刃入時序?qū)Ψ吇貜椀挠绊懠霸蚍治?/h1>
2015-04-09 12:36:34畢彥，薛靜
重型機械 2015年6期
畢 彥，薛 靜
(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)
0 前言
現(xiàn)代汽車為了滿足造型美觀和流線性的要求，在車身設(shè)計上越來越多的運用弧形元素，這也導(dǎo)致了汽車外覆蓋件有大量弧形面和弧形邊界，同時也具有大量的翻邊特征。對零件進(jìn)行翻邊一方面可以獲得較光順的邊緣，另一方面也可以提高零件的剛度，使其在復(fù)雜的工作條件下有足夠的剛性才抵御塑性變形與降低振動引起的噪聲，此外還可以利用翻邊形成的豎邊和其他零件進(jìn)行裝配合邊等［1］。汽車外覆蓋件的圓弧翻邊不但容易造成翻邊起皺、開裂的問題，而且會導(dǎo)致型面回彈。
翻邊板料可以分為不變形區(qū)(壓料面)、圓弧過渡區(qū)和主變形區(qū)(豎邊部分)［2，3］。翻邊時壓料面不會發(fā)生變形，主變形區(qū)處于雙向受拉(受壓)的應(yīng)力狀態(tài)，主應(yīng)力為周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，產(chǎn)生周向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。其中，周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力分別為絕對值最大的主應(yīng)力和主應(yīng)變。在卸載后，制件在殘余應(yīng)力作用下發(fā)生回彈?？刂品吇貜椀姆椒ㄓ泻芏?，比如做過拉延，減小翻邊量;增加工藝缺口，釋放部分應(yīng)力;型面做回彈補償?shù)龋瑸榱耸鼓＞叩母牧孔钚?，最常用的一個方法就是改變翻邊鑲塊的刃入時序，即通過先后刃入來控制回彈。本文將探討刃入時序?qū)Χ嗔戏吅蜕倭戏叺幕貜椨绊?，并初步探討其原因?/p>
1 有限元數(shù)值模擬實驗
1.1 翻邊幾何模型的建立
圖1 所示為翻邊的下模型面，實驗分別對凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊進(jìn)行模擬，下模型面的棱線圓弧半徑1500 mm，圓角半徑為3 mm。圖2 所示為翻邊模擬的四種翻邊鑲塊形式，分別為同時刃入、兩頭先刃入、中間先刃入和波浪刃入，先后刃入時，先后刃入的落差都為15 mm。圖3 是在AutoForm 軟件中建立的翻邊模擬有限元模型。坯料采用的是DC04 鋼板，厚度為0.8 mm，表1為DC04 鋼板的材料參數(shù)。
圖1 翻邊下模型面Fig.1 Flanging model of underneath surface
圖2 翻邊模擬的四種翻邊鑲塊形式Fig.2 Four kinds of flanging insert
圖3 翻邊模擬有限元模型Fig.3 Finite element analysis of flanging model
表1 DC04 鋼板的材料性能參數(shù)Tab.1 Material properties of DC04 steel plant
1.2 模擬結(jié)果分析
圖4 和圖5 分別為凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊的回彈模擬云圖，其中紅色區(qū)域表示向上彈，藍(lán)色區(qū)域表示向下彈。
圖4 凸緣多料翻邊回彈模擬云圖ig.4 Flanging simulation image of more material bulge area
從圖4 中可以看出，對于凸緣多料翻邊，各種刃入時序變化對其回彈量和回彈分布都沒有太大的影響，從云圖上看基本一致。從圖5 中可以看出，對于凹緣少料翻邊，無論哪種先后刃入方式，回彈均有明顯改觀。從云圖上看，幾種刃入方式都使回彈分布呈波浪分布，而不是單曲率的樣式，波浪刃入的變化最為明顯，趨勢幾乎與同時刃入相反，由此可以波浪刃入對少料翻邊回彈改善的效率更高。
圖5 凹緣少料翻邊回彈模擬云圖Fig.5 Flanging simulation image of less material low area
2 應(yīng)力狀態(tài)分析
由于翻邊回彈的產(chǎn)生是翻邊面上周向應(yīng)力的作用，回彈發(fā)生改變，也勢必是應(yīng)力發(fā)生改變引起的，可以對比不同刃入對應(yīng)力的影響。
圖6 所示為凸緣多料翻邊在不同刃入時序下的應(yīng)力分布。其中白色區(qū)域應(yīng)力為負(fù)值，藍(lán)色到紅色區(qū)域應(yīng)力為正值且逐漸增大。由圖可見，同時刃入的應(yīng)力分布均勻(圖中黑框所標(biāo)示)，以壓應(yīng)力為主，幾種刃入方式都沒有時顯改變應(yīng)力的數(shù)值和分布。只是把原來較小片的壓應(yīng)力區(qū)域變?yōu)閹滋幋笠稽c的壓應(yīng)力區(qū)域，所以對回彈也沒有明顯改變。
圖6 凸緣多料翻邊在不同刃入時序下的應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of more material flanging bulge area
圖7 所示為凹緣少料翻邊在不同刃入時序下的應(yīng)力分布。同時刃入時應(yīng)力基本全為正值，即為拉應(yīng)力。而先后刃入改變了應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力不再均勻，而是呈波浪分布(圖中黑框所標(biāo)示)，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力交替出現(xiàn)，且應(yīng)力數(shù)值明顯減小，在波浪刃入情況下，壓應(yīng)力區(qū)域大于拉應(yīng)力區(qū)域，導(dǎo)致回彈趨勢發(fā)生了反轉(zhuǎn)。
圖7 凹緣少料翻邊在不同刃入時序下的應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of less material flanging low area
3 結(jié)論
運用有限元數(shù)值模擬的方法，對凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊的回彈現(xiàn)象進(jìn)行模擬，并對其應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了分析。認(rèn)為對于凸緣多料翻邊，各種刃入時序的變化對其回彈量和回彈分布都沒有太大的影響;對于凹緣少料翻邊，無論哪種刃入時序，對其回彈均有明顯改觀，且兩頭先刃入與中間先刃入效果相似，波浪刃入對少料翻邊回彈改善效果為明顯。通過對不同刃入時序下翻邊回彈的分析，找到了翻邊回彈的規(guī)律，也為控制汽車覆蓋件翻邊回彈提供了依據(jù)。
［1］韓東風(fēng)，林建平，陳水生，等.汽車覆蓋件內(nèi)凹圓弧翻邊仿真與變形控制研究［J］.鍛壓技術(shù)，2009，34(6):83－85.
［2］Wang C T，Gary Kinzelu，Taylan Altan.Failure and wrinking criteria and mathematical modeling of shrink and stretch flanging operations in sheet-metal forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995，(53):795－780.
［3］劉志云，何成宏，楊國泰，等.外緣外曲翻邊時的應(yīng)力應(yīng)變分析［J］.塑性工程學(xué)報，2004，11(2):22－35.
［4］McManus GJ，Writer F.Ferrite rolling of hot rolled sheet:successful use of new technology could open doors［J］.Steel Engineer，1995，72(8):53－54.
［5］De Paepe A，Herman J C，Vincent L.Deep drawable ultralow carbon Ti IF steels hot rolled in the ferrite region ［J］.Steel Research，1997，68 (11):479－486.
［6］Li C F，Yang Y Y，Li Shuoben.Deformation analysis and die－design principles in shrink－curved flanging［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995，(51):164－170.
［7］劉天聰.翻邊成形件的常見缺陷及修正方法［J］.模具技術(shù)，2000(4):70－73.
［8］伊紹亭.翻邊工序中的問題和解決方法［J］.模具工業(yè)，1979(2):114－116.
［9］崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.
［10］何從俊.冷沖模的修配(修訂本)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1978:11－13.
［11］盧險峰.沖壓工藝模具學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.
［12］俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.
［13］李大永，范海燕，王玉國.翻邊成型中預(yù)示修邊線的一種簡便方法［J］.汽車工藝與材料，2002(5):11－14.
［13］蘭箭，董湘懷，李志剛.有限元逆算法與板料成形工藝的評價［J］.中國機械工程，2002，13(10):826－829.
［14］鐘志華，李光耀.薄板沖壓成型過程的計算機仿真與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.
［15］曹穎，李大永，李峰，等.翻邊過程成形性預(yù)示及修邊線位置確定［J］.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，22(4):43－45.
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翻邊板料可以分為不變形區(qū)(壓料面)、圓弧過渡區(qū)和主變形區(qū)(豎邊部分)［2，3］。翻邊時壓料面不會發(fā)生變形，主變形區(qū)處于雙向受拉(受壓)的應(yīng)力狀態(tài)，主應(yīng)力為周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，產(chǎn)生周向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。其中，周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力分別為絕對值最大的主應(yīng)力和主應(yīng)變。在卸載后，制件在殘余應(yīng)力作用下發(fā)生回彈?？刂品吇貜椀姆椒ㄓ泻芏?，比如做過拉延，減小翻邊量;增加工藝缺口，釋放部分應(yīng)力;型面做回彈補償?shù)龋瑸榱耸鼓＞叩母牧孔钚?，最常用的一個方法就是改變翻邊鑲塊的刃入時序，即通過先后刃入來控制回彈。本文將探討刃入時序?qū)Χ嗔戏吅蜕倭戏叺幕貜椨绊?，并初步探討其原因?/p>
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1.1 翻邊幾何模型的建立
圖1 所示為翻邊的下模型面，實驗分別對凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊進(jìn)行模擬，下模型面的棱線圓弧半徑1500 mm，圓角半徑為3 mm。圖2 所示為翻邊模擬的四種翻邊鑲塊形式，分別為同時刃入、兩頭先刃入、中間先刃入和波浪刃入，先后刃入時，先后刃入的落差都為15 mm。圖3 是在AutoForm 軟件中建立的翻邊模擬有限元模型。坯料采用的是DC04 鋼板，厚度為0.8 mm，表1為DC04 鋼板的材料參數(shù)。
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圖2 翻邊模擬的四種翻邊鑲塊形式Fig.2 Four kinds of flanging insert
圖3 翻邊模擬有限元模型Fig.3 Finite element analysis of flanging model
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1.2 模擬結(jié)果分析
圖4 和圖5 分別為凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊的回彈模擬云圖，其中紅色區(qū)域表示向上彈，藍(lán)色區(qū)域表示向下彈。
圖4 凸緣多料翻邊回彈模擬云圖ig.4 Flanging simulation image of more material bulge area
從圖4 中可以看出，對于凸緣多料翻邊，各種刃入時序變化對其回彈量和回彈分布都沒有太大的影響，從云圖上看基本一致。從圖5 中可以看出，對于凹緣少料翻邊，無論哪種先后刃入方式，回彈均有明顯改觀。從云圖上看，幾種刃入方式都使回彈分布呈波浪分布，而不是單曲率的樣式，波浪刃入的變化最為明顯，趨勢幾乎與同時刃入相反，由此可以波浪刃入對少料翻邊回彈改善的效率更高。
圖5 凹緣少料翻邊回彈模擬云圖Fig.5 Flanging simulation image of less material low area
2 應(yīng)力狀態(tài)分析
由于翻邊回彈的產(chǎn)生是翻邊面上周向應(yīng)力的作用，回彈發(fā)生改變，也勢必是應(yīng)力發(fā)生改變引起的，可以對比不同刃入對應(yīng)力的影響。
圖6 所示為凸緣多料翻邊在不同刃入時序下的應(yīng)力分布。其中白色區(qū)域應(yīng)力為負(fù)值，藍(lán)色到紅色區(qū)域應(yīng)力為正值且逐漸增大。由圖可見，同時刃入的應(yīng)力分布均勻(圖中黑框所標(biāo)示)，以壓應(yīng)力為主，幾種刃入方式都沒有時顯改變應(yīng)力的數(shù)值和分布。只是把原來較小片的壓應(yīng)力區(qū)域變?yōu)閹滋幋笠稽c的壓應(yīng)力區(qū)域，所以對回彈也沒有明顯改變。
圖6 凸緣多料翻邊在不同刃入時序下的應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of more material flanging bulge area
圖7 所示為凹緣少料翻邊在不同刃入時序下的應(yīng)力分布。同時刃入時應(yīng)力基本全為正值，即為拉應(yīng)力。而先后刃入改變了應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力不再均勻，而是呈波浪分布(圖中黑框所標(biāo)示)，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力交替出現(xiàn)，且應(yīng)力數(shù)值明顯減小，在波浪刃入情況下，壓應(yīng)力區(qū)域大于拉應(yīng)力區(qū)域，導(dǎo)致回彈趨勢發(fā)生了反轉(zhuǎn)。
圖7 凹緣少料翻邊在不同刃入時序下的應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of less material flanging low area
3 結(jié)論
運用有限元數(shù)值模擬的方法，對凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊的回彈現(xiàn)象進(jìn)行模擬，并對其應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了分析。認(rèn)為對于凸緣多料翻邊，各種刃入時序的變化對其回彈量和回彈分布都沒有太大的影響;對于凹緣少料翻邊，無論哪種刃入時序，對其回彈均有明顯改觀，且兩頭先刃入與中間先刃入效果相似，波浪刃入對少料翻邊回彈改善效果為明顯。通過對不同刃入時序下翻邊回彈的分析，找到了翻邊回彈的規(guī)律，也為控制汽車覆蓋件翻邊回彈提供了依據(jù)。
［1］韓東風(fēng)，林建平，陳水生，等.汽車覆蓋件內(nèi)凹圓弧翻邊仿真與變形控制研究［J］.鍛壓技術(shù)，2009，34(6):83－85.
［2］Wang C T，Gary Kinzelu，Taylan Altan.Failure and wrinking criteria and mathematical modeling of shrink and stretch flanging operations in sheet-metal forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995，(53):795－780.
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［11］盧險峰.沖壓工藝模具學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.
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［13］蘭箭，董湘懷，李志剛.有限元逆算法與板料成形工藝的評價［J］.中國機械工程，2002，13(10):826－829.
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