鋁板的成形極限數(shù)值模擬研究

王日亮,王世華

(1.威海福瑞機器人有限公司,山東 威海 264200; 2.山東威高血液凈化制品股份有限公司,山東 威海 264200)

在板材加工領(lǐng)域成形極限是關(guān)鍵的性能和工藝參數(shù),是衡量板材在發(fā)生失穩(wěn)之前能夠?qū)崿F(xiàn)的最大變形水平[1]。為了精確評估板材在拉深過程中的失穩(wěn)點,提出多角度的理論和試驗方法。其中,最有效且普遍應(yīng)用的是成形極限圖(forming limit diagram,FLD)[2-3],該圖采用主應(yīng)變和次應(yīng)變作為坐標(biāo)軸,能直觀展示板材在拉伸狀態(tài)下的極限應(yīng)變情況,不僅能形象地展示板材的起皺狀況,還可用于預(yù)判潛在的板材缺陷[4]。

數(shù)值模擬技術(shù)是在塑性成形動力學(xué)分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。特別是有限元分析可以獲取金屬塑性成形中各種重要變量,如應(yīng)力、應(yīng)變和溫度的分布。由于數(shù)值模擬能處理復(fù)雜的成形問題,已成為非線性問題分析的重要工具,并廣泛應(yīng)用于板材成形極限的模擬[5]。這些模擬可解決板材沖壓和模具設(shè)計中的多種問題,例如預(yù)測起皺和破裂風(fēng)險,確定壓邊力和成形力,以及估算材料尺寸和進行回彈分析等。起皺是一個常見的失效現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬,能準確預(yù)測在特定條件下可能發(fā)生的起皺,并可以通過調(diào)整模具設(shè)計或工藝參數(shù)來消除這種缺陷。破裂則是另一種常見的失效模式,無論是微小的裂紋或顯著的拉伸裂痕,都會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。數(shù)值模擬能直觀地揭示板材在沖壓過程中的物料流動,從而準確評估應(yīng)變分布和板厚變化,為評價是否會出現(xiàn)拉裂提供依據(jù)。

本試驗主要通過數(shù)值模擬與成形試驗相結(jié)合的方式,探討鋼模脹形時3003鋁合金板材和1060鋁合金板材的成形極限,以及板厚對成形極限的影響。

1 試驗條件及方法

按照GB/T15825.8-2008《金屬薄板成形性能與試驗方法 第8部分:成形極限圖(FLD)試驗》中的要求進行操作,在BCS-30D型通用板材成形試驗機上進行,試樣規(guī)格長度為180 mm,寬度分別為20 mm,40 mm,60 mm,80 mm,100 mm,120 mm,140 mm,160 mm,180 mm,試驗速度V=10 mm/min。試驗?zāi)＞咧饕捎脠A柱形球頭凸模,直徑為100 mm,凹模直徑為103 mm。潤滑劑為聚乙烯薄膜、橡膠薄墊。采用JX6-830039型大型工具顯微鏡測量臨界網(wǎng)格的長短軸尺寸。

剛性脹形試驗時,將一側(cè)表面制有網(wǎng)格的試樣置于凹模與壓邊圈之間,利用壓邊力壓緊拉深筋以外的試樣材料,試樣中部在凸模力作用下產(chǎn)生脹形變形并形成凸包,其表面上的網(wǎng)格發(fā)生畸變,當(dāng)凸包上某個局部發(fā)生縮頸或破裂時,停止試驗,測量縮頸區(qū)(或縮頸區(qū)附近)或破裂區(qū)附近的網(wǎng)格長軸和短軸尺寸,由此計算金屬薄板允許的局部表面極限主應(yīng)變量,然后依據(jù)標(biāo)準繪制成形極限圖。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)測得FLD如圖1所示。

圖1 成形極限圖試驗對比結(jié)果Fig.1 Comparison results of forming limit diagram test

由圖1a可以看出,1.5 mm厚3003鋁合金板材的成形極限曲線在同厚度1060鋁合金板材的上方;而在曲線的右半部和左半部,即雙拉區(qū)域和拉壓區(qū)域,仍然是3003鋁合金板材的極限應(yīng)變值最高。證明3003鋁合金板材的成形性能比1060鋁合金板材好。由圖1b可見,1.5 mm厚1060鋁合金板材的成形極限曲線在1 mm厚的1060鋁合金板材的成形極限曲線的上方,同樣證明其性能更好。

2 有限元模型

2.1 板料

利用建模軟件NX,創(chuàng)建凸模、凹模、壓邊圈、拉延筋以及板料的三維模型。坯料選用1 mm和1.5 mm厚的矩形薄板。坯料以及模具尺寸與試驗所用規(guī)格一致。將模型導(dǎo)入DYNAFORM,結(jié)果如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.2 網(wǎng)格劃分

將模型劃分網(wǎng)格,選用四面體網(wǎng)格方式,網(wǎng)格單元大小選擇3。網(wǎng)格越密集,模擬精度越高,但也增加了計算時間。劃分完成后,檢查網(wǎng)格質(zhì)量,對一些破裂變形的部分進行修正。

2.3 參數(shù)選擇

本文作者主要研究3003鋁合金和1060鋁合金兩種材料的成形極限以及厚度對成形極限的影響,因此除了兩種材料類型的切換和板厚的選擇,其余參數(shù)不變。運動速度若取真實值,則計算時間過長,綜合考慮后選擇50 mm/min[6],行程為50 mm。摩擦因數(shù)取0.17,壓邊力取25 kN～30 kN,視板材的尺寸而定。因為小于100 mm寬的板材30 kN壓邊力太大,會使其壓邊處破裂,影響實驗結(jié)果,對小于100 mm寬的板材壓邊力取25 kN,大于100 mm寬的取30 kN。

3 計算結(jié)果分析

DYNAFORM后處理可以作出板料的成形極限圖,方便看出板料的破裂、起皺等變化區(qū)域,為理論分析提供依據(jù)。

3.1 1 mm厚 1060鋁合金板材的成形極限圖

圖3為1 mm厚1060鋁合金板材極限圖。從圖3可以看出,20 mm寬的板材在鋼球脹形拉伸位置發(fā)生了破裂。寬度在40 mm～100 mm的坯料成形不夠充分(灰色區(qū)域較多)，較大的板料在120 mm寬時球形兩側(cè)出現(xiàn)較大且明顯的褶皺(粉色和紫色),褶皺的產(chǎn)生與產(chǎn)品尺寸以及凹模形狀有一定的關(guān)系。當(dāng)尺寸達到160 mm寬時,在球形頂部產(chǎn)生破裂(紅色區(qū)域),并且隨著尺寸的增大,破裂也越嚴重。

圖3 1 mm厚1060鋁合金板材的成形極限圖Fig.3 Forming limit diagram of 1 mm-thick 1060 aluminum alloy sheet

3.2 1.5 mm厚1060鋁合金板材的成形極限圖

圖4為1.5 mm厚1060鋁合金板材的成形極限圖。從圖4可以看出,20 mm寬的試樣在脹形拉伸部分發(fā)生破裂,寬度在40 mm～100 mm范圍的試樣在鋼球脹形位置的兩側(cè)部分都有些許成形不完全。120 mm寬的試樣在球形兩側(cè)區(qū)域有明顯的褶皺,褶皺的產(chǎn)生原因和1 mm厚的一樣。140 mm寬的試樣在球形兩側(cè)有輕微的褶皺。160 mm寬的試樣在脹形位置開始有破裂傾向(黃色區(qū)域)。當(dāng)寬度為180 mm時,脹形部位破裂的風(fēng)險區(qū)域增大且開始出現(xiàn)少許的破裂。

圖4 1.5 mm厚1060鋁合金板材的成型極限圖Fig.4 Forming limit diagram of 1.5 mm-thick 1060 aluminum alloy sheet

通過對比1 mm和1.5 mm厚1060鋁合金板材的成形極限圖可以看出,1.5 mm厚1060鋁合金板材的成形效果整體上看要優(yōu)于1 mm厚1060鋁合金板材的。從模擬結(jié)果上看,1.5 mm厚1060鋁合金板材的成形極限曲線在相同位置的應(yīng)變值均要高于1 mm厚1060鋁合金板材(圖6),即厚度越大,其成形性能越好。由此得出1.5 mm厚1060鋁合金板材的成形極限要高于1 mm厚1060鋁合金板材。

3.3 1.5 mm厚3003鋁合金板材的成形極限圖

圖5為1.5 mm厚3003鋁合金板材的成形極限圖。從圖5可以看出,寬度較小的20 mm寬的坯料在脹形拉伸位置發(fā)生破裂(紅色區(qū)域)。寬度在40 mm～180 mm范圍內(nèi)的板材都獲得了較好的成型效果,脹形位置大部分都處于安全區(qū)域(綠色和藍色區(qū)域)。其中80 mm～120 mm寬的試樣在球形兩側(cè)部分有輕微的成形不完全以及褶皺,這是由于試樣的尺寸以及凹模尺寸引起的。

圖5 1.5 mm厚3003鋁合金板材的成形極限圖Fig.5 Forming limit diagram of 1.5 mm-thick 3003 aluminum alloy sheet

通過1.5 mm厚1060鋁合金板材和3003鋁合金板材的成形極限圖對比可以看出,3003鋁合金板材的成形效果整體要優(yōu)于1060鋁合金板材,破裂和褶皺的區(qū)域都要少于1060鋁合金板材。從成形極限曲線上看,3003鋁合金板材的成形極限曲線在相同位置的應(yīng)變值均要高于同厚度的1060鋁合金板材(圖6),所以得出3003鋁合金板材的成形極限要高于同厚度的1060鋁合金板材。

圖6 模擬的成形極限曲線對比Fig.6 Comparative analysis of forming limit curves

根據(jù)以上的模擬數(shù)據(jù)相對比分析可以得出如下結(jié)論:同種鋁板材料隨著厚度的增加,板材的成形極限得到改善。對3003鋁合金板材和1060鋁合金板材進行對比模擬分析結(jié)果顯示,同厚度的3003鋁合金板材的成形極限大于1060鋁合金板材。

盡管具體模擬的數(shù)值與試驗結(jié)果不完全符合,但是在誤差允許的范圍(10%～20%)之內(nèi)。這些誤差主要是由試驗所用的材料缺陷、板料的成形性能參數(shù)和模具參數(shù)的誤差以及軟件系統(tǒng)如虛擬速度的誤差等引起的。

4 結(jié) 論

1)同種鋁板的成形極限跟材料的厚度有一定的關(guān)系,材料的厚度越大,成形極限越高。

2)3003鋁合金板的成形性能比1060鋁合金板的成形性能要好。原因是兩種材料的成分不同,3003鋁合金的抗拉強度和屈服強度都比1060鋁合金要高。