锥盒形件分区压边拉深的成形性能研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 19 4 2.85MB 102 页 15积分
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摘 要
锥盒形件是锥形和矩形形状的组合，既有锥形件易起皱的特点，又有矩形件
变形不均匀的特征。成形过程是拉深和胀形的复合成形，容易产生外皱、内皱和
破裂等缺陷，实际中常通过压边力来控制。压边力是拉深成形的一个重要工艺参
数，其主要作用是用来产生摩擦阻力，以增加板料中的拉应力，控制材料的流动，
避免起皱。然而对于不规则零件，由于拉深过程中板料凸缘不同位置对压边力的
需求是不一致的，如果在板料上都施加相同的压边力，就容易导致局部缺陷。所
以最好采用分区压边的方式，根据零件变性特点与材料流动规律，合理划分多个
区域，并施加不同的压边力。
本文采用板料成形专用软件 DYNAFORM 对板厚为 0.8mm 的 St16 材料进行了锥
盒形件有限元模拟，旨在优化工艺参数、避免各种缺陷、预报成形极限，提高锥
盒形件的成形性能。首先对锥盒形件进行了整体压边圈模拟，以确定不起皱不破
裂的安全压边力范围。接着根据零件形状、毛坯流动情况、受力分布情况等对整
体压边圈进行了分区，初次分区决定分为长边区、短边区和圆角区三个部分共八
分块，通过模拟结果讨论了各区域对成形件的影响。为使材料流动更加均匀、降
低直边区域内皱的可能、细化各分块压边力对零件的影响，最后在前述分析结果
的指导下，对分区方案进行了优化，进行十二分块压边。分析方法采用了可以考
虑交互作用的 析因设计，可以研究各分块影响的大小和方向。最终得出结论：
各压边力对成形件影响的大小为：D>C>B>CD；当分块压边圈上单位面积压边力组
合为 A=B=5MPa，C=4MPa，D=3MPa 时，能够获得最佳效果，使零件既无破裂皱曲缺
陷，又可显著提高零件的最小厚度。模拟结果表明：分区压边力拉深所得到的零
件的回弹量非常小，要小于整体式压边拉深得到的零件。最终在实验室已有的由
锻压设备和液压设备组成的单动拉深机上进行了实验，验证了分区压边的合理性
与可靠性。
关键词：板材成形 锥盒形件 分区压边力 数值模拟 析因设计
回弹
ABSTRACT
Tapered rectangular box (TRB) is a combination of conical and rectangular shapes,
not only have the characteristics of conical part of easy to wrinkle, but also have the
non-uniform deformation characteristics of rectangular part. The forming process is a
combination of drawing and bulging. And It is easy to make defects such as outter
wrinkles, inner wrinkles and rupture, so in the Actual production often controlled by the
BHF. The BHF is an important parameter in the deep drawing process, and its main role
is to generate friction to increase the tensile stress, to control the flow of material, to
avoid wrinkles. However, for irregular parts, the demand of BHF of flange at different
positions is inconsistent. If both apply the same BHF, it is easily to lead to local defects.
So we should apply the segmented blank-holder force (SBHF), according to part
variability characteristics and flow regulation, a reasonable division multiple areas, and
impose different BHF.
In this paper, The Finite element method (FEM) is carried out based on the St16
material with thickness 0.8mm to produce the TRB with the sheet metal forming
software DYNAFORM. Its purpose is to optimize the process parameters, to avoid all
kinds of defects, forming limit prediction to improve the forming performance of TRB.
First, Simulations is carried with the whole blank holder to determine the safety range
of BHF. Second, make the whole blank holder to some partition by the part shape,
material flow and force. Initial zoning decision is divided into long border, short border
and corner areas, a total of eight blocks of three parts, then discussed the regional
impact of the formed parts by the simulation results. To make more uniform material
flow, reducing the possibility of direct border area wrinkles, refine block blank holder
force on the part , and finally under the guidance of the foregoing analysis, the partition
scheme has been optimized, we introduce twelfth of the segmented block blanks. A 2K
factorial design method is carried out, which can take account of the interaction, it can
study the size and direction of each block. And finally we conclude: The influence of
the blank holder force on the formed parts is: D>C>B>CD; When the segmented BHF
per unit area of combination A = B = 5MPa, C = 4MPa, D = 3MPa, then can get the
best results. It can significantly improve the minimum thickness of the par. Also the
results show that: springback of the part obtained by segmented blank-holder is very
small, less than the drawing part by integral blank holder. Finally, experiment is carried
out on a single action drawing machine to verify the rationality and reliability of
segmented blank-holder.
Key words: Sheet Metal Forming, Tapered Rectangular Box,
Segmented Blank-holder Force, Numerical Simulation,
Factorial Design, Springback
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ................................................... 1
§1.1 课题的来源、目的及意义 ................................. 1
§1.2 锥盒形件拉深成形特点 ................................... 2
§1.2.1 圆锥形件的拉深 ................................... 2
§1.2.2 矩形盒件的拉深 ................................... 3
§1.3 国内外压边力控制研究现状 ............................... 4
§1.3.1 试验法 ........................................... 4
§1.3.2 理论法 ........................................... 6
§1.4 本文研究内容 ........................................... 7
第二章 板材冲压成形的有限元理论 ................................. 9
§2.1 动力显示算法 ........................................... 9
§2.2 屈服准则 .............................................. 11
§2.2.1 各向同性屈服准则 ................................ 11
§2.2.2 正交各向异性屈服准则 ............................ 12
§2.2.3 各向异性屈服准则 ................................ 13
§2.3 流动规律 .............................................. 14
§2.4 硬化规律 .............................................. 15
§2.4.1 等向硬化（Isotropic Work Harding） .............. 15
§2.4.2 随动硬化（Kinematic Harding） ................... 15
§2.4.3 混合硬化（Combined Hadring） .................... 16
§2.5 本构关系 .............................................. 16
§2.6 板壳单元模型 .......................................... 18
§2.6.1 Hughes-Liu 壳单元 ............................... 19
§2.6.2 Belytschko-Tsay 壳单元 .......................... 19
§2.7 接触问题的处理 ........................................ 19
§2.7.1 接触类型 ........................................ 20
§2.7.2 接触的分类 ...................................... 20
§2.7.3 接触算法 ........................................ 21
§2.7.4 接触搜索方式 .................................... 21
§2.8 本章小结 .............................................. 22
第三章 锥盒形件拉深缺陷分析及其预报 ............................ 23
§3.1 拉裂 .................................................. 23
§3.1.1 拉裂的分类 ...................................... 23
§3.1.2 拉裂的控制 ...................................... 24
§3.2 起皱 .................................................. 24
§3.2.1 起皱的机理 ...................................... 24
§3.2.2 起皱的分类 ...................................... 25
§3.2.3 起皱的控制 ...................................... 26
§3.3 皱曲和破裂的极限预报 .................................. 26
§3.3.1 正多边形件皱曲和破裂的极限预报 .................. 27
§3.3.2 圆锥形件皱曲和破裂的三极限预报 .................. 30
§3.4 本章小结 .............................................. 34
第四章 冲压数值模拟关键技术研究 ................................ 35
§4.1 内部因素 .............................................. 35
§4.1.1 应变硬化指数 n .................................. 35
§4.1.2 厚向异性指数 r .................................. 35
§4.1.3 屈服强度 ..................................... 36
§4.1.4 屈强比 ................................... 36
§4.1.5 延伸率 ........................................ 37
§4.2 外部因数 .............................................. 37
§4.2.1 压边力 .......................................... 37
§4.2.2 毛坯尺寸 ........................................ 38
§4.2.3 摩擦系数 ........................................ 41
§4.2.4 凸模速度 ........................................ 43
§4.3 本章小结 .............................................. 44
第五章 锥盒形件分区压边的模拟与实验 ............................ 45
§5.1 DYNAFORM 软件简介 ..................................... 45
§5.2 有限元模型的建立 ...................................... 45
§5.2.1 CAD 几何建模 .................................... 45
§5.2.2 毛坯设计 ........................................ 46
§5.2.3 毛坯材料 ........................................ 47
§5.2.4 材料模型 ........................................ 47
§5.2.5 壳单元选择 ...................................... 48
§5.2.6 沙漏 ............................................ 48
§5.2.7 网格的划分 ...................................... 49
§5.3 整体压边圈仿真 ........................................ 49
§5.4 八分块压边圈仿真 ...................................... 53
§5.4.1 长边区压边力的影响 .............................. 55
§5.4.2 短边区压边力的影响 .............................. 57
§5.4.3 圆角区压边力的影响 .............................. 58
§5.4.4 改善压边力 ...................................... 59
§5.5 十二分块压边圈仿真及优化 .............................. 61
§5.5.1 析因设计 ........................................ 62
§5.5.2 方差分析 ........................................ 64
§5.5.3 拟合曲线 ........................................ 64
§5.5.4 模型适合性检验 .................................. 65
§5.5.5 因子效应 ........................................ 66
§5.5.6 优化 ............................................ 70
§5.6 分区压边实验 .......................................... 72
§5.6.1 分区压边装置 .................................... 72
§5.6.2 实验结果分析 .................................... 73
§5.7 本章小结 .............................................. 75
第六章 回弹分析 ................................................ 77
§6.1 回弹的力学机理 ........................................ 77
§6.1.1 弯曲应力分析 .................................... 77
§6.1.2 弯曲后的回弹 .................................... 79
§6.2 回弹的影响因数 ........................................ 80
§6.2.1 成形过程的影响因素 .............................. 80
§6.2.2 回弹过程的影响因素 .............................. 82
§6.3 回弹的计算 ............................................ 82
§6.3.1 常用的回弹计算方法 .............................. 82
§6.3.2 回弹的有限元仿真 ................................ 84
§6.4 锥盒形件回弹仿真 ...................................... 84
§6.5 本章小结 .............................................. 88
第七章 结论 .................................................... 89
参考文献 ........................................................ 91
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 95
致 谢 .......................................................... 96
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的来源、目的及意义
本课题来源于上海理工大学产学研技术开发项目——锥盒形件分区压边拉深
的成形性能研究。
锥盒形件是锥形和矩形形状的组合，属于非直壁类零件，拉深时侧壁不贴模，
所以既有锥形件易起皱的特点，又有矩形件周边各处变形不均匀的特征，成形情
况比较复杂，多因起皱而报废，国内对于这类零件的研究甚少。本文根据实际课
题的需要，采用板料分区压边工艺来研究锥盒形件的成形特点与性能，不仅可以
为锥盒形件理论提供参考，又能得出一些有益的结论为生产进行指导。
板材成形是金属塑性加工领域的一种重要加工方式，压边力则是影响板材成
形的关键因素。随着现代化工业的飞速发展，对冲压技术要求也越来越高，传统
整体式压边的方式很难符合复杂零件的要求，大量的理论和实践研究表明：采用
分区压边方式能够显著地提升材料的拉深性能与成形质量，能够有效地减少拉深
过程中出现的起皱、破裂等缺陷。由于压边力是最容易于控制的，因此如何确定
板料拉深成形过程中的最优压边力成为板料拉深成形研究中的热点之一。
控制压边力的实质是控制拉深过程中材料的流动。一般来说，压边力过小，
则无法有效的控制材料的流动，会使材料出现失稳而导致起皱；而压边力过大，
虽然可以避免起皱，但是板料难以流入凹模而使工件拉破，同时也对模具寿命和
拉深件的表面成形质量有影响。因此，为了避免产生缺陷，合理控制材料在模具
和压边圈之间的流动是至关重要的，即需要在拉深成形的过程中，保持合理的压
边力，使压边力的数值保持在能够使毛坯顺利成形的范围之内。
然而对于非回转形的不规则零件，由于拉深过程中板料凸缘不同位置对压边
力的需求是不一致的，如果在板料上都施加相同的压边力，就容易导致有些部位
起皱、有些部位破裂的缺陷。所以可以采用分区压边的方式，根据零件变性特点
与材料流动规律，合理划分多个区域，并施加不同的（恒定的或变化的）压边力。
近年来，随着设备的更新以及计算机控制技术的进一步推广和应用，分区压边拉
深控制技术成为了可行，并且在汽车制造、航空以及轻工等领域中有着广泛的市
场应用前景。
在板料成形理论中，对于盒形件和锥形件的研究较为深入，但对于锥盒形件
的研究尚少，但是实际中有许多类锥盒形零件，如 IVECO 车的顶棚，丰田皇冠车
的后备箱盖等。本文将采用有限元技术对锥盒形件的成形特点与性能进行研究。
锥盒形件分区压边拉深的成形性能研究
2
§1.2 锥盒形件拉深成形特点
锥盒形件是锥形和矩形形状的组合，所以既具有锥形件易起皱的特性，又有
矩形件周边各点变形不均匀的特征。圆锥形部分在矩形件的四角，拉深时材料由
圆角向侧壁部分流动，降低了圆锥形部分的变形程度，有利于拉深。
锥盒形件拉深时其外凸缘受一拉一压应力作用,而凸模底部受双向拉应力作用,
悬空部分则为拉深和胀形复合成形。从零件周边看，直边部分变形量较圆角部分
小得多，拉深时圆角部分材料向直边部分转移，而锥面处于悬空状态，横截面径
向要收缩，倾斜面在拉深终了前，处于相对松弛的状态，极易产生横向波纹。
为防止零件拉深时产生横向波纹，侧壁产生内皱，必须尽量抑制直边部分材
料流入凹模。这可以通过增大毛坯尺寸、增大压边力、设置拉延筋等方法达到。
§1.2.1 圆锥形件的拉深
圆锥形零件的拉深过程和圆筒形相似。但是，圆锥形零件在冲压成形过程中
既有拉深变形又有胀形变形，是拉深和胀形的复合成形。
圆锥形零件的拉深的开始阶段与凸模相接触的材料只是底部较小的一块面
积，凸模作用的压力也只是在这一小部分上。由于有一部分材料并不和凸模的断
面接触，同时也不受压边圈的作用，而是处于悬空的自由状态。在圆锥形零件的
拉深过程中，除了在悬空部分有可能出现起皱现象以外，同时，在很大的程度上
又有可能产生局部变薄，甚至是冲压件被拉裂。在圆锥形零件拉深时，悬空部分
的材料也是拉深变形区的一个组成部分。
圆锥形零件拉深过程中，如图 1-1 所示，毛坯凸缘部分的应力状态和变形特点
与圆筒形拉深件的相同，也是处于径向受拉、切向受压的应力状态。但侧壁悬空
部分的应力状态和变形情况却比较复杂:在和凸缘相邻的悬空大端部分，其应力状
态和凸缘一样，也是处于径向受压、切向受压的应力状态；而在靠近凸模的部分，
则是处于两向受拉的应力状态，这部分则是厚度变薄的胀形过程。
第一章 绪论
3
图1-1 圆锥形件拉深时侧壁应力
§1.2.2 矩形盒件的拉深
盒形件是典型的非旋转形件，与常见的圆筒形件相比，它的变形更加复杂。
盒形件的拉深时直边部分可以看作是弯曲变形，而四个圆角部分则看作拉深变形。
两个法兰主要变形区域在变形中速度是不相等的，具体体现在直边部分变形较小，
位移速度较快，而圆角部分变形剧烈，但直边部分和圆角部分又是相互联系在一
起的整体，必须符合连续性条件，使得直边部分对圆角部分产生“变形缓和效应”。
复杂的变形过程使得盒形件拉深具有以下特点：
1) 变形是不均匀的。变形本质与圆筒形件一样，是径向拉深与切向压缩，离拉深
中心越远，则变形越严重。但是圆角部分的变形比直边部分大，材料有从圆角
处流向直边的趋势。
2) 应力分布是不均匀的。直观上，变形的不均匀能够导致应力分布的不均匀。具
体来说，盒形件圆角处受力最大，沿直边一直减小，直到直边中点时降到最低。
3) 变形速率是不均匀的。直边部分材料的流动速率与圆角部分的流动速率是不相
等的，直边部分要大于圆角部分。由于速度梯度的存在，必然存在剪应力和剪
切变形。
早在 50 年代前苏联学者罗曼诺夫斯基通过研究认为：变形区域主要是直边法
兰区和圆角法兰区，圆周区为拉深变形，直边区为简单的弯曲变形。根据这种假
设，提出了盒形件拉深的一套工艺计算方法，也是为世界各国所普遍采用的。但
多年的实践证明了这套方案导致加工成形极限低，成形件废品率高，并且不是很
可靠。日本的一些学者则认为直边部分和圆角部分金属流动速度不同，从而会产
锥盒形件分区压边拉深的成形性能研究
4
生剪切变形，但把直边看作是简单弯曲变形。也有部分日本学者认为直边不单纯
是弯曲变形，还有少量的拉深变形，从而对圆周部分变形有减缓作用。
国内一些学者也对盒形件的成形机理进行了大量的研究和试验。盒形件拉深
时直边部分总是发生内陷，尤其是直边中点最为厉害，这与盒形件拉深时直边只
产生弯曲变形相悖，这种现象用直边部分金属流动产生速度梯度来解释或许可行。
但是该文作者提出了一种新的观点——拉深中法兰区的直边不仅有弯曲变形。而
且也产生了类似圆角部分的拉深变形，只是变形程度稍有不同。并且认为直边部
分的切向收缩缓和了圆角部分的切向变形，使材料的硬化程度减小，是盒形件与
圆筒形件相比成形极限高的原因之一。
§1.3 国内外压边力控制研究现状
拉深成形的过程控制中，压边力控制基于压边力的预测研究，预测的主要目
的是确定最优压边力，理论依据是起皱和破裂的临界条件。预测拉深成形压边力
的方法主要有两种：试验法和理论计算法。
§1.3.1 试验法
对于非旋转形的不规则零件，鉴于拉深过程中板料凸缘不同位置对压边力的
需求是不一致的，国内外不少学者进行了分区(分段)压边力的研究，并研制了相关
设备。其中分区压边又可以分为分区恒压边与分区变压边两种。理想的变压边力
控制系统应包括用来代替传统整体压边圈的分块压边圈，以及相应用来代替传统
单个液压缸的多个小油缸。每个油缸由计算机单独控制，使拉深件不同曲面部分
能够得到相应适当大小的压边力，从而提高了拉深成形压边力施加的柔性度，并
大大缩短换模时间。从上世纪 90 年代开始到现在，已经有多油缸控制设备和系统
的出现，并在国外某些汽车制造厂广泛应用。
（1）国外研究成果
国外对分区压边成形的研究主要是美国、日本和德国。美国俄亥俄州立大学
(Ohio State Univ.)的精密型制造工程研究中心（ERC/NSM）、美国西北大学
(Northwestern Univ.)先进材料加工实验室（Advanced Materials Processing Lab.）、
日本京都大学、德国斯图加特大学（Stuttgart Univ.）金属成形研究所和汉诺威大
学（Hannover Univ.）等研究机构都已经着手这方面的研究。
20 世纪 90 年代初，Ahmetegh 和Altan 提出在大型单动压力机上用液压拉深垫
控制压边力的反拉深系统。在拉深凹模下降行程中角缸通过压力柱将总的压边力
分配到四角上去，这样在拉深各种轮廓的零件时使用顶杆便能将压边力沿压边圈
的四周进一步分配。随后德国斯图加特大学的 Siegert 等人在单动液压机上用 4个
液压缸在 4个角点处施加压边力，建立了计算机数值控制（CNC）多点压边力控
摘要：

摘要锥盒形件是锥形和矩形形状的组合，既有锥形件易起皱的特点，又有矩形件变形不均匀的特征。成形过程是拉深和胀形的复合成形，容易产生外皱、内皱和破裂等缺陷，实际中常通过压边力来控制。压边力是拉深成形的一个重要工艺参数，其主要作用是用来产生摩擦阻力，以增加板料中的拉应力，控制材料的流动，避免起皱。然而对于不规则零件，由于拉深过程中板料凸缘不同位置对压边力的需求是不一致的，如果在板料上都施加相同的压边力，就容易导致局部缺陷。所以最好采用分区压边的方式，根据零件变性特点与材料流动规律，合理划分多个区域，并施加不同的压边力。本文采用板料成形专用软件DYNAFORM对板厚为0.8mm的St16材料进行了锥盒...

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作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：102 页 大小：2.85MB 格式：PDF 时间：2024-11-20

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