1引言图1所示为某轿车左后悬挂架零件图,零件A-A截面形状成V字形。拉伸成形过程主要具有 以下特点:①沿着毛坯周边的拉伸变形程度不同,导致拉伸毛坯侧壁变形不均匀;②拉伸变形小的 部位容易产生变形不充分,截面曲率变化较大的部位容易发生起皱;③拉伸深度大,容易超出材料 的成形极限引起破裂。因此,保证毛坯周边变形均匀并提高其成形极限是左后悬挂架拉伸成形的关 键问题。现采用数值模拟和应变路径相结合的方法解决左后悬挂架拉伸过程中出现的问题,对实际 生产具有一定的指导意义。图1左后悬挂架零件2数值模拟及其结果分析首先根据各个模拟方案的 拉伸件几何模型建立其有限元模型,如图2所示,利用DYNAFORM进行计算,板料单元采用 BT壳单元,摩擦处理采用反正切函数修正的库仑摩擦模型,拉伸筋采用真实拉伸筋模型。第一次拉伸时的压边力2.5×106N;第二次拉伸时的压边力3×106N;虚拟冲压速度:3000 mm/s。左后悬挂架所用材料为ST14O5钢板,厚度1.8 mm,材料有关性能参数见表1。(a)第一次拉伸有限元模型(b)第二次拉伸有限元模型图2有 限元模型表1材料性能参数2.1一次拉伸成形模拟首先进行一次拉伸成形模拟,模具截面轮廓如 图3所示,相应参数见表2。由于左后悬挂架底部圆角半径比较小、拉伸深度比较大,在底部产生 明显的破裂。以一次拉伸成形时的破裂危险点作为测量点,通过成形极限图测得该点应变路径先是 单向拉伸,后转变成双向拉伸。图4所示为一次拉伸时的破裂位置、成形极限图和破裂危险点的应 变路径。可见,左后悬挂架一次拉伸不能满足其成形要求,需采用二次拉伸成形。图3模具截面轮 廓2.2二次拉伸成形模拟左后悬挂架二次拉伸成形工艺主要是考虑第一次浅拉伸的变形形式和变 形程度对第二次拉伸成形的影响,因此,主要针对第一次浅拉伸成形制定了以下4个模拟方案,模 拟参数见表2。由于左后悬挂架主要结构面上有急剧的凸、凹折曲和较深的鼓包等局部形状,在设 计凸、凹模型面时,相比较于一次拉伸时的截面轮廓参数,方案1、2、3、4通过依次减小侧壁 圆角半径R和拉伸深度H,并增大底部圆角半径r以及拉伸筋的合理设置来优化板料流入凹模的趋 势,最终得到成形质量好的零件。图5所示为4个模拟方案所对应的左后悬挂架二次拉伸成形过程 破裂危险点的应变路径变化图,所选取的破裂危险点与一次拉伸时所选取的应变路径测量点相同。 图4一次拉伸成形极限由图5可知,通过调整第一次拉伸过程的凹模型面参数可以实现板料成形过 程中破裂危险点应变路径的优化。方案1、2中破裂危险点的应变状态第一次是双向拉伸,第二次 是平面应变,两方案测量点的变形总体趋势一致;方案3中该点应变状态先是双向等拉,后转变成单向拉伸;方案4该点应变状态都是单向拉伸,此时主应变变化较大,而次应变变化表2模拟方案比较mm方案比较Rr H h一次拉伸122 15 184 44方案1 98 43 171 21方案2 90 48 165 21方案3 90 52 157 21方案4 86 56 147 21弹性模量/GPa泊松比屈服点/MPa抗拉强度/MPa应变强化系数/MPa硬化指数206 0.26 170 300 570 0.18较小,使材料的减薄量增大,最终导致坯料的破裂。从以上分析可知,对于左后悬挂架,不 同的变形条件,使得板料破裂危险点变形路径发生变化,尽管总的变形量是一定的,但是通过变形 路径的优化,利用不同路径下的成形极限的不同,可以充分发挥材料的成形性能,实现较好的成形 质量。从左后悬挂架的各模拟方案危险点的应变路径变化曲线可以看出,由于第一次的拉伸深度及 过渡圆角的变化,板料毛坯在第一次拉伸过程的变形形式和变形量各不相同;同时由于第一次拉伸 变形量与板料的极限变形量相差较大,因此在第一次拉伸成形后板料的安全裕度相差不大,在第二 次拉伸成形中,各个方案的安全裕度变化比较明显且差别较大,其中方案3所示的安全裕度较高, 成形质量最好,而方案1、2、4安全裕度呈下降趋势。图5破裂危险点应变路径变化图3试验结 果与模拟结果对比在左后悬挂架实际冲压过程中,由于零件拉伸深度比较大,拉伸圆角比较小,第 一次拉伸在零件球头部位多次出现破裂现象,调整模具型面参数使零件不破裂时,进入第二次拉伸 ,在球头部位又容易出现局部的起皱,后来通过采用降低第一次拉伸模球头部位的拉伸高度,改变 零件该部位的形状,降低局部拉伸筋的高度等工艺措施,最终加工出合格的零件,如图6所示。图 6二次拉伸成形零件厚向应变是实际生产中冲压合理性的主要判据之一。为了便于与实际结果比较 ,模拟结果的选取采用了与试验数据处理相类似的方法。在左后悬挂架有限元模型上,选择与试验 件相对应的位置测量零件的厚度变化情况,如图7所示,沿着A-A线来测量厚度,定位基准点与 试验数据的定位基准点相对应。图7厚度测量位置图图8所示为实测值和模拟值的比较结果,其中 ,试验数据1和试验数据2分别对应于模拟方案2和图8试验与模拟的比较模拟方案3。从中可以 看出,仿真计算结果和试验结果吻合得很好,不仅沿着测量线上二者的变化规律完全一致,而且大 部分区域吻合度达到85%左右。这充分说明以上所建立的理论和方法合理可靠,仿真过程中的几 何建模、有限元网格建模精确,边界条件、工艺条件和材料参数等确定合理,符合实际情况。左后 悬挂架冲压成形数值模拟反映了其多次拉伸成形的特点,并实现了多次拉伸工艺优化目的。4结束 语(1)基于应变路径的板料拉伸成形数值模拟方法可大大减少复杂形状拉伸件的设计周期,减少 试模、修模次数,从而降低生产成本。(2)在多次拉伸过程中可以通过调节各次拉伸变形量的分 配来控制多次拉伸工艺失效危险点的应变路径,从而改善板料的成形性能以及实现左后悬挂架的多 次拉伸优化设计。(3)左后悬挂架多次拉伸工艺研究表明,利用不同应变路径下成形极限的变化 ,可以充分发挥材料的成形性能,实现较好的成形质量,从而为复杂形状工件的成形工艺优化提供可靠保证。基于应变路径的左后悬挂架拉伸成形工艺优化设计@袁国定$江苏大学机械工程学院!江苏镇江212013
@武立波$江苏大学机械工程学院!江苏镇江212013
@姜银方$江苏大学机械工程学院!江苏镇江212013
@陈炜$江苏大学机械工程学院!江苏镇江212013针对某汽车左后悬挂架零件拉伸深度大、变 形不均匀的特点,利用数值模拟方法和试验比较,制定了多次拉伸成形工艺方案。试验表明:通过 数值模拟技术和应变路径相结合的方法可以缩短产品的设计周期,降低生产成本,实现了拉伸工艺 参数的优化,为复杂形状拉伸件的工艺制定和优化提供了可靠的保证。
拉伸成形;;
数值模拟;;应变路径;;
优化<1>MANTHEYD W,PEARCE R,MAND LEE D.The needfor surface strain measurement
.Metal Forming,1996(5):48_54.
<2>张晓静,周贤宾,李新军,等.汽车覆盖件多工步成形数值模拟技术研究.塑性工程学报,2001,8(1):25_30.
<3>KEELER S P,BACKOFEN W A.Plastic in stability andfracture in sheets stretched over rigid punches.TransASM.1965,56:25_48.
<4>杨玉英.大型薄板成型技术.北京:国防工业出版社,1996.定合理,符合实际情 况。左后悬挂架冲压成形数值模拟反映了其多次拉伸成形的特点,并实现了多次拉伸工艺优化目的 。4结束语(1)基于应变路径的板料拉伸成形数值模拟方法可大大减少复杂形状拉伸件的设计周 期,减少试模、修模次数,从而降低生产成本。(2)在多次拉伸过程中可以通过调节各次拉伸变 形量的分配来控制多次拉伸工艺失效危险点的应变路径,从而改善板料的成形性能以及实现左后悬 挂架的多次拉伸优化设计。(3)左后悬挂架多次拉伸工艺研究表明,利用不同应变路径下成形极 限的变化,可以充分发挥材料的成形性能,实现较好的成形质量,从而为复杂形状工件的成形工艺 优化提供可靠保证。基于应变路径的左后悬挂架拉伸成形工艺优化设计@袁国定$江苏大学机械工程学院!江苏镇江212013
@武立波$江苏大学机械工程学院!江苏镇江212013
@姜银方$江苏大学机械工程学院!江苏镇江212013
@陈炜$江苏大学机械工程学院!江苏镇江212013针对某汽车左后悬挂架零件拉伸深度大、变 形不均匀的特点,利用数值模拟方法和试验比较,制定了多次拉伸成形工艺方案。试验表明:通过 数值模拟技术和应变路径相结合的方法可以缩短产品的设计周期,降低生产成本,实现了拉伸工艺 参数的优化,为复杂形状拉伸件的工艺制定和优化提供了可靠的保证。拉伸成形;;数值模拟;;应变路径;;优化<1>MANTHEYD W,PEARCE R,MAND LEE D.The needfor surface strain measurement.Metal Forming,1996(5):48_54.
<2>张晓静,周贤宾,李新军,等.汽车覆盖件多工步成形数值模拟技术研究.塑性工程学报,2001,8(1):25_30.
<3>KEELER S P,BACKOFEN W A.Plastic in stability andfracture in sheets stretched over rigid punches.TransASM.1965,56:25_48.
<4>杨玉英.大型薄板成型技术.北京:国防工业出版社,1996.
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