彭成允，關(guān) 婧，曾 英，李 濤

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

在板料成形過程中，由于零件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，板料各部位易出現(xiàn)入模速度不均勻等現(xiàn)象，從而造成拉裂、起皺等質(zhì)量問題［1］。通過設(shè)置拉延筋，并控制拉延筋的高度，可以有效地進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而改善成形件品質(zhì)。利用Dynaform對(duì)拉延筋的模擬主要有2種方式:等效拉延筋及真實(shí)拉延筋。諸多學(xué)者已經(jīng)對(duì)等效拉延筋進(jìn)行了研究［2－4］。真實(shí)拉延筋主要有2點(diǎn)優(yōu)勢(shì)［5］:真實(shí)拉延筋作為整個(gè)模具的一部分，在模擬中參與網(wǎng)格劃分及計(jì)算，因此它可以較為精確地模擬拉延筋高度變化對(duì)拉延阻力的影響;真實(shí)拉延筋圓弧處的模擬效果及模具間隙的變化對(duì)成形結(jié)果的影響均可以較為突出的呈現(xiàn)。

拉延阻力主要可以通過Dynaform模擬及拉延阻力計(jì)算的方法獲得，前者可以直觀地反映板料流經(jīng)拉延筋時(shí)的變形情況，后者能夠較簡(jiǎn)單地通過修改拉延筋幾何參數(shù)得到相應(yīng)的拉延阻力［6］。

1 拉延阻力的計(jì)算模型

Weidemann［7］將板料流經(jīng)拉延筋時(shí)產(chǎn)生的阻力分為2部分:一部分是經(jīng)過凸筋接觸弧1，3，5圓弧處與在2，4，6圓弧處分別產(chǎn)生的彎曲－反彎曲的變形抗力;另一部分是在壓邊力的作用下，在接觸弧1～2，3～4，5～6段板料滑動(dòng)，由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦阻力，如圖1所示。因此建立的拉延阻力計(jì)算模型［7］為

式中:l為拉延筋長(zhǎng)度;μ為摩擦因數(shù);θ為板料彎曲角度;P為單位長(zhǎng)度的等效壓邊力;σs為屈服強(qiáng)度;t為初始板厚;Rg(圖中1～2段弧)為凹槽圓角半徑;Rb(圖中3～4段弧)為凸筋圓角半徑。

圖1 板料在拉延筋作用下的模型

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 建立模型

為了使模擬效果更加突出，本研究在UG中建立真實(shí)拉延筋造型，再將其導(dǎo)入Dynaform軟件中進(jìn)行模擬。圖2所示為真實(shí)拉延筋在UG中的造型。由于入?？谒闹馨辶显陂L(zhǎng)直邊的入模速度較之短直邊的快，因此在造型時(shí)僅在長(zhǎng)直邊設(shè)置拉延筋，從而進(jìn)一步增加其進(jìn)料阻力，使入模速度趨于均勻。該盒形件的三維尺寸為100 mm×50 mm×50 mm。

圖2 真實(shí)拉延筋在UG中的造型

2.2 數(shù)值模擬設(shè)置

2.2.1 板料優(yōu)化設(shè)計(jì)

在UG中造型后，將模型以iges格式導(dǎo)入Dynaform軟件，將真實(shí)拉延筋也參與曲面網(wǎng)格的劃分，利用毛坯求解器求解出所必須的板料，如圖3所示。由于在工程實(shí)驗(yàn)中八角形板料的入模速度更易趨于均勻化，且此盒形件的的深度較深，為了保證成形后的剛度及精度［8］，在保證板料能夠成形所需盒形件深度的基礎(chǔ)上，將求解出的板料形狀添加工藝補(bǔ)充面，并將最終模擬的板料形狀設(shè)計(jì)為八角形，劃分網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 初始毛坯及劃分網(wǎng)格后毛坯

2.2.2 材料參數(shù)及性能

此盒形件采用的材料為冷軋鋼ST14。板料長(zhǎng)、寬、厚尺寸為190 mm、170 mm、1 mm。材料主要的物理性能:屈服應(yīng)力1.603×102MPa;彈性模量2.07×105MPa;強(qiáng)度系數(shù)5.371×102;泊松比0.28;各向異性指數(shù)1.634。

2.2.3 真實(shí)拉延筋高度控制

真實(shí)拉延筋高度的控制方法較之等效拉延筋存在顯著的不同。在Dynaform中，等效拉延筋被簡(jiǎn)化成為作用在節(jié)點(diǎn)上的力，而真實(shí)拉延筋是作為模型的一部分［5］。為了達(dá)到方便調(diào)節(jié)拉延筋高度的目的，將筋條看作是剛性模具，相當(dāng)于2個(gè)凸模，1個(gè)凹模的結(jié)構(gòu)。在設(shè)置運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，通過時(shí)間－位移的調(diào)節(jié)，首先令筋條先向下運(yùn)動(dòng)至所需拉延筋的高度，記錄下所需時(shí)間，再在此時(shí)間后令凸模下行，直到達(dá)到最佳拉深深度為止。此沖壓模擬的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 真實(shí)拉延筋模擬的結(jié)構(gòu)模型

3 拉延筋高度設(shè)置的結(jié)果分析對(duì)比

由于影響拉延阻力的幾何參數(shù)主要有凸筋圓角半徑、筋高、凹槽圓角半徑，因此本次實(shí)驗(yàn)使影響拉延阻力較小的凹槽圓角半徑及凸筋圓角半徑恒定，進(jìn)而對(duì)比不同筋高對(duì)拉延阻力的影響，并可以通過對(duì)比分析，得到最佳的模擬結(jié)果。

分別將拉延筋的高度設(shè)置為 0 、1、2、3、4、5，數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)束后，在后處理中可以得到FLD圖、厚度云圖、拉延深度等結(jié)果。圖5所示分別為拉延筋高度為0 mm(無(wú)拉延筋)、1 mm(筋高最小)、5 mm(筋高最大)時(shí)相應(yīng)的FLD圖及厚度變化云圖。

圖5 FLD圖及厚度變化云圖

從模擬結(jié)果可以看出:隨著拉延筋高度的增加，盒形件最大拉深深度不斷增加。當(dāng)拉延筋高度增大到一定值時(shí)，其最大拉深深度下降，從而出現(xiàn)極限拉深深度。模擬結(jié)果的對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

表1 模擬數(shù)據(jù)

對(duì)比不同拉延筋高度所得的模擬結(jié)果可知:厚度減薄率最大值為21.2%，即相對(duì)于1 mm的板料其厚度減少了0.212 mm，因此其最薄處的厚度為0.788 mm;厚度增厚率最大值為29.5%，即厚度增加了0.295 mm，板料成形后最厚處的厚度為1.295 mm;模擬后其厚度變化率均未超過30%，板料在成形后仍處于安全范圍內(nèi)［9］。成形后的最厚處部位均出現(xiàn)在盒形件的工藝補(bǔ)充面上，可將其通過修邊去除，不影響成形件的品質(zhì)。綜合得出:當(dāng)拉延筋高度H=2 mm時(shí)，效果最佳，其存在起皺、破裂趨勢(shì)的區(qū)域均占很少一部分，安全區(qū)域即綠色部分所占比例較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用真實(shí)拉延筋高度控制的方法，能夠更加方便、快速有效地調(diào)節(jié)拉延筋高度。通過對(duì)比分析得出:毛坯形狀的適當(dāng)選擇、拉延筋高度的控制對(duì)拉延阻力的影響至關(guān)重要，調(diào)節(jié)這些參數(shù)便可以使盒形件達(dá)到更好的品質(zhì)。與此同時(shí)，以數(shù)值模擬分析替代實(shí)際工程生產(chǎn)中的試模與修模，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。然而，真實(shí)拉延筋高度控制的方法雖然便于調(diào)節(jié)，但在提交計(jì)算過程中花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，為了使整體模型運(yùn)算速度提升，對(duì)真實(shí)拉延筋網(wǎng)格劃分的細(xì)節(jié)問題有待改進(jìn)。與此同時(shí)，既然2個(gè)凸模、1個(gè)凹模的模型結(jié)構(gòu)設(shè)置便于實(shí)現(xiàn)拉延筋高度的調(diào)節(jié)，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究如何實(shí)現(xiàn)在沖壓過程中變拉延筋高度的有效方法。此外，相比采用等效拉延筋模擬，在真實(shí)拉延筋模擬時(shí)，拉延阻力值的獲得較繁瑣，數(shù)據(jù)需要通過曲線讀取，從而造成了一定的偏差，如何在今后的設(shè)置中解決這個(gè)問題，有待研究。

［1］彭必友，胡騰.基于數(shù)值模擬的拉延筋約束阻力計(jì)算方法研究［J］.鍛壓技術(shù)，2009，34(6):70 －73.

［2］吳磊，韓旭，李光耀，等.一種基于反裘參數(shù)的拉延筋解析模型［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17(2):208 －211.

［3］李淑慧，林忠欽，包友霞，等.改進(jìn)的等效拉延筋阻力模型及其應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2002，13(7):558－561.

［4］郭玉琴，姜虹，王小椿.一種等效拉延筋模型的建立及實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(20):1843 －1847.

［5］陳濤，高暉.真實(shí)拉延筋參數(shù)化建模及其在薄板沖壓仿真中的應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17增刊:22－26.

［6］鄭剛，李光耀.一種拉延筋數(shù)值迭代分析模型［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35(9):39 －43.

［7］Weidemann C.Theblankholdingactionofdrawbeads［J］.SheetMetalIndustries，1978(9):984 －989.

［8］郭敏杰，曾珊琪.基于Dynaform的汽車覆蓋件成形中拉延筋的設(shè)置與數(shù)值模擬［J］.模具技術(shù)，2009(6):39－45.

［9］傅建，彭必友.板料成形過程數(shù)值模擬［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.