秦泗吉 梁韶偉 張樹(shù)棟
燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島,066004
拉深成形工藝廣泛用于沖壓生產(chǎn),起皺和破裂是成形制件的兩種主要失效形式。前者屬于壓縮失穩(wěn),后者屬于拉伸失穩(wěn)。一般來(lái)說(shuō),起皺失穩(wěn)問(wèn)題較破裂問(wèn)題復(fù)雜得多。
目前有限元分析技術(shù)已被廣泛用于板料成形過(guò)程的模擬,可以預(yù)測(cè)各種成形缺陷。而建立失穩(wěn)判定條件以及判定失穩(wěn)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,則需要進(jìn)行理論分析,并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
塑性加工問(wèn)題很復(fù)雜,一般很難采用純理論的方法進(jìn)行解析求解。以軸對(duì)稱拉深成形為例,在法蘭區(qū)建立起皺失穩(wěn)條件,必須先給出應(yīng)力、應(yīng)變以及變形能的解析表達(dá)式,其中對(duì)法蘭區(qū)應(yīng)力的解析分析更是解決起皺失穩(wěn)問(wèn)題的關(guān)鍵,即便是在平面應(yīng)力假設(shè)條件下,也很難直接給出應(yīng)力的解析表達(dá)式,且無(wú)法得到應(yīng)變的表達(dá)式。因此,目前常用的處理方法是:根據(jù)法蘭變形區(qū)等效應(yīng)變從法蘭外緣到內(nèi)緣是逐漸增大的這一規(guī)律,假設(shè)等效應(yīng)變與瞬時(shí)徑向坐標(biāo)成簡(jiǎn)單的反比例關(guān)系[1-3],求出應(yīng)力的解析式,然后再計(jì)算變形能,進(jìn)而求出起皺失穩(wěn)臨界壓邊力。
顯然,在法蘭區(qū)等效應(yīng)變與位置關(guān)系成反比的假設(shè)條件與體積不變條件不一致,計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際相差較大。
本文以軸對(duì)稱拉深成形為例,采用能量守恒原理,對(duì)法蘭區(qū)起皺問(wèn)題進(jìn)行了分析。首先采用平面應(yīng)變假設(shè)條件,對(duì)法蘭區(qū)的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析,根據(jù)應(yīng)力分布特點(diǎn),以數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化。然后根據(jù)徑向應(yīng)力的簡(jiǎn)化公式以及變形能隨拉深位置的變化規(guī)律,采用分部積分法,得到了起皺失穩(wěn)變形能的表達(dá)式,并給出了臨界壓邊力的計(jì)算式。
板坯起皺失穩(wěn)分析通常采用分叉理論[4-5]和能量守恒原理[6-7]。由于能量守恒原理更簡(jiǎn)明且更具普遍性,故得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)能量守恒原理,在起皺失穩(wěn)瞬間,設(shè)由板坯周向伸長(zhǎng)導(dǎo)致的周向應(yīng)力釋放的變形能為Uθ,板坯失穩(wěn)起皺時(shí)彎曲所需的變形能為Uw,由于皺紋隆起壓邊力做功為 UQ,則有如下關(guān)系[6]:
在起皺失穩(wěn)瞬間,周向應(yīng)力σθ釋放出的能量為[1]
式中,S'為失穩(wěn)起皺后單波的周長(zhǎng)變化量;σθ為在任意半徑ρ處的周向應(yīng)力;t為板厚;dρ為徑向坐標(biāo)位置增量;r0為凹模入口處的半徑;Rw為法蘭外緣半徑;l為單個(gè)皺紋的波長(zhǎng);ds、dx分別為單波微弧段的弧長(zhǎng)及其在x軸上的投影長(zhǎng)度;y=y(x)為撓度方程。
一般情況下,將法蘭變形區(qū)皺紋模型假設(shè)為
其中,ym為皺紋幅值;fρ(ρ)是與 ρ相關(guān)的函數(shù);fφ(φ)是與φ相關(guān)的函數(shù)(φ為單波中任意弧段所對(duì)的圓心角);fρ(ρ)和 fφ(φ)是相互獨(dú)立的量綱一函數(shù)。
由 x= ρφ,dx= ρdφ,得
通常?。?-3]
因而有
式中,φ0為單波所對(duì)的圓心角;r0為法蘭內(nèi)半徑,即不考慮凹模圓角時(shí)的凹模口半徑。
將式(4)代入式(2),得
另一方面,法蘭起皺后,波紋隆起為塑性彎曲。在起皺瞬間,假設(shè)波紋撓度不大,可認(rèn)為是在加載條件下發(fā)生的,并仍然滿足彈性彎曲時(shí)的小變形假設(shè),分析計(jì)算中用塑性切線模量D替代彈性模量,波紋撓度與坐標(biāo)ρ有關(guān),因此有
而
因而
上式代入式(6),且 dI=t3dρ/12,則有
設(shè)等效應(yīng)力σ與等效應(yīng)變?chǔ)欧蟽缰笖?shù)的材料模型假設(shè),則有
式中,B為板材的強(qiáng)度系數(shù);n為硬化指數(shù)。
將式(8)、式(3)代入式(7),得
式中,R0為板坯初始半徑。
式(5)、式(9)表明,起皺失穩(wěn)變形能的計(jì)算需要首先已知應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。對(duì)軸對(duì)稱拉深成形問(wèn)題,在一定的假設(shè)條件下,可以求出應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。但應(yīng)力應(yīng)變難以直接給出解析表達(dá)式,這使得后續(xù)工作無(wú)法進(jìn)行。通常的處理方法是假設(shè)等效應(yīng)變與位置關(guān)系成反比[1-3],但這種假設(shè)顯然與體積不變條件相悖。考慮在壓邊條件下,法蘭區(qū)的板厚變化不大,在求解應(yīng)力分布時(shí),許多文獻(xiàn)仍采用平面應(yīng)變假設(shè)。以下在對(duì)法蘭區(qū)應(yīng)力進(jìn)行求解分析的基礎(chǔ)上,采用平面應(yīng)變假設(shè)條件,進(jìn)一步給出起皺失穩(wěn)變形能、臨界壓邊力等的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。
對(duì)軸對(duì)稱拉深成形問(wèn)題,法蘭區(qū)滿足的平衡方程為
式中,σρ為法蘭區(qū)徑向應(yīng)力。
在平面應(yīng)變假設(shè)條件下且不考慮摩擦等,根據(jù)式(11)及其他條件可求出法蘭區(qū)的應(yīng)力[8]。
若設(shè)半徑為ρ處的變形質(zhì)點(diǎn)的初始位置為ρ0,r為板厚方向性系數(shù),則由等效應(yīng)變的定義有
根據(jù)平面應(yīng)變假設(shè)及等效應(yīng)力的定義,有
根據(jù)平面應(yīng)變假設(shè)條件、Mises屈服準(zhǔn)則及冪指數(shù)的材料模型假設(shè),得
因法蘭外緣徑向應(yīng)力已知,則在法蘭區(qū)任意位置ρ(ρ∈[r0,Rw])處變形質(zhì)點(diǎn)的徑向應(yīng)力為
式(16)中的x表示變形質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置。
將式(16)代入式(13),并考慮等效應(yīng)力等效應(yīng)變關(guān)系、冪指數(shù)的材料模型假設(shè),可求出周向應(yīng)力。顯然,周向應(yīng)力也是包含積分項(xiàng)的函數(shù)式,它是質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)位置的函數(shù),再將其代入式(5),才能計(jì)算變形能Uθ,即便采用數(shù)值方法,計(jì)算過(guò)程也非常復(fù)雜。因此,將式(16)進(jìn)行簡(jiǎn)化還是非常必要的。
取 r0/R0=0.5,n=0.21,當(dāng) Rw/R0取不同值時(shí),將函數(shù)f(expu)隨u的變化規(guī)律表示在圖1上。對(duì)于給定的 Rw/R0,在 u∈[ln(r0/R0),ln(Rw/R0)]內(nèi)f(expu)接近線性分布。表1給出了在Rw/R0和 r0/R0取一系列不同值時(shí),函數(shù)f(expu)線性相關(guān)系數(shù)的平方值R2。結(jié)果顯示R2均接近1。因而f(expu)在u的取值區(qū)間內(nèi)線性相關(guān)密切,基本符合線性分布規(guī)律。容易驗(yàn)證,當(dāng)n在0.2附近變化時(shí),上述規(guī)律不變。
圖1 函數(shù)f(expu)隨u的變化規(guī)律
表1 函數(shù)f(expu)線性相關(guān)系數(shù)的平方值R2(n=0.21)
進(jìn)行變量代換后,因積分函數(shù)近似為自變量u的線性函數(shù),因而徑向應(yīng)力可以簡(jiǎn)化為自變量u的二次函數(shù)。參照文獻(xiàn)[8],以積分形式表示的應(yīng)力表達(dá)式(16),采用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法,可按下式進(jìn)行簡(jiǎn)化:
簡(jiǎn)化后的求解結(jié)果與原積分式求解結(jié)果非常接近。文獻(xiàn)[8]給出的算例中,在n=0.19時(shí),最大相對(duì)誤差小于0.6%。
只有已知應(yīng)力分布規(guī)律,才能計(jì)算起皺失穩(wěn)變形能,而簡(jiǎn)明的應(yīng)力表達(dá)式也為變形能的計(jì)算及進(jìn)一步給出起皺失穩(wěn)判據(jù)提供了便利。
分析式(5),因σθ是ρ的函數(shù),因而需要首先求出周向應(yīng)力,才能確定周向應(yīng)力釋放的變形能。
根據(jù)平衡方程式(10),式(2)可寫為
由分部積分法,得
而S'可看為ρ的函數(shù),因S'(r0)=0(法蘭凹模入口處無(wú)皺紋高度為0,因而周向伸長(zhǎng)也為0),故可根據(jù)邊界條件,得
將ρ=Rw代入式(4),得
且
因此
考察式(19)中的第一項(xiàng),令ρ/R0=expu,由
式(17)可知,徑向應(yīng)力可近似表示為u的線性函數(shù),因此有
當(dāng)μ=0時(shí),若設(shè)σρ=ka+kbu+kcu2,則式(20)是可積函數(shù),即
取μ =0,Rw/R0=0.85,r0/R0=0.5,n=0.21,采用式(19)(用數(shù)值方法)計(jì)算得到的結(jié)果和采用簡(jiǎn)化式計(jì)算得到的結(jié)果非常接近,其相對(duì)誤差小于0.8%。可以驗(yàn)證,當(dāng)計(jì)算參數(shù)在可行范圍內(nèi)變化時(shí),誤差也很小。
若進(jìn)一步設(shè)
則有
根據(jù)面積不變假設(shè),將等效應(yīng)變的表達(dá)式式(12)代入式(9),得
在不考慮成形速度、溫度等成形條件對(duì)起皺影響的前提下,式(25)給出了壓邊力與材料性能參數(shù)、板坯幾何參數(shù)、拉深位置參數(shù)以及皺紋模型參數(shù)之間的關(guān)系。當(dāng)成形條件、材料性能參數(shù)、板坯幾何參數(shù)以及拉深位置參數(shù)一定時(shí),壓邊力僅與皺紋模型幾何參數(shù)有關(guān)。
當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí),壓邊力是皺紋模型參數(shù)的函數(shù),在臨界起皺條件下,一般允許的皺紋幅值有一定的設(shè)定值,此時(shí),壓邊力僅是皺紋數(shù)量N或單個(gè)皺紋的圓心角φ0的函數(shù)。由式(25),令壓邊力對(duì)φ0的一階偏導(dǎo)數(shù)為0,可得到臨界壓邊力下的φ0,將φ0再代入式(25),可以求出臨界壓邊力??梢则?yàn)證式(25)給出的Q是φ0的單凸函數(shù),即臨界壓邊力是所有可能的壓邊力取值中的最大值。
圖2所示是當(dāng)量壓邊力Q/ym(壓邊力與皺紋幅值之比)隨皺紋數(shù)量的變化曲線??梢钥闯?,當(dāng)皺紋數(shù)量為某一數(shù)值時(shí),壓邊力達(dá)到最大值,這就是臨界壓邊力。在實(shí)際拉深過(guò)程中,當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),臨界壓邊力是拉深位置的函數(shù),即壓邊力隨行程是變化的,這就是理想壓邊力行程曲線。顯然,在拉深開(kāi)始和拉深結(jié)束時(shí),臨界壓邊力都為0,而在中間的某個(gè)拉深位置,臨界壓邊力達(dá)到最大值。在拉深過(guò)程中,若保證施加的工藝壓邊力都不小于臨界壓邊力,則能確保拉深過(guò)程不產(chǎn)生起皺失穩(wěn)。
圖2 Q/ym與皺紋數(shù)量的關(guān)系曲線(μ =0.08,n=0.18)
圖3所示是臨界當(dāng)量壓邊力Q/ym與拉深位置Rw/R0(法蘭外緣的相對(duì)位置)的關(guān)系曲線,由于拉深位置與拉深行程有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此該曲線是理想壓邊力行程曲線的另一種表達(dá)形式。
(1)在平面應(yīng)變假設(shè)條件下,分析了軸對(duì)稱拉深成形起皺失穩(wěn)條件下的變形能,導(dǎo)出了計(jì)算式。
圖3 Q/ym與拉深位置的關(guān)系曲線(μ=0,n=0.18)
(2)用分部積分法、泰勒級(jí)數(shù)等數(shù)學(xué)方法簡(jiǎn)化了變形能的計(jì)算式。新的計(jì)算式更簡(jiǎn)明實(shí)用,與原積分形式表示的計(jì)算式非常接近。給出的算例表明,相對(duì)誤差小于0.8%。
(3)分析了起皺失穩(wěn)臨界壓邊力和理想壓邊力行程曲線的含義,并給出了算例。
[1]梁炳文,胡世光.板料成形塑性理論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987.
[2]趙軍,張雙杰,曹宏強(qiáng),等.拉深過(guò)程智能化控制中的法蘭起皺臨界條件[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào),1998,22(3):197-201.Zhao Jun,Zhang Shuangjie,Cao Hongqiang,et al.Critical Flange Wrinkle Condition in Intelligent Control of Deep Drawing Process[J].Journal of Yanshan University,1998,22(3):197-201.
[3]羅亞軍.板材拉深成形變壓邊力理論和數(shù)值模擬[D].上海:上海交通大學(xué),2003.
[4]Hill R.A General Theory of Uniqueness and Stability in Elastic/Plastic Solids[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1958,6:236-249.
[5]Hutchinson J W.Plastic Buckling[J].Advances in Applied Mechanics,1974,14:67-144.
[6]Senior B W.Flange Wrinkling in Deep-drawing Operations[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1956,48:235-246.
[7]Yu T X,Johnson W.The Buckling of Annular Plates in Relation to Deep Drawing Process[J].International Journal of Mechanical Sciences,1982,24(3):175-188.
[8]秦泗吉.軸對(duì)稱拉深成形凸緣變形區(qū)應(yīng)力的解析求解[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(24):20-25.Qin Siji.Analytical Solution of Stress in Flange Deformation in Axisymmetrical Deep Drawing Process[J].Journal of Mechanical Engineering,2011,47(4):21-25.