)果的影響。

3.1 沖杯后高度計算結(jié)果

從圖3可以看出,由于材料的各向異性,不同材料屬性在沖杯后所形成淺杯的高度分布沿圓周方向并不相同。當(dāng)Δr的絕對值越大,杯形件高度落差越大,制耳現(xiàn)象越明顯。

圖3 Δr不同時淺杯高度分布情況Fig.3 Cup height distribution with different Δr

3.2 沖杯后厚度計算結(jié)果

Δr不同時,沖杯后所形成淺杯的厚度分布如圖4所示。由于材料的各向異性,厚度是沿著杯形件高度方向逐漸變化,所以在同一高度上,淺杯的厚度分布沿圓周方向也不完全相同。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)淺杯的厚度分布變化趨勢,淺杯厚度分布情況當(dāng)Δr=0時較Δr=0.8、Δr=-0.5時均勻一些,和圖3淺杯高度分布情況相一致。

圖4 Δr不同時淺杯厚度分布情況Fig.4 Thickness distribution of cup with diffent Δr

3.3 制罐后凸緣計算結(jié)果

由于材料的各向異性,制罐時材料是沿著拉伸方向逐漸變化,所以在制罐后沿周向留下不完全相同的凸緣,即制耳現(xiàn)象。制罐后形成的凸緣如圖5所示,從中可以看出,當(dāng)Δr=0時,基本沒有制耳;當(dāng)Δr>0時,在0°和90°方向出現(xiàn)制耳;當(dāng)Δr<0時,在45°方向出現(xiàn)制耳。當(dāng)Δr的絕對值越大,制罐后留下的凸緣越大,制耳現(xiàn)象越明顯,和圖3沖杯高度分布情況相符合。

4 結(jié)論

(1) 平面各向異性指數(shù)Δr越大,制耳現(xiàn)象越嚴(yán)重,導(dǎo)致制罐后所留邊緣越不均勻,后道修邊時余量會不足。由于Δr值大會影響后道修邊工序,需增加板料面積,使材料消耗增大,同時因?yàn)榘辶显谥乒蕹尚芜^程中同一高度厚度分布不均勻,可能會導(dǎo)致斷罐和開裂等缺陷出現(xiàn),所以在產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)盡量設(shè)法降低Δr。

圖5 Δr不同時制罐后凸緣分布情況Fig.5 Earing distribution of deep drawing cans with different Δr

(2) 通過計算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)可以評估產(chǎn)品制罐、蓋的可行性,為包裝材料產(chǎn)品開發(fā)及改進(jìn)提供依據(jù)和支撐。并且可以先期介入用戶,參與模具設(shè)計調(diào)試,打開不同方面用戶的市場。

(3) 利用有限元分析模擬仿真包裝材料產(chǎn)品制罐成形過程,使復(fù)雜抽象的薄板沖壓過程更加直觀,從過去的依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計變成基于參數(shù)分析,減少了實(shí)際的模具修模調(diào)試時間,大大提高了效率,進(jìn)一步縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。