韓鵬彪,秦志國,劉 波,魯素玲

(河北科技大學材料科學與工程學院,河北石家莊 050018)

半圓形拉深筋的Dynafo rm研究

韓鵬彪,秦志國,劉 波,魯素玲

(河北科技大學材料科學與工程學院,河北石家莊 050018)

設計了一種幾何模型,基于該模型用Dynaform對不同材料、不同板料厚度、不同拉深筋形狀和尺寸與拉深筋的阻力之間的關系分別進行了研究,得出不同材料和不同板料厚度對拉深筋的阻力與材料的初始屈服應力之比影響不大,拉深筋形狀和尺寸與拉深筋的阻力與材料的初始屈服應力之比有關等規(guī)律,并給出了其關系曲線。

拉深筋;Dynafo rm;數值模擬;流動阻力

拉深筋的設計是控制金屬流動的一種重要手段,雖然拉深筋不是模具的主要結構,但它在某些特殊情況下卻決定了拉深工藝的成敗。因此,對拉深筋深入全面地進行研究具有重要的實際意義。但是,因為在實際生產過程中,拉深筋的使用情況非常復雜,很難用標準的模型把它全面描述出來,因此現在還沒有關于拉深筋的全國統(tǒng)一標準。沖壓設計資料[1]只對拉深筋作了一個簡單的說明,一般的模具公司都是根據自己的經驗來設計和調試拉深筋。筆者在生產中曾經遇到使用上百個拉深件來調試拉深筋的情況,當拉深件的尺寸較大時,材料的消耗及工時費會造成調試拉深筋的成本過高。

FEM模擬技術在沖壓成形中得到了廣泛的應用,為拉深筋的分析研究提供了一個有力的手段。國際上一些大的汽車公司,如 Ford[2],利用FEM技術曾對拉深筋應用進行了較為深入的研究。然而,中國國內的一些沖壓成形企業(yè),特別是中小企業(yè),他們使用FEM的時間比較短,還沒有對此問題進行深入的研究。鑒于此,筆者根據多年使用Dynafo rm的經歷,對拉深筋進行如下的分析研究。

1 Dynaform中拉深筋的分析方法及討論

Dynaform中拉深筋的應用方法有3種:1)直接定義拉深筋上的金屬流動阻力;2)根據3種Dynaform拉深筋的剖面形狀和尺寸——矩形、半圓形、邊緣形,由Dynaform自動計算金屬流動阻力;3)在模具表面上直接設計出拉深筋,進行模擬分析。

對于第1種方法,在Dynaform中調試拉深筋時,不需要重新劃分單元和設定模擬,只需改變拉深筋上的金屬流動阻力。因此該方法在模擬中使用起來最省力和省時,但關鍵是如何將拉深筋上的金屬流動阻力與拉深筋形狀對應起來。

對于第2種方法,其使用情況與第1種方法相似。在模擬中,只需改變拉深筋的剖面尺寸,從而改變拉深筋上的金屬流動阻力,不需要重新設定模擬。該方法的問題是Dynaform中拉深筋的剖面形狀有限,往往與實際設計不同。此外,該方法的準確性還未得到驗證。

第3種方法是在實際生產中經常使用的方法。該方法使用恰當,能獲得可接受的工程精度。該方法的問題是每次修改拉深筋后,必須重新劃分單元,并重新設定模擬,因此該方法費時最多。

綜上所述,如果能獲得拉深筋上的阻力與拉深筋的尺寸關系,就可以使用第1種方法,只調整拉深筋上的金屬流動阻力,用Dynafo rm模擬和調試拉深筋。

2 利用Dynaform進行拉深筋模擬分析

半圓形拉深筋是生產中最常用的一種拉深筋,其突出的優(yōu)點是結構尺寸小,節(jié)省材料,此外其加工與調試也較容易。因此筆者將選用半圓形拉深筋,用Dynaform對其進行分析研究。

為了驗證所用的Dynafo rm模型的力學分析有一定的精度,首先進行了一個單向拉深分析,參見圖1。所用材料為B1700P1-37,初始屈服應力σ0=192.4 MPa,厚度t=1 mm,板寬L=100 mm。由Dynafo rm模擬計算的拉深力-位移曲線可得其初始屈服應力約為210 M Pa,誤差為9%,曲線形狀與拉深試驗的曲線形狀也很符合。

就2種半圓形拉深筋(bead cavity)進行分析可知:第1種半圓形拉深筋的凸模與凹模都有圓角,見圖2,并且工作圓角的半徑(R)相等,都為n倍的板厚(R=nt);第2種半圓形拉深筋的凹模頂部和底部都有圓角,其工作圓角的半徑R=nt;凸模只有頂部圓角,底部為尖角,凸模寬度W=2R=2nt,頂部圓角半徑由高度H確定,見圖3。

在Dynaform模擬中,為了提高精度,采用較細化的單元,單元尺寸為1 mm。對于Dynaform計算中載荷-時間曲線的波動情況,取平均載荷。拉深筋部分工作面上的摩擦系數為0,毛坯夾持部分上的摩擦系數為0.5,板寬L=100 mm,這是平面變形的拉深筋,與多數拉深筋的實際使用情況接近。圖4為一個拉深筋的模擬模型和模擬結果。

表1和圖5為第1種半圓形拉深筋在高度H=R時,工作半徑與阻力的關系。可以看出:當工作圓角半徑≤2t時,金屬幾乎不能流動;而當工作圓角半徑過大時,拉深筋的尺寸過大,消耗金屬材料多。因此,筆者只對工作圓角半徑R=3t～6t進行了分析。

圖1 單向拉深力Fig.1 Uniaxial tensile force

表1 第1種拉深筋的半徑與阻力關系Tab.1 Type 1 draw bead radii and resistance forces

由圖5可知,隨著拉深筋工作圓角半徑增加,拉深筋的金屬流動阻力減小。當工作圓角半徑較大時,金屬流動阻力下降的速度逐漸減小。因此,用增加拉深筋尺寸和工作圓角半徑的方法來減小金屬流動阻力不是好方法。當R=4t～5t時,拉深筋有較小的尺寸和較大的金屬流動阻力,較適合生產應用。

由表1可見,Dynafo rm自動計算的金屬流動阻力與模擬計算的結果不相符,表中f為單位長度拉伸筋在板料厚度方向上所產生的平均流動阻力。

表2和圖6為R=4t=4 mm時第1種半圓形拉深筋高度與阻力的關系。由圖6可知,當拉深筋高度增加時,拉深筋阻力也增加。當拉深筋高度較小時,拉深筋阻力的增加速度比較大。

表2 第1種拉深筋高度與阻力關系Tab.2 Type 1 draw bead heights and resistance fo rces

表3和圖7是W=2R=8t=8 mm,R=4t=4 mm時,第2種半圓形拉深筋高度與阻力的關系?？梢钥闯霎斃罱钔鼓５膶挾纫欢〞r,拉深筋的阻力與高度接近直線關系。在實際生產中,拉深筋高度往往先做成較大的尺寸,使拉深筋的阻力較大,然后根據需要再調整拉深筋凸模的高度與其頂部的圓角半徑,從而降低拉深筋的阻力,拉深筋的凹模不變。這樣調試起來較容易。

表3 第2種拉深筋高度與阻力關系Tab.3 Type 2 draw bead heights and resistance forces

表4 不同材料與拉深筋阻力關系Tab.4 Different materials and draw bead resistance fo rces

表4是R=4t=4 mm,H=R時,不同材料與拉深筋阻力的關系。由表4可知,對于同一拉深筋,當材料變化時,拉深筋的阻力與材料的初始屈服應力之比值幾乎不變,為常數。

表5是R=4t=4 mm,H=R時,不同材料厚度與拉深筋阻力的關系。由表5可知,當材料厚度變化時,拉深筋阻力與材料的初始屈服應力之比值隨著材料厚度增加稍有增加,但增加量很小,在實際生產中可忽略不計。

3 結 語

1)不同材料和不同材料厚度對拉深筋阻力與材料的初始屈服應力之比值影響不大,在實際生產中可以忽略不計。

2)隨著拉深筋工作圓角半徑的增加,拉深筋的金屬流動阻力減小。在實際生產中,可根據表1和圖5選用第1種半圓形拉深筋的工作圓角半徑。

表5 不同材料厚度與拉深筋阻力關系Tab.5 Differentmaterials gauges and draw bead resistance forces

3)隨著拉深筋高度的減小,拉深筋的金屬流動阻力減小。在實際生產中,可根據表2和圖6選用第1種半圓形拉深筋的高度,由表3和圖7選用第2種半圓形拉深筋的高度。

[1]王孝培.沖壓設計資料[M].北京:機械工業(yè)出版社,1983.

[2]L IDa-yong,JIAO Shang-hai,WANG Yu-wei.Robust Op timizition of D raw bead Fo rces fo r the Bpillar Stamping[M].Congress:Severstal North America Inc,2009.

[3]韓鵬彪,李 軍,秦志國,等.筒形件拉深工藝的優(yōu)化設計[J].河北工業(yè)科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),1999,16(1):35-37.

[4]孫蘭英,翟封祥,張 耕.焊接板材毛坯沖壓成形中殘余應力的測試與分析[J].河北科技大學學報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2000,21(1):69-72.

Study on semi-circle draw beads by using Dynafo rm

HAN Peng-biao,Q IN Zhi-guo,L IU Bo,LU Su-ling
(College of Material Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China)

One CAD model was built in this study.The relationshipsof differentmaterials,differentmaterial gauges,different draw bead shapes and different draw bead sizes w ith the ratios of the draw bead resistance forces to the material initial yield stresses were studied respectively from the CAD model by using Dynaform.The study concluded that different materials and different material gauges slightly affected the ratios of the draw bead resistance forces to thematerial initial yield stresses.A lso,it derived that the draw bead shapes and the draw bead sizes are related w ith the ratios of the draw bead resistance fo rces to thematerial initial yield stresses,and the relationship curves were p resented.

draw beads;Dynaform;numerical simulation;flow resistance

TG386

A

1008-1542(2010)02-0147-04

2009-10-20;

2010-01-11;責任編輯:張士瑩

韓鵬彪(1968-),男,遼寧沈陽人,副教授,主要從事塑性成形數值模擬方面的研究。