矩盒件分区压边拉深工艺研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.9MB 77 页 15积分
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摘要
板材冲压成形是金属塑性加工的一种基本工艺方法，它在汽车行业、航空航
天行业、电器行业、仪表行业、轻工及民用产品中有着广泛的应用。在板材成形
工艺中，压边力是影响板材成形质量的重要因素之一，同时也是最容易调节和控
制的工艺参数。
为了研究压边力对板材成形的影响，本文从板材拉深理论基础入手，对典型
零件的拉深特点如圆筒件、圆锥形件等进行了详细讨论，分析了矩形盒零件的拉
深成形特点，研究了其在拉深过程中材料的转移情况和容易发生的问题。然后文
章进一步以正多边形盒件为对象，分析了该零件在拉深成形时凸缘变形区的应力
分布，给出了不皱曲和不破裂的成形极限预报与控制方法。随后建立了矩形盒零
件拉深成形的有限元仿真模型，利用 DYNAFORM 软件对整体压边作用下零件的
拉深成形进行仿真，发现需要较大的压边力才能保证拉深得顺利成形，否则长直
边部分会发生皱曲，长边直壁部分易皱曲；然后对矩形盒零件的凸缘区按几何形
状进行分区，其分区压边拉深成形进行有限元仿真，并对仿真试验进行均匀设计，
结合数理统计学的知识分析了各个区域的压边力对零件成形的影响，给出了对于
矩形盒零件，确定分区压边力大小的原则：短边部分和圆角区的压边力对零件的
减薄影响最显著，因此圆角区和短边区的压边力应尽可能小（实际上这两个区所
需要的压边力也非常小），取防皱压边力即可。长边区的压边力对零件最薄点的厚
度值影响不显著，可以取大一些，以保证长边直壁部分的成形；随后又结合矩形
盒零件拉深时的变形特点，对分区方式进行优化，并对优化后的分区压边成形进
行仿真试验验证，得到了更好的拉深效果。
随后文章对不同压边力组合下的矩形盒零件拉深成形进行了回弹模拟，模拟
结果显示结合变形特点的分区方式其成形精度最好，回弹量最小。最后，文章对
矩形盒零件进行分区压边拉深试验，分析了不同压边力组合下零件的成形结果，
测量拉深件的厚度分布规律，并分别和 DYNAFORM 5.6、MSC. MARC R2007 中
的仿真结果进行对比，仿真中板料的厚度变化规律和试验结果基本相符。
关键词：分区压边 拉深 矩形盒 有限元仿真 均匀设计 回弹
ABSTRACT
Stamping is one of the basic techniques of plastic process, with a wide range of
application in automotive industry, aerospace industry, electrical industry,
instrumentation industry, light industry and so on. During the process of sheet metal
forming, the blank holder force is one of the most important factor to the quality of
sheet metal forming, which is also the most easy to adjust and control.
To study the impact of blank holder force on sheet metal forming, based on the
theoretical foundation of drawing, this paper introduces the drawing process of typical
parts, such as cylindrical pieces and cone-shaped pieces. The following of the material
during the deep drawing of rectangular box is analyzed in detailed. Take polygon box
parts as example, this article analyzed the stress distribution in the flange deformation
zone during its deep drawing process. And the prediction and control of un-broken and
un-wrinkle forming limit was given. Then we established the finite element simulation
model of rectangular box parts when deep drawing in DYNAFORM 5.6 and MSC.
Marc. After the simulation, we found that larger BHF is needed to make sure a smooth
forming, otherwise the long straight edge zone will occur buckling and it is easy to
cause wrinkle. Then we divided the flange area into 8 parts by its geometric shape. After
the simulation and uniform design of drawing with segmental blank holder, combined
with the knowledge of mathematical statistics, the principle of how to determine the
blank holder was given: short side part and the rounded area BHF on the part of the
thinning of the most significant, the rounded area and the short border BHF should be as
small as possible (in fact the BHF of these two areas are also very small), just take the
anti-wrinkle BHF. Long border on the part of BHF thickness of the thinnest point was
not significant, to ensure the long side of the straight wall section forming it can be take
a bit more; with the deformation characteristics of rectangular box parts when deep
drawing, an optimized way of dividing the blank holder was given, and after the
simulation test, the new way was verified that it can get better drawing results.
Then the spring back simulation of the rectangular box when it was drawn under
different combinations of BHF was done. The simulation results show that the divided
way combined its deformation characters has the best forming accuracy and minimum
spring back. Finally, the drawing test of rectangular box under different BHF
combination was done. We measured the thickness of the part, and compared with the
simulation result in DYNAFORM 5.6 and MSC. MARC R2007, found that the
simulation results and experimental results are basically consistent.
Keywords: Segmental Blank Holder, Rectangular box, Spring back,
Finite Element Simulation, Uniform Design
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题来源及研究意义 ........................................................................................1
§1.1.1 课题来源 .....................................................................................................1
§1.1.2 课题研究意义 .............................................................................................1
§1.2 分区压边技术的国内外研究现状 ....................................................................2
§1.2.1 压边力数学模型的研究 .............................................................................2
§1.2.2 压边力控制技术的研究 .............................................................................3
§1.2.3 分区压边技术的研究 .................................................................................5
§1.3 本文的研究内容及技术路线 ............................................................................7
第二章 板材拉深的理论基础 .........................................................................................9
§2.1 圆筒形零件的拉深 ............................................................................................9
§2.1.1 圆筒形件的拉深变形特点 .........................................................................9
§2.1.2 拉深件毛坯内部各部分的受力关系 .......................................................11
§2.1.3 压边力的计算 ...........................................................................................12
§2.2 锥形、球形和抛物线形零件的拉深 ..............................................................13
§2.2.1 锥形件拉深时的变形特点 .......................................................................13
§2.2.2 球形件和抛物线形件拉深时的变形特点 ...............................................14
§2.3 矩形盒零件的拉深 ..........................................................................................15
§2.4 本章小结 ..........................................................................................................16
第三章 压边力控制理论研究 .......................................................................................18
§3.1 凸缘变形区的应力分布 ..................................................................................18
§3.2 凸缘变形区的应力分布分析 ..........................................................................22
§3.3 皱曲极限的预报与控制 ..................................................................................23
§3.4 破裂极限的预报与控制 ..................................................................................25
§3.5 不皱曲和不破裂的成形极限预报与控制 ......................................................27
§3.6 本章小结 ..........................................................................................................29
第四章 矩形盒零件分区压边成形的仿真 ...................................................................31
§4.1 板材成形中的有限元仿真技术概述 ..............................................................31
§4.1.1 板材成形有限元仿真技术的发展 ...........................................................31
§4.1.2 板材成形有限元仿真软件的介绍 ...........................................................32
§4.2 矩形盒零件拉深成形仿真模型的建立 ..........................................................33
§4.2.1 毛坯材料参数的选取 ................................................................................33
§4.2.2 毛坯尺寸的确定 ........................................................................................34
§4.2.3 CAD 模型的建立 ...................................................................................... 36
§4.2.4 有限元模型的建立 ...................................................................................37
§4.3 矩形盒零件整体压边成形的仿真 ..................................................................38
§4.4 矩形盒零件分区压边成形的仿真 ..................................................................41
§4.4.1 均匀试验设计 ...........................................................................................41
§4.4.2 矩形盒分区压边拉深成形的均匀试验设计 ...........................................42
§4.4.3 矩形盒分区压边力大小的确定 ...............................................................45
§4.5 结合变形特点的分区方式 ..............................................................................46
§4.6 本章小结 ..........................................................................................................48
第五章 矩形盒零件分区压边回弹的仿真 ...................................................................49
§5.1 回弹的力学机理 ..............................................................................................49
§5.2 影响回弹的因素 ..............................................................................................51
§5.3 矩形盒件回弹的有限元仿真 ..........................................................................51
§5.3 本章小结 ..........................................................................................................54
第六章 矩形盒零件分区压边成形的实验研究 ...........................................................55
§6.1 矩形盒分区压边拉深实验系统介绍 ..............................................................55
§6.2 矩形盒分区拉深实验结果与分析 ..................................................................57
§6.3 本章小结 ..........................................................................................................66
第七章 结论与展望 .......................................................................................................67
§7.1 结论 ..................................................................................................................67
§7.2 展望 ..................................................................................................................68
参考文献 .........................................................................................................................69
在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 .............................................................73
致谢 .................................................................................................................................74
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源及研究意义
§1.1.1 课题来源
本课题是来源于上海市高等学校科学技术发展基金项目：分区变压边力液压
拉深垫及其测控系统研究—覆盖件分区压边冲压成形仿真研究。
§1.1.2 课题研究意义
板材冲压成形是金属塑性加工的一种基本工艺方法，它在汽车行业、航空航
天行业、电器行业、仪表行业、轻工及民用产品中有着广泛的应用。板材的成形
技术在一定程度上也反映出一个国家或者地区的工业现代化水平。
在板材成形过程中，影响板料成形质量的因素有很多，如：压边力的大小、
凸模凹模圆角半径的大小、摩擦润滑条件、凸凹模之间的间隙、材料的力学性能
以及坯料的形状等等。这其中，压边力的大小和合理分布对板料成形质量和成形
极限的影响非常明显，压边力也是最易于调节和控制的。对于需要压边力的工艺
（主要是拉深和胀形及其复合变形），压边力的主要作用是在变形过程中产生摩擦
阻力，增大径向拉应力以控制板料的流动趋势，同时减少周向压应力并在厚度方
向上支撑以防止皱曲的产生。一般来说，如果压边力过小，无法有效控制材料的
流动，板料容易产生皱曲；而如果压边力过大，材料不易流入凹模，板料容易产
生破裂，同时，模具和板材表面受损的可能性也有所增大，严重时更会影响模具
的使用寿命和板材的成形质量。对于一些结构形状非常复杂的成形件， 如汽车车
身覆盖件之类的零件，如果同样在板料周围施加相同压边力，这样可能会使有些
区域产生破裂，而同时有些区域产生皱曲；有时，很难将整体压边力确定在最大
压边力（防裂压边力）和最小压边力（防皱压边力）之间。这时，就需要采用分
区压边方式：在零件周围不同的部位施加不同的压边力。这种分区压边技术可以
提高板材的成形性能和极限，防止在零件成形过程中产生起皱和破裂，还可以提
高零件的尺寸精度，提高冲压过程的稳定性。
因此，开展这种分区压边力技术的研究不仅可以获得板材成形的新技术，挖
掘板材的成形极限，提高加工生产效率和产品成形性能，降低产品能耗，节约加
工成本；同事还可以丰富板材的冲压成形理论，发展压边力控制理论，这对于实
矩盒形件分区压边拉深工艺研究
2
际生产有着非常重要的实用价值和指导意义。分区压边技术可以广泛应用在航空
航天、汽车行业、仪器仪表、家电、建筑等行业。
§1.2 分区压边技术的国内外研究现状
§1.2.1 压边力数学模型的研究
板材在拉深过程中最常见的两种缺陷是皱曲和破裂。在理论求解塑性压缩失
稳（即皱曲）这类问题时，影响凸缘区域失稳起皱的临界压边力大小的因素有很
多，为了简化计算过程以取得近似的结果，通常采用能量法求解。应用能量法求
解时，只要挠度曲线选择适当，即使所选曲线并不完全符合实际情况，也可以得
到比较接近的解答，而且误差范围也很小。
K.Manabe 等[1]人运用塑性理论模型，得出了各向异性板材的破裂极限（小）
压边力和起皱极限（大）压边力的理论计算公式，可以由这两个公式直接求解得
到近似的合理压边力控制区间。
王仲奇等[2]以盒形件的成形为研究对象，考虑了剪应力的整体影响，并引入应
变松弛因子（m），同时又考虑板材的厚向异性及其应变强化，利用解析方法得出
了盒形件在变压边力的成形中，其凸缘区域的应力变化及其分布规律；并在此基
础上，结合分散性失稳理论，求解出了盒形件在分区变压边力成形过程中出现侧
壁破裂和底部破裂的判别条件，并对这两种情况，分别推导出了其极限压边力的
计算公式并加以实验验证[3]；随后，王仲奇在以上研究的基础上，提出了凸缘直边
区和圆角区二维起皱变位函数，以能量原理为依据，同时考虑了板材的厚向异性、
板材厚度变化和摩擦等因素，分别出解出了直边区、圆角区凸缘起皱的临界压边
力计算公式[4]。
施于庆和李凌丰[5]也对矩形盒拉深件的压边力进行了研究。他们先是得出了圆
筒件的压边力计算公式，然后把矩形盒零件的凸缘分为直边和圆角两类，将直边
部分视为半径无限大的圆筒件，圆角部分视为相同半径的圆筒件，以此近似得出
矩形盒零件的所需的压边力，得到了很好的拉深效果。
雷君相利用变形区“多余三角形材料皱曲模型”和防皱压边力，导出了各阶
临界切向压应力式和凸缘变形区中最大切向压应力式，求解出了正多边形零件[6]、
圆筒形零件[7]及圆锥形零件[8]在成形过程中凸缘的应力变化，进而给出了该类零件
皱曲、破裂的极限预报。
在上述这些对压边力数学模型的研究中，学者们所求得的计算公式，对于形
第一章 绪论
3
状简单的零件，在实际生产中也常常会用到，但相对来说这些公式所考虑的因素
还比较少，难以准确计算压边力大小，而要得到考虑因素全面的公式非常困难。
事实上，影响压边力大小的因素有很多。尤其是对于那些形状复杂、不规则
的成形件，想要利用数学方式得到其准确的压边力计算公式是不现实的，在理论
分析时，一般做了很多假设以简化推导。随着科学技术的不断发展和先进设备的
不断更新，对于压边力准确控制的需求将在以后的航空航天、汽车行业越来越明
显。对于压边力数学模型的研究很可能会发展成分区压边技术中的核心问题之一，
所以从研究的角度看，如何得到更精确地防皱曲压边力公式仍是需要努力地方向
之一。
§1.2.2 压边力控制技术的研究
国外学者很早便开始了对板材成形过程中压边力控制技术的研究。
Havranek[9]在1975 年就提出了板材在的变形在起皱和破裂之间存在一个安全
区域，当材料的变形程度超过这一区域就会发生皱曲和破裂，无法安全成形。根
据这一安全区理论，Hardet 和Lee 两位学者[10]利用两套闭环控制系统为零件成形
提供了足够大的压边力，从而避免了由于成形中出现的非正常偏斜变形而引起的
起皱，但是这种方法并没能避免破裂。
i) 恒压边力 ii） 渐减压边力 iii） 渐增压边力
图1-1 不同压边力曲线的成形结果
Figure 1-1 Forming result under different BHF curve
随后国外对压边力控制技术的研究从传统的恒压边力进入到了变压边力成形
的研究。1983 年德国学者 Mustafa A. Ahmetoglu[11]提出了利用多点控制的压边力，
他把压边力设计成随拉深行程和位置变化的函数，这种方法大大提高了不规则零
件的成形性能和质量，并对此进行了试验验证。
意大利学者 L. Fratini 和F. Micari[12]以轴对称零件为研究对象，选用不同的材
摘要：

摘要板材冲压成形是金属塑性加工的一种基本工艺方法，它在汽车行业、航空航天行业、电器行业、仪表行业、轻工及民用产品中有着广泛的应用。在板材成形工艺中，压边力是影响板材成形质量的重要因素之一，同时也是最容易调节和控制的工艺参数。为了研究压边力对板材成形的影响，本文从板材拉深理论基础入手，对典型零件的拉深特点如圆筒件、圆锥形件等进行了详细讨论，分析了矩形盒零件的拉深成形特点，研究了其在拉深过程中材料的转移情况和容易发生的问题。然后文章进一步以正多边形盒件为对象，分析了该零件在拉深成形时凸缘变形区的应力分布，给出了不皱曲和不破裂的成形极限预报与控制方法。随后建立了矩形盒零件拉深成形的有限元仿真模型，利...

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