鄭高媛， 趙亦希， 崔峻輝

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院； 上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

在汽車生產(chǎn)中，拉彎成形工藝常運(yùn)用于對(duì)外形準(zhǔn)確度要求較高的框緣零件.隨著汽車外觀的要求越來(lái)越高，出現(xiàn)了變截面一體化上飾條的設(shè)計(jì)，截面寬度和彎曲角度的變化使得飾條類零件開始出現(xiàn)局部尺寸波動(dòng)，即面畸變現(xiàn)象，面畸變是指零件在成形中產(chǎn)生的局部起伏(凹凸)，起伏高度很小，一般在20～200 μm[1]，對(duì)整車外觀質(zhì)量有很大的影響.面畸變的形成機(jī)理是面畸變研究中的關(guān)鍵問題，對(duì)于面畸變的預(yù)防和控制具有重要的指導(dǎo)意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在面畸變形成機(jī)理分析方面做出了大量工作，其中薄板沖壓成形面畸變機(jī)理研究較為成熟，而拉彎成形過程中零件幾何特征和受力狀態(tài)與沖壓成形有較大差異.對(duì)于拉彎成形過程和復(fù)雜開口零件的研究多集中于影響因素分析.文獻(xiàn)[2]利用試驗(yàn)法對(duì)AA6060 鋁合金矩形截面型材開展研究，發(fā)現(xiàn)在型材彎曲變形的同時(shí)有面畸變現(xiàn)象，面畸變與截面形狀關(guān)系密切.文獻(xiàn)[3]利用 Pam-stamp 軟件模擬了封閉截面鋁合金型材成形過程并通過試驗(yàn)法驗(yàn)證了模擬結(jié)果, 認(rèn)為對(duì)于封閉截面型材，在其內(nèi)部填充柔軟芯材能夠很大程度上消除截面畸變?nèi)毕?文獻(xiàn)[4]對(duì)L型不銹鋼頂梁進(jìn)行仿真模擬，認(rèn)為模具間隙和模具設(shè)計(jì)為影響截面變形的主要原因.文獻(xiàn)[5]對(duì)鋼管折彎過程進(jìn)行模擬和應(yīng)力應(yīng)變分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)截面上切應(yīng)力處于主導(dǎo)地位時(shí)，鋼管更容易發(fā)生畸變.文獻(xiàn)[6]對(duì)車門框上條進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，彎曲角度對(duì)面畸變的影響較大.

拉彎成形多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等截面飾條僅發(fā)生截面整體變形，變截面飾條出現(xiàn)面畸變凹陷.對(duì)于不同截面形狀的拉彎零件，面畸變部位范圍、面畸變深度、畸變出現(xiàn)在零件的部位也不盡相同.急需準(zhǔn)確預(yù)測(cè)面畸變位置及大小，而由于飾條類零件為半開口零件，且生產(chǎn)過程有上壓模具和墊料作用，不滿足平面變形條件，彎曲過程中材料流動(dòng)和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，使得預(yù)測(cè)工作的難度加大.

本文以半開口鋁飾條零件拉彎變形作為研究對(duì)象，開展面畸變形成機(jī)理的研究.針對(duì)拉彎試驗(yàn)得到面畸變零件，對(duì)其進(jìn)行表面輪廓測(cè)量.基于Abaqus平臺(tái)建立了鋁飾條零件拉彎成形及回彈仿真模型，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性.設(shè)計(jì)了不同特征件，分析零件及特征件局部變形和應(yīng)力應(yīng)變，得到了面畸變形成條件、階段及形成過程.

1 面畸變零件試驗(yàn)

1.1 拉彎試驗(yàn)系統(tǒng)

本文以某車輛鋁飾條零件為研究對(duì)象，飾條的形狀輪廓特征和截面尺寸如圖1所示，圖中R表示該處彎曲曲率半徑.該飾條整體尺寸較大，彎曲半徑逐漸由 3 500 mm減小至150 mm，截面寬度由14 mm增加至65 mm，且彎曲半徑越小，截面寬度越寬.在零件較寬處，一側(cè)存在兩根加強(qiáng)筋，一側(cè)為相對(duì)較寬的薄板，截面剛度分布不均勻.

圖2所示為拉彎試驗(yàn)裝配方式示意圖，彎曲模具固定，固定夾頭固定零件一端100 mm部分；移動(dòng)夾頭由液壓裝置驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)零件一端100 mm部分進(jìn)行移動(dòng)；上壓模分為兩段，初始與彎曲模具距離約300 mm，下壓后與零件貼合；兩加強(qiáng)筋中填入墊料進(jìn)行彎曲，加強(qiáng)對(duì)截面的支撐作用.拉彎設(shè)備為臺(tái)灣順心張臂式數(shù)控拉彎?rùn)C(jī)，如圖3所示.

圖2 零件裝配示意圖Fig.2 Assembly diagram of parts

圖3 拉彎成形試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Stretch bending forming test equipment

試驗(yàn)所用零件材料為AL6063-T4鋁合金，彈性模量E為55.45 GPa，屈服強(qiáng)度為92 MPa，強(qiáng)化系數(shù)K為418.86 MPa，硬化指數(shù)n為0.63，泊松比ν為0.33.零件與模具之間涂潤(rùn)滑油.墊料為彈性體，彈性模量為 2 587 MPa.

1.2 拉彎試驗(yàn)方案

拉彎過程遵循預(yù)拉-彎曲-補(bǔ)拉流程，首先將墊料填入零件加強(qiáng)筋之間，用固定夾頭固定零件窄端，移動(dòng)夾頭夾緊零件寬端，由于飾條為變截面，隨著彎曲過程的進(jìn)行，未貼模部分截面面積越來(lái)越大，為減小起皺，所需拉力也需逐步增大(見圖4).總時(shí)間為16 s，預(yù)拉過程為 0～1 s，彎曲過程為1～12 s，補(bǔ)拉過程為12～14 s ，釋放過程(卸載力與壓型釋放)為14～16 s.由于零件窄長(zhǎng)，為使已貼模具部分不會(huì)失穩(wěn)脫模，同時(shí)減小起皺缺陷，彎曲過程中需要隨著彎曲進(jìn)程的進(jìn)行，上模具逐漸壓緊已貼模部分零件. 拉彎過程完成后，首先抬起上壓模，后同時(shí)松開固定夾頭和移動(dòng)夾頭，零件自由回彈，取下墊料，得到成形零件.

圖4 拉彎過程拉力變化情況Fig.4 Change of tensile force during stretch bending process

1.3 試驗(yàn)測(cè)量

由于面畸變的起伏高度較小，用肉眼無(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)，采用探針式表面輪廓測(cè)量?jī)x(見圖5 (a))對(duì)零件表面形貌進(jìn)行精確測(cè)量.測(cè)量?jī)x主要由測(cè)量傳感器、探針、微機(jī)、測(cè)量軟件及測(cè)量臺(tái)架構(gòu)成.該設(shè)備在z軸方向的測(cè)量范圍為40 mm，測(cè)量精度為(3.5+14H/25) μm，其中H為測(cè)量高度.在進(jìn)行零件表面輪廓測(cè)量時(shí)，所設(shè)定的測(cè)量速度是0.5 mm/s，設(shè)定的采樣點(diǎn)間距是0.5 mm.

對(duì)于鋁飾條零件，在面畸變?nèi)毕莩霈F(xiàn)部位，選擇了8個(gè)位置進(jìn)行輪廓測(cè)量，各截面位置如圖5 (b)所示，圖中1～8為截面編號(hào).所選截面方向?yàn)閺澢鷱较?，是因?yàn)槊婊內(nèi)毕萃ǔｉL(zhǎng)而窄，沿著彎曲方向切向呈圓弧條狀分布，徑向缺陷更容易識(shí)別.同時(shí)，零件在該方向的設(shè)計(jì)曲率小，面畸變的變化更容易被捕捉.

為了定量地分析數(shù)值模擬精度，引用了面畸變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo).該指標(biāo)由 Shen 等[7]提出，Dzj是第j條輪廓線的面畸變?cè)u(píng)價(jià)值，定義為

min {dij|i=1, 2, …,n})

(1)

式中：dij表示第j條輪廓線上第i個(gè)點(diǎn)距離理想曲面的局部偏差，z為方向.Dzj度量了零件截面輪廓線的面畸變嚴(yán)重程度.Dzj越大，零件及其截面輪廓線的面畸變?nèi)毕菀苍絿?yán)重.

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

拉彎試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，缺陷位置均位于板料彎曲部分最寬處外側(cè)，呈現(xiàn)窄長(zhǎng)形態(tài)，長(zhǎng)度約為75～90 mm，寬度約為5～7 mm.

面畸變截面表面輪廓掃描結(jié)果如表1所示，采用上述Dzj度量各個(gè)截面表面輪廓線的面畸變嚴(yán)重程度，截面編號(hào)如圖5所示.兩側(cè)畸變程度小，中間畸變程度大，最大畸變量約為0.1 mm，小于0.01 mm可認(rèn)為幾乎無(wú)缺陷.

表1 鋁飾條零件各截面畸變?cè)囼?yàn)結(jié)果Tab.1 Distortion test results of aluminum trim parts

2 面畸變有限元仿真

2.1 有限元建模

采用有限元方法對(duì)零件的成形過程進(jìn)行了仿真分析，以便對(duì)零件的局部變形特點(diǎn)及應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析.圖7所示為所建立的有限元模型，主要包括零件、墊料、夾具、上壓模具和彎曲模具5個(gè)部分，原固定夾具直接由零件一端固定代替.為模擬實(shí)際拉彎過程，實(shí)現(xiàn)拉伸方向力控制，其他方向位移控制，在夾具上建立隨夾具移動(dòng)的局部坐標(biāo)系，x方向施加力約束，y、z方向施加位移約束.

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

模型假設(shè)模具為剛體，零件為彈塑性材料，墊料為彈性材料，采用實(shí)體單元，板材屈服行為滿足von Mises 屈服準(zhǔn)則，摩擦因數(shù)為0.12.數(shù)值模擬過程分為3個(gè)步驟：① 預(yù)拉過程，采用動(dòng)態(tài)顯示格式求解，預(yù)拉時(shí)間為0.1 s；② 彎曲成形過程，為精準(zhǔn)控制零件的位移，采用了16個(gè)分析步，總時(shí)長(zhǎng)為3.6 s；③ 回彈過程，采用靜力隱式格式求解，時(shí)長(zhǎng)為1 s.

2.2 局部網(wǎng)格細(xì)化

面畸變?nèi)毕莸某叨刃?，通常小?.1 mm量級(jí)，為觀測(cè)面畸變形成過程，對(duì)數(shù)值模擬的精度提出了更高的要求.但是，零件成形尺度大，零件長(zhǎng)度為1 m有余，面畸變?nèi)毕萦邢拊抡娉艘獫M足整體零件成形過程的高效準(zhǔn)確要求外，還需要對(duì)缺陷區(qū)域的微小彎曲變形進(jìn)行精確的模擬.

為了保證仿真速度和缺陷模擬精度符合要求，對(duì)零件進(jìn)行分段網(wǎng)格細(xì)化處理，厚度方向均為3層網(wǎng)格，每層0.5 mm.使用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比一般不大于10，網(wǎng)格寬度最大選取5 mm.為保證仿真效率，首先用5 mm網(wǎng)格進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示，圖中σs為von Mises 應(yīng)力.彎曲半徑較小處發(fā)生一些網(wǎng)格扭曲畸變，不能反應(yīng)局部面畸變. 根據(jù)文獻(xiàn)[6]結(jié)論和試驗(yàn)結(jié)果，面畸變多出現(xiàn)于彎曲半徑較小、應(yīng)力較大處，將圖8中拉彎方向外側(cè)明顯應(yīng)力增大區(qū)域設(shè)為潛在面畸變區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.

如圖9所示，飾條類零件出現(xiàn)的窄長(zhǎng)面的畸變寬度約為10 mm數(shù)量級(jí)，為保證面畸變區(qū)域內(nèi)有10個(gè)以上網(wǎng)格以準(zhǔn)確反應(yīng)面畸變形態(tài)，細(xì)化區(qū)域網(wǎng)格尺寸小于1 mm.由于彎曲過程中零件存在徑向流動(dòng)，將潛在面畸變區(qū)域?qū)挾确较蛄慵M(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.其中對(duì)潛在面畸變區(qū)域，網(wǎng)格細(xì)化為0.5 mm，與厚度網(wǎng)格尺寸相同，接近正方體網(wǎng)格有利于提高有限元計(jì)算精度，零件其他部分進(jìn)行均勻網(wǎng)格過度.

圖8 初始網(wǎng)格仿真結(jié)果Fig.8 Initial mesh simulation results

圖9 零件網(wǎng)格劃分(mm)Fig.9 Part meshing (mm)

2.3 仿真結(jié)果及模型驗(yàn)證

由于面畸變尺度小，難以用肉眼觀察，而仿真所得節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)是間斷的，更增加的觀察難度，對(duì)仿真所得面畸變進(jìn)行了可視化.Abaqus中提取面畸變及周圍部位表面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，由于鋁飾條上表面為曲面而非平面，用MATLAB對(duì)表面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差最小的多項(xiàng)式擬合，此處為五階多項(xiàng)式擬合.計(jì)算節(jié)點(diǎn)距擬合曲面的距離d，通過云圖的形式表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置上，如圖10所示.

為了驗(yàn)證有限元模型的有效性，采用上述Dzj度量各個(gè)截面表面輪廓線的面畸變嚴(yán)重程度，截面編號(hào)如圖5所示.對(duì)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較.圖11所示為面畸變區(qū)域各截面的面畸變情況的試驗(yàn)和仿真結(jié)果的比較，仿真的平均誤差為0.016 mm，最大誤差為0.035 mm，試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致，所建的有限元模型是準(zhǔn)確和有效的.

圖10 面畸變仿真結(jié)果可視化Fig.10 Visualization of surface distortion simulation results

圖11 鋁飾條零件各截面面畸變情況比較Fig.11 Comparison of distortion of aluminum trim parts

3 面畸變形成機(jī)理分析

3.1 面畸變形成必要條件

圖12所示為鋁飾條零件試驗(yàn)及仿真所得面畸變分布情況對(duì)比結(jié)果.面畸變凹陷位于零件外側(cè)加強(qiáng)筋附近，且通常出現(xiàn)在零件寬度寬、彎曲半徑小的部位.

圖12 鋁飾條零件面畸變分布Fig.12 Surface distortion distribution of aluminum trim parts

為驗(yàn)證面畸變的形成條件，通過對(duì)鋁飾條零件進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了如圖13所示特征件進(jìn)行分析.由于零件寬度方向曲率小，遠(yuǎn)小于零件彎曲曲率，可以簡(jiǎn)化為平直面.零件主要截面上有兩根加強(qiáng)筋，特征件保留兩根加強(qiáng)筋，簡(jiǎn)化為垂直與板料F形.零件扭轉(zhuǎn)角度約為5°，對(duì)成形結(jié)果影響可忽略，故將原零件的空間彎曲特征簡(jiǎn)化為平面彎曲.為研究不同曲率半徑對(duì)面畸變的影響，將模具設(shè)置為恒定曲率半徑.將特征件仿真模擬實(shí)際零件彎曲情況，板料設(shè)為15 mm～65 mm寬度變截面，模具曲率半徑設(shè)為150 mm時(shí)，仿真所得結(jié)果如圖14所示.

圖13 特征件裝配及截面Fig.13 Feature assembly and section diagram

圖14 特征件仿真結(jié)果Fig.14 Feature simulation results

在截面寬度較寬處，彎曲方向外側(cè)，出現(xiàn)了寬度約為1.5 mm的窄長(zhǎng)形面畸變，面畸變處最大凹陷量約為0.1 mm，與鋁飾條零件缺陷情況基本一致.特征件的幾何特征與鋁飾條零件相似，具有零件尺寸比實(shí)際零件小、能夠穩(wěn)定出現(xiàn)面畸變?nèi)毕莸奶攸c(diǎn)，便于對(duì)面畸變?nèi)毕菡归_研究，通過改變特征件的幾何特征，驗(yàn)證面畸變形成條件.現(xiàn)有研究表明，面畸變的形成與零件彎曲角度、截面特征、填充物及模具設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系[6]，綜合考慮鋁飾條零件的成形工況及幾何特征，從以下角度分析面畸變形成的必要條件：① 零件寬度和彎曲半徑；② 零件有無(wú)加強(qiáng)筋；③ 是否具有上壓模具；④ 是否具有墊料.

圖15 特征件更改后仿真結(jié)果Fig.15 Simulation results after feature changes

圖16 更改上壓模、墊料的仿真結(jié)果Fig.16 Simulation results after changing the upper die and padding

為研究特征件寬度和彎曲半徑是否決定面畸變的產(chǎn)生，分別進(jìn)行窄特征件和大彎曲半徑的仿真.特征件寬度改變示意及其所得仿真結(jié)果如圖15(a)所示，特征件僅保留外側(cè)10 mm部分，并以150 mm為半徑進(jìn)行彎曲，零件上最大凹陷量小于0.01 mm.彎曲半徑為950 mm的仿真結(jié)果如圖15(b)所示，零件上最大凹陷量也小于0.01 mm，且?guī)缀鯖]有起皺等缺陷產(chǎn)生.表明這兩種工況下，特征件上幾乎沒有明顯面畸變?nèi)毕?，較大的零件寬度和較小的彎曲半徑是面畸變產(chǎn)生的必要條件.

實(shí)際零件寬度均勻增大，彎曲半徑均勻減小，約在55 mm寬，半徑150 mm處開始產(chǎn)生面畸變?nèi)毕?變截面特征件彎曲半徑恒定為150 mm，也約在55 mm處產(chǎn)生面畸變.結(jié)合上述分析可知，減小零件寬度、增加彎曲半徑均可減小面畸變?nèi)毕?，故認(rèn)為面畸變?nèi)毕莓a(chǎn)生于零件寬度和彎曲半徑的比值有關(guān)，當(dāng)寬度、半徑比值大于35%時(shí)，易產(chǎn)生面畸變?nèi)毕?

改變特征件幾何特征，將F形零件變?yōu)槠矫姘宀?，采用較大彎曲寬度和較小彎曲半徑所得仿真結(jié)果如圖15(c)所示.當(dāng)零件兩個(gè)加強(qiáng)筋被去除后，零件上最大凹陷量小于0.01 mm.這表明，若加強(qiáng)筋被去除，則沒有面畸變?nèi)毕莓a(chǎn)生.

去除上壓模所得仿真結(jié)果如圖16(a)所示.去除上壓模后，零件發(fā)生明顯翹曲，不能貼模，截面形狀呈現(xiàn)整體凹陷而非局部畸變.這表明，上壓模具在生產(chǎn)過程中不可省略，而整體凹陷與局部畸變不同，無(wú)比較意義，需要進(jìn)一步研究面畸變的產(chǎn)生是否與整體凹陷趨勢(shì)有關(guān).

去除墊料后的仿真結(jié)果如圖16(b)所示，由于缺少墊料支撐，側(cè)向加強(qiáng)筋貼膜后，隨著彎曲過程的進(jìn)行，加強(qiáng)筋發(fā)生嚴(yán)重變形.對(duì)于飾條類零件結(jié)構(gòu)，當(dāng)彎曲半徑小、零件寬度寬時(shí)，厚度方向加強(qiáng)筋不足以支撐零件貼模后模具產(chǎn)生的反作用力，必須添加墊料輔助彎曲.

以上研究表明，為保證鋁飾條零件的正常成形，上壓模和墊料不可缺，缺少上壓?；驂|料會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重截面變形.而保留加強(qiáng)筋的窄零件、平面板材和大彎曲半徑零件均不產(chǎn)生局部面畸變.彎曲半徑和零件寬度主要影響零件應(yīng)力應(yīng)變大小和中性層移動(dòng)，加強(qiáng)筋對(duì)零件結(jié)構(gòu)的影響較為復(fù)雜，上壓模和墊料雖可以解決整體變形缺陷，但對(duì)局部面畸變的作用還不明確，為進(jìn)一步研究這些因素引起面畸變?nèi)毕莸脑?，?duì)面畸變形成階段和形成過程進(jìn)行具體分析.

3.2 面畸變形成階段

文獻(xiàn)[7]表明，在沖壓成形工況下，面畸變的產(chǎn)生與零件的回彈有著密切的關(guān)系，或多為回彈過程中產(chǎn)生的.對(duì)比成形前、回彈前、回彈后的零件仿真結(jié)果，如圖17所示，成形前仿真擬合結(jié)果良好，無(wú)明顯凹陷.回彈前零件彎曲方向外側(cè)有著明顯的面畸變區(qū)域，長(zhǎng)約80 mm，寬約5 mm，最大凹陷量約為0.13 mm.回彈后面畸變區(qū)域減小至長(zhǎng)約55 mm，寬約2 mm，最大凹陷量減小至0.1 mm.回彈前后仿真結(jié)果的對(duì)比說(shuō)明了拉彎成形中零件面畸變?nèi)毕菪纬捎诹慵尚芜^程中，在回彈過程中略有減小.

圖17 面畸變隨成形過程的變化情況Fig.17 Variation of surface distortion in forming process

圖18所示為鋁型材零件面畸變區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)P相對(duì)于零件表面擬合曲面在z軸方向的距離隨時(shí)間的變化情況, 圖中t為分析步時(shí)間,λ表示面畸變點(diǎn)距離曲面的相對(duì)距離.在自由彎曲階段中，z小于0.01 mm，尚未到達(dá)面畸變的尺度.在模具下壓階段，z逐步增加至0.1 mm以上，這表明面畸變形成于上模具下壓階段.而在回彈階段，z逐漸減小，回彈階段由于應(yīng)力釋放，面畸變得以減輕.

圖18 λ與時(shí)間的關(guān)系Fig.18 λ versus t

圖19 面畸變形成過程示意圖Fig.19 Schematic diagram of surface distortion formation

3.3 形成過程分析

面畸變的形成過程如圖19所示，可分為如下幾個(gè)階段：

① 零件一側(cè)加強(qiáng)筋隨著夾具的移動(dòng)逐漸貼膜，在拉力作用下，板料外側(cè)出現(xiàn)減薄，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)起皺，外側(cè)產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象；② 上模具逐漸下壓，翹曲和起皺現(xiàn)象隨著模具下壓得到緩解，而兩加強(qiáng)筋間的凹陷逐漸產(chǎn)生；③ 模具基本合模，在合模力作用下，翹曲和起皺基本壓合，而面畸變部位由于下方為墊料填充，不與彎曲模具直接接觸，無(wú)法被壓合.

圖20所示為拉彎過程中零件厚度橫向變化量分布情況, 圖中Δδ為零件厚度變化量，w為零件沿寬度方向坐標(biāo).在面畸變發(fā)生區(qū)域，材料向彎曲方向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，外側(cè)板料減薄，內(nèi)側(cè)增厚看，面畸變部位減薄率約為5%.其中由于外側(cè)板料的減薄，導(dǎo)致外側(cè)剛度降低，同時(shí)加強(qiáng)筋已與彎曲模具貼合，隨著彎曲過程繼續(xù)進(jìn)行，在沒有上模具支撐的情況下，導(dǎo)致第1階段板料外側(cè)翹曲現(xiàn)象產(chǎn)生.

圖20 成形前后零件厚度變化量Fig.20 Thickness variation of parts before and after forming

在模具下壓階段，由于板料發(fā)生翹曲，兩端首先觸碰到上模具，中間保持凹陷狀態(tài)而未接觸上模具.缺陷區(qū)域的次應(yīng)力分布情況如圖21所示，該區(qū)域次應(yīng)力為負(fù)值，這意味著缺陷區(qū)域處于平面拉壓的應(yīng)力狀態(tài).

圖21 次應(yīng)力分布Fig.21 Distribution of secondary stress

圖22 矩形薄板平面拉壓模型Fig.22 Plane tension compression model of rectangular thin plate

Wang等[8]則基于局部失穩(wěn)的假設(shè)對(duì)面畸變?nèi)毕葸M(jìn)行了預(yù)測(cè)，認(rèn)為面畸變產(chǎn)生是由于局部板料發(fā)生失穩(wěn).為探究板料是否發(fā)生屈曲失穩(wěn)，對(duì)上模具給予零件的壓力進(jìn)行分解，可以發(fā)現(xiàn)上模具下壓過程中將對(duì)凹陷區(qū)域施加橫向壓力，同時(shí)該區(qū)域依然受夾頭拉力，根據(jù)該區(qū)域的應(yīng)力特點(diǎn)，建立如圖22所示的矩形薄板平面拉壓模型假設(shè)面畸變區(qū)域?yàn)榫匦伪“澹鍨楦飨蛲詮椥泽w.圖中：a為長(zhǎng)度；b為寬度；σx為矩形薄板在x方向受面內(nèi)壓縮應(yīng)力；σy為矩形薄板在y方向所受拉應(yīng)力.

由板殼理論和解的不唯一性可獲得該模型發(fā)生屈曲失穩(wěn)的應(yīng)力：

(2)

式中：δ為板厚；m、n為正整數(shù)，當(dāng)m=n=1時(shí)，σx有最小值(臨界應(yīng)力)：

(3)

圖21中的壓應(yīng)力分布呈現(xiàn)出由外向內(nèi)逐步增加的趨勢(shì).因此，以不同的壓應(yīng)力值作為邊界應(yīng)力，壓縮區(qū)的大小是不同的，相應(yīng)的局部屈曲的臨界載荷也不同.但通過式(3)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)a約為2 mm時(shí)，σx約為 60 000 MPa，遠(yuǎn)大于邊界實(shí)際所受壓應(yīng)力.因此，板料并未由于壓應(yīng)力產(chǎn)生屈曲失穩(wěn).

在模具下壓前，板料已經(jīng)產(chǎn)生翹曲，缺陷區(qū)域一直處于凹陷狀態(tài).模具下壓后，兩加強(qiáng)筋間零件無(wú)法直接與模具接觸，而墊料無(wú)法提供足夠的支撐力，缺陷區(qū)域板料由于模具的下壓，一直處于拉壓應(yīng)力狀態(tài)，故凹陷無(wú)法消除.這是該區(qū)域產(chǎn)生面畸變?nèi)毕莸闹饕?

4 結(jié)論

(1) 面畸變形成的必要條件為： 對(duì)于變截面飾條類零件，當(dāng)截面寬度、彎曲半徑比值大于35%時(shí)，隨著拉彎過程的進(jìn)行，零件外側(cè)減薄率達(dá)到5%左右，內(nèi)側(cè)增厚導(dǎo)致零件產(chǎn)生翹曲趨勢(shì)，加強(qiáng)筋、上模具和墊料的共同作用導(dǎo)致局部面畸變的產(chǎn)生.缺乏加強(qiáng)筋進(jìn)行平面彎曲時(shí)只有起皺缺陷而沒有局部畸變.缺乏上模具時(shí)，零件產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲.缺乏墊料時(shí)，零件剛度不足發(fā)生嚴(yán)重變形.

(2) 面畸變形成于拉彎成形過程中，在回彈過程中得以減小.在自由彎曲過程中，幾乎沒有面畸變產(chǎn)生.當(dāng)該區(qū)域貼模、上模具逐漸下壓，面畸變逐漸產(chǎn)生并增加.回彈過程中面畸變隨著應(yīng)力釋放逐漸減小.

(3) 面畸變的形成過程為：板料局部貼模后，開始產(chǎn)生翹曲，缺陷區(qū)域處于整體凹陷狀態(tài).隨著模具下壓，由于兩加強(qiáng)筋間零件無(wú)法直接與彎曲模具接觸，而墊料無(wú)法提供足夠的支撐力，缺陷區(qū)域板料處于拉壓應(yīng)力狀態(tài)，無(wú)法回復(fù)到平直狀態(tài).周圍材料處于拉伸狀態(tài)，隨著周圍材料逐漸被模具壓實(shí)，局部面畸變逐步形成.