1 引 言板料拉深时 ,若局部变薄达到破裂极限就会出现拉裂 ,当复杂曲面拉深件具有局部尖角等变形危险区域时 ,必须考虑改善板料的流动状况。减少危险区域的变薄程度 ,一方面可从工艺设计角度出发 ,如加拉深筋和改变凹模圆角大小 ;另一方面可从改变毛坯形状和尺寸设计角度出发 ,预先切去多余板料 ,减少其对变形材料流动的阻力。对某些特殊零件 ,后者的效果往往更明显。本文采用目前国际上比较流行的板料成形数值模拟软件Ｄｙｎａｆｏｒｍ对非轴对称车灯灯圈的成形过程进行了数值模拟 ,研究了不同形状、尺寸的毛坯在成形时材料的流动规律。2 有限元分析模型的建立图 1为模拟计算的灯圈零件图及拉深件剖面图 ,材料厚度为 0 7ｍｍ。本文利用ＵＧ软件完成模具的三维几何造型及网格划分 ,将数据以Ｎａｓｔｒａｎ格式传送到Ｄｙｎａｆｏｒｍ中。为节省计算时间 ,采用了 1/ 2模型 ,如图 2所示 ,划分单元数为 7191,节点数为 74 2 5。图 1 灯圈零件图及拉深件剖面图ａ)零件图 ; ｂ)拉深件图Ｆｉｇ 1 Ｔｈｅｄｒａｗｉｎｇｓｏｆｐａｒｔ图 2 模具系统网格模型Ｆｉｇ 2 Ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｍｏｄｅｌｏｆｄｉｅｓｙｓｔｅｍ3 成形过程模拟分析该零件的工艺流程为 :下料—拉深、反拉深复合工序—切边—冲底孔—翻边。Ａ、Ｂ两处为拉深成形的危险区域 ,其所需材料来源 ,一是毛坯外缘材料绕过凸模尖角 (ｒｐ=2ｍｍ)的流入 ;二是依靠凸模底部坯料变薄提供。毛坯直径 180ｍｍ。3 1 无预冲孔板坯采用无预冲孔板坯拉深时 ,板中心材料流向Ｂ、Ａ两区的阻力大 ,危险区变薄严重 ,当凹模圆角为图 3 无孔板坯拉深成形极限图Ｆｉｇ 3 Ｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｉａｇｒａｍｏｆｎｏｎ ｈｏｌｅｓｈｅｅｔｄｒａｗｉｎｇ5ｍｍ时拉深仍然失败 ;Ｂ区的变薄较Ａ区更为严重 ,破裂处在Ｂ区 (如图 3所示 )。模拟计算结果表明 ,无预冲孔板坯对应的成形件外缘尺寸最小 ,说明无预冲孔板坯成形时 ,板坯外缘向Ａ区提供的变形材料最多 ,凸模底部材料流动阻力比较大 ,变薄严重。3 2 预冲中心孔板坯零件具有96ｍｍ的中心孔 ,为减小毛坯中心多余材料对Ｂ区附近变形材料流动的牵制阻力 ,可在板坯上预冲中心孔。模拟计算表明 ,当孔径大于72ｍｍ时 ,拉深件中心孔的尺寸超差 ;当孔径小于2 0ｍｍ时 ,改善材料流动状况的效果不明显 ,甚至同无孔板坯一样拉裂。表 1列出了几种不同孔径板坯的计算结果 ,其中主应力最大值为板单元的中面数值。表 1 不同孔径板坯模拟计算结果 (单位 :ｍｍ ,ＭＰａ)孔径 Ａ区ｔｍｉｎ Ｂ区ｔｍｉｎ ｔｍａｘ 凸缘Ｄｘ 孔径Δｘ σ1ｍａｘ σ2ｍａｘ σ3ｍｉｎ无孔 0 5 99480 5 0 6 0 40 80 10 5 141 792 0 0 0 0 5 96 11437 12 - 5 0 2 2 62 0 0 6 0 5 2 70 5 5 12 6 0 80 199142 0 32 3 36 85 96 6 0 36 0 32 - 5 0 1 725 6 0 6 2 5 940 5 94840 7982 4142 96 0 8 2 485 6 5 6 836 8 91- 494 9372 0 6 17430 6 2 46 0 0 795 46 146 2 95 12 6 0 5 476 2 44 0 9 83- 479 42 注 :ｔｍｉｎ为最小壁厚 ;ｔｍａｘ为最大壁厚 ;Ｄｘ为拉深件凸缘直径 ;Δｘ为孔径超差。 孔径小 ,孔周围材料向Ｂ区流动困难 ,与无孔板坯成形类似。由表 1数据可知 ,孔径ｘ方向尺寸变化量小 ,表明孔周围参与变形流动的材料少 ,Ａ区的变形材料主要靠板坯外缘材料的流动和变薄提供。材料绕过凸模ｒ2圆角 ,变形程度大。孔径越小 ,Ａ、Ｂ两区的厚度越小 ,成形件壁厚最薄处出现在Ｂ区 ,成形件外缘尺寸较小。孔径增大 ,孔周围材料向Ｂ区流动的阻力减小 ,Ｂ区板料的变薄程度减轻。孔径ｘ方向尺寸变化量大 ,表明孔周围参与变形流动的材料多 ,同时向Ａ区流动的材料也增多 ,使板料外缘流向Ａ区的材料相应减少 ,成形件外缘尺寸较大。当孔径超过6 6ｍｍ时 ,成形件壁厚最薄处出现在Ａ区。Ａ、Ｂ两区的最小壁厚与孔径的关系如图 4所示。无孔板坯成形时 ,成形件壁厚最大变薄率为 2 7 7%。孔径为72ｍｍ时 ,成形件壁厚最大变薄率为 11 8% ,下降了 1/ 2以上。图 4 最小壁厚随孔径变化曲线Ｆｉｇ 4 Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃａｒｖｅｏｆｍｉｎｉｍｕｍｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｗｉｔｈｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ随孔径的增大 ,拉深后孔径扩大量和板坯外缘尺寸都变大 (如图 5所示 )。说明凸模底部坯料的流动在成形中占主要地位 ,由板坯外缘流入的材料减少。故当预冲孔直径比较大时 ,可相应减小板坯直径以节省材料。图 5 板坯孔径与拉深件凸缘尺寸及中心孔尺寸的关系曲线ａ)凸缘外径与孔径的关系曲线 ;ｂ)孔径扩大量随孔径变化的曲线Ｆｉｇ 5 Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｂｌａｎｋｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｔｈｅｆｌａｎｇｅｏｆｔ ｈｅｄｒａｗｎｐａｒｔｓａｎｄｔｈｅｃｅｎｔｅｒｈｏｌｅｓｉｚｅ板坯预冲孔大小对成形件应力分布也有一定影响。随孔径增大,成形件的平均应力下降 ,应力分布也趋于均匀。孔径小时 ,成形件最大屈服应力及第一主应力最大值σ1ｍａｘ (即径向应力σｒｍａｘ)和第二主应力最大值σ2ｍａｘ (切向应力σθｍａｘ)均位于Ｂ区 ,第三主应力 (厚向应力σｔ)的最小值 (绝对值最大 )σ3ｍａｘ位于Ａ端法兰边缘。当孔径大于6 6ｍｍ时 ,成形件最大屈服应力位于Ａ区 ,而Ａ、Ｂ两区及侧壁一些区域的σ1和σ2 值都接近其最大值σ1ｍａｘ和σ2ｍａｘ,σ3ｍｉｎ仍发生在Ａ端附近法兰边缘。随孔径增大 ,σ1ｍａｘ基本呈下降趋势 ,σ2ｍａｘ呈波动变化 ,σ3ｍｉｎ则略有变化 ,如图 6所示。图 6 主应力与孔径变化关系曲线Ｆｉｇ 6 Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｍａｉｎｓｔｒｅｓｓａｎｄｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ综合比较计算结果 ,在板坯上预冲70ｍｍ孔成形效果最佳4 结 论采用有限元法通过数值计算可以很好地模拟拉深局部成形的材料流动规律 ,定量分析成形件壁厚变化及应力分布 ,由此可改进工艺设计 ,确定合理的毛坯形状和尺寸 ,使材料成形时按需要的方向流动 ,从而获得最大的变形程度。从本文的数值模拟计算可得出如下结论 :1)改变板坯形状可大大改善材料流动状况 ,板坯预冲孔直径增大 ,成形件外缘尺寸大 ,成形主要靠凸模底部坯料流动实现。无孔板坯不能拉深成功 ,而预冲孔孔径为70ｍｍ时 ,成形效果最佳。2 )成形件最大壁厚变薄率随板坯预冲孔孔径的增大而降低 ,孔径超过6 6ｍｍ时 ,成形件壁厚最薄处由Ｂ区变为Ａ区。3)板坯预冲孔直径增大 ,成形件的平均应力略有下降 ,应力、应变分布趋于均匀非轴对称车灯灯圈成形数值模拟研究@谭晶$山东大学模具工程技术研究中心!济南250061
@赵振铎$山东大学模具工程技术研究中心!济南250061
@孙胜$山东大学模具工程技术研究中心!济南250061冲压;;板料成形;;数值模拟;;拉 深;;有限元复杂曲面拉深件成形需要严格控制各部分材料的流动方向及速度。本文采用Dynaform软件对非轴对称车灯灯圈的成形过程进行了数值模拟,研究了不同形状、尺寸的毛坯在成形时材料的流动规律< 1>赵振铎 ,毕玉喜 非轴对称拖拉机前照灯灯圈拉伸工艺探讨 锻压机械 ,1990 ,5 :4849
<2 >LS DYNA3DUSER’SMANUAL ,LivermoreSoftwareTechnologyCorporation ,August1,1995
<3>王孝培 冲压设计资料 机械工业出版社 ,1986?ｍａｘ (切向应力σθｍａｘ)均位于Ｂ区 ,第三主应力 (厚向应力σｔ)的最小值 (绝对值最大 )σ3ｍａｘ位于Ａ端法兰边缘。当孔径大于6 6ｍｍ时 ,成形件最大屈服应力位于Ａ区 ,而Ａ、Ｂ两区及侧壁一些区域的σ1和σ2 值都接近其最大值σ1ｍａｘ和σ2ｍａｘ,σ3ｍｉｎ仍发生在Ａ端附近法兰边缘。随孔径增大 ,σ1ｍａｘ基本呈下降趋势 ,σ2ｍａｘ呈波动变化 ,σ3ｍｉｎ则略有变化 ,如图 6所示。图 6 主应力与孔径变化关系曲线Ｆｉｇ 6 Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｍａｉｎｓｔｒｅｓｓａｎｄｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ综合比较计算结果 ,在板坯上预冲70ｍｍ孔成形效果最佳4 结 论采用有限元法通过数值计算可以很好地模拟拉深局部成形的材料流动规律 ,定量分析成形件壁厚变化及应力分布 ,由此可改进工艺设计 ,确定合理的毛坯形状和尺寸 ,使材料成形时按需要的方向流动 ,从而获得最大的变形程度。从本文的数值模拟计算可得出如下结论 :1)改变板坯形状可大大改善材料流动状况 ,板坯预冲孔直径增大 ,成形件外缘尺寸大 ,成形主要靠凸模底部坯料流动实现。无孔板坯不能拉深成功 ,而预冲孔孔径为70ｍｍ时 ,成形效果最佳。2 )成形件最大壁厚变薄率随板坯预冲孔孔径的增大而降低 ,孔径超过6 6ｍｍ时 ,成形件壁厚最薄处由Ｂ区变为Ａ区。3)板坯预冲孔直径增大 ,成形件的平均应力略有下降 ,应力、应变分布趋于均匀非轴对称车灯灯圈成形数值模拟研究@谭晶$山东大学模具工程技术研究中心!济南250061
@赵振铎$山东大学模具工程技术研究中心!济南250061
@孙胜$
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