关于拉深模设计中拉深壁起皱的分析

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YCLiao台湾大学机械设计研究所在带有斜度的方形盒和带有阶梯的方形盒的拉深中发生的起皱现象始终在被研究。这两中类型的起皱现象有一种共同的特性：全都发生在相对无支撑、无压边的拉深壁处。在带有斜度的方形盒的拉深中，常受到工序参数的影响，例如：模具的间隙值和压边力等，因此常用有限元模拟的措施来研究分析起皱的发生。模拟的成果表白模具的间隙值越大，起皱现象就越严重，并且增长压边力也不能克制和消除起皱现象的发生。在带有阶梯的方形盒拉深的起皱现象分析中，常通过实际生产中一种近似的几何构造来研究、实验。当凸模与阶梯边沿之间的金属板料在拉深时分布并不均衡，就会在侧壁发生起皱现象。为了消除起皱现象的发生，一种最优的模具设计常采用有限元的措施进行分析。模拟的成果和起皱实验论证了有限元分析的精确性，并且表白了在拉深模具设计中使用有限元措施分析的优越性。核心词:侧壁起皱；拉深模；带有阶梯的方形盒；带有斜度的方形盒一、简介起皱是金属板料成形中常用的失效形式之一。由于功能和视觉效果的因素，起皱一般是不能为零件制品所能接受的。在金属板料成形加工中一般存在三种类型的起皱现象：法兰起皱；侧壁起皱和由于残存压应力在未变形区产生的弹性变形。在冲压复杂形状的时候，拉深壁起皱就是在模具型腔中形成的褶皱。由于金属板料在拉深壁区域内相对无支撑，因此，消除拉深壁起皱比克制法兰起皱要难得多。我们懂得在不被支撑的拉深壁区域中材料的外力拉深可以避免起皱，这可以在实践中通过增长压边力而实现，但是运用过大的拉深力会引起破裂失效。因此，压边力必须控制在一定的范畴内，一方面可以克制起皱，另一方面也可以避免破裂失效。合适的压边力范畴是很难拟定的，由于起皱在拉深零件的中心区域以一种复杂的形状形成，甚至主线不存在一种合适的压边力范畴。为了研究起皱的因素，Yoshida et al.发明了一种实验，即：一张薄板延着对角的一种方向进行不均匀拉深。她们还提出了一种近似的理论模型，起皱的初始是由于弹性变形导致横向压力发展成为不均匀的压力场。Yu et al.用实验和理论分析的措施来研究起皱问题。她们发现根据她们的理论分析，起皱发生在两个环形的起伏处，并且实验成果指出了46处起皱。Narayanasamy和Sowerby通过圆锥形凸模和半球形凸模的拉深来研究金属板料的起皱。同步，她们也试图整顿避免发生起皱的特性参数。这些实验都仅仅环绕在与简朴形状成形有关的起皱问题上，例如：一种圆形的盒件等等。在20世纪90年代初期，3D动态有限元措施的应用成功，使得解决金属板料成形复杂形状的起皱现象的分析变成了也许。目前，研究人员都使用3D有限元措施来分析带有斜度的方形盒和带有阶梯的方形盒零件拉深时在拉深壁处由于金属板料流动引起的褶皱以及在成形过程中的参数的影响因素。一种有斜度的方形盒，如图1（a）所示，盒形件的每一种倾斜的拉深壁都与圆锥盒形件相似。拉深成形过程中，在拉深壁处的金属板料是相对无支撑的，因此，褶皱是倾斜的。在目前的研究中，多种有关起皱的成型过程参数都被研究。在带有阶梯的方形盒件的研究中，如图1（b）所示，观测到了另一种类型的起皱。在目前的研究中，为了得出分析的效果，实际生产用阶梯形构造的零件来研究。使用有限元措施可以分析出起皱的因素，并且可以使一种最优的模具设计消除起皱现象。有限元分析使得模具设计在实际生产中更为合理化。（a）带有斜度的方形盒件（b）带有阶梯的方形盒件图1二、有限元模型模具的几何构造（涉及凸模、凹模、压边装置等等），通过使用CAD和PRO/ENGINEER来设计。使用CAD将3个节点或4个节点形成壳形的单体，进而在模型上形成网格体系。使用有限元模拟，模型被视为是刚性的，并且相相应的网格仅仅可以定义模型的几何形状，不能对压力进行分析。使用CAD所建立的4个节点的壳形单体可觉得板料创立网格体系。图2给出了模型完全建立时的网格体系和用以成形带有斜度的方形盒件的金属板料。由于对称的因素，仅仅分析了零件的1/4。在模拟过程中，金属板料放在压边装置上，凹模向下移动，夹紧板料。凸模向上移动，拉深板料至模具型腔。 为了精确的完毕有限元分析，金属板料的实际压力拉力的关系需要输入有关的数据。从目前的研究来看，金属板料的深拉深的特性参数已经用于模拟。一种拉深的实验已经用于样品的生产，并且沿着压延方向和与压延方向成45和90的方向切断。平均的流动压力可以通过公式=（0+245+90）/4，计算出来，进而精确测量出实际拉力，如图3所示，以用于带有斜度的方形盒件和带有阶梯的方形盒件的拉深。目前研究中的所有模拟都在SGI Indigo2工作站使用有限元可调拉深程序完毕。完毕了用于模拟所需数据的输入（假定凹模速度为10m /s，并且平均摩擦系数为0.1）。图2 有限元模拟的网格体系实际压力（GPa）图3 金属板料的实际压力拉力的关系实际拉力（mm/mm）三、带有斜度的方形盒件的起皱一种带有斜度的方形盒可以给出草图的有关尺寸，如图1（a）所示。从图1（a）可以看出方形凸模顶部每边的长度为2Wp，凹模口部长度为2Wd以及拉深高度H影响起皱所考虑的核心性尺寸。凹模的口部尺寸与凸模顶部尺寸差值的一半为凸模的间隙，即：G=WdWp。拉深壁处金属板料相对无支撑的限度也许取决于凸模的间隙，并且增长压边力也有也许克制起皱现象的发生。在有斜度的方形盒拉深中，与发生起皱有关系的两个参数凸模间隙和压边力，她们对起皱的影响也正在研究之中。3.1.凸模间隙的影响为了研究凸模间隙对起皱的影响，目前分别用凸模间隙为20mm，30mm和50mm的带有斜度的方形盒进行拉深模拟。在每次模拟拉深中，凹模口部尺寸为200mm固定不变，并且拉深高度均为100mm。在3次模拟中，均使用尺寸为380mm380mm的方形板料，且板料厚度均为0.7mm，凹模对板料的压力拉力关系，如图3所示。图4 带有斜度的方形盒件的褶皱模拟图（G=50mm）模拟成果表白：三个有斜度的方形盒均发生了起皱现象，图4给出了凸模间隙为50mm的方形盒的形状。从图4可以看出，起皱分布在拉深壁处，并且拉深壁邻近的拐角处起皱现象尤为严重。经分析，在拉深过程中，起皱是由于拉深壁处存在过大的无支撑区域，并且凸模顶部和凹模口部长度的不同是由于凸模间隙的存在。在凸模顶部与凹模之间的金属板料的延伸变得不稳定，是由于断面压力的存在。在压力作用下，金属板料的无约束拉深是在拉深壁处形成褶皱的重要因素。为了比较三个不同凸模间隙的实验成果，需要引入两个主应力的比值，为min/max, min/max是主应力相对的最小值和最大值。Hosford和Caddell指出，值比临界值更重要，如果起皱发生，那么值越大，起皱现象就也许越严重。如图4和图5的曲线所示，三次不同凸模间隙的拉深模拟，沿MN截面的相似拉深高度处的值。从图5可以看出，在3次模拟中位于拉深壁的拐角处起皱比较严重，在拉深壁的中间起皱比较弱。还可以看出，凸模间隙越大，比值就越大。因此，增长凸模间隙将也许增长带有斜度的方形盒件在拉深壁处起皱的也许性。3.2.压边力的影响众所周知，增长压边力可以协助削弱拉深过程中发生的褶皱。为了研究增长压边力的影响，采用凸模间隙为50mm，不同的压边力数值来对有斜度的方形盒进行拉深起皱的模拟。压边力从100KN增长到600KN，以提供压边力0.33Mpa到1.98Mpa。其她模拟条件和先前的规定保持一致（在模拟当中采用了300KN的压边力）。 模拟成果表白：增长压边力并不能消除拉深壁处起皱现象的发生。如图4所示，在MN截面处的值，和压边力分别为100KN、600KN的拉深相比较，模拟成果指出，在MN截面处的值都是相似的。为了分析两次不同压边力时浮现起皱的不同，从拉深壁顶部到直线MN处，对5处不同高度截面进行了分析，如图4所示，图6给出了所有状况的曲线。从图6可以看出，几种状况截面处的波度是相似的。这就证明压边力与有斜度的方形盒件拉深中的起皱现象无关，由于褶皱的形成重要是由于拉深壁处大面积无支撑区域存在较大的横断面压力，因此压边力并不影响凸模顶部与凹模肩部之间的制件形状的不稳定状况。距离（mm）图5 对于不同凸模间隙在MN截面处的值图6 在不同的压边力状态下，拉深壁不同高度处的横断面线。(a)100KN.(b)600KN.四、带有阶梯的方形盒件在带有阶梯的方形盒件的拉深中，虽然凸模间隙不是这样重要，而在拉深壁处仍然会发生起皱。图1（b）所示为带有阶梯的方形盒件拉深用的凸模，图1（b）给出了拉深壁C和阶梯处D、E。目前，实际生产中始终在研究这种类型的几何构造。生产中，板料的厚度为0.7mm，压力拉力关系从应力实验中获得，如图3所示。这种拉深件的生产是通过深拉深和整形两个工序构成的。由于凸模拐角处的小圆角半径和复杂的几何构造，导致在盒形件的顶部边沿发生破裂，在盒形件的拉深壁处发生褶皱，如图7所示。从图7中可以看出，褶皱分布在拉深壁处，特别在阶梯边沿的拐角处更为严重，如图1（b）所示的AD和BE处。金属板料在凸模顶部的边沿开裂，进而形成破裂，如图7所示。图7 产品上的褶皱和破裂状况图8 模拟产品起皱和破裂的盒形件外形图为了对拉深过程中金属板料浮现的变形现象有更进一步的理解，生产中仍然采用了有限元分析措施。最初的设计已经用有限元模拟完毕。模拟的盒形件外形如图8所示。从图8可以看出，盒形件顶部边沿的网络拉深比较严重，褶皱分布在拉深壁处，这与实际生产中的状况是一致的。小的凸模圆角，例如AB边沿的圆角和凸模拐角A处的圆角，如图1（b）所示，是拉深壁处破裂的重要因素。然而，根据有限元分析的成果，通过加大上述两处圆角可以避免破裂的产生。较大的拐角圆角这种想法通过实际生产加工被验证是可行的。尚有某些实验也是模拟褶皱的。最初时将压边力增长到初始值的2倍。然而，正如和有斜度的方形盒件拉深时获得的结论是同样的，压边力对起皱的影响并不是最重要的。相似的结论是增大摩擦或者增长坯料的尺寸。因此我们得出的结论是：通过增长压边力是不能克制起皱现象的发生的。起皱的形成是由于在某些区域发生多余的金属板料流动，因此应在起皱的区域增长压杆装置来控制多余的金属料流。压杆应加到平行于起皱的方向，以便能有效的控制多余的金属料流。在这种理论分析下，两个压杆应加到拉深壁的临近处，如图9所示以便能控制多余的金属料流。模拟的成果表白：正如所盼望的那样，通过压杆的作用，阶梯拐角处的起皱被控制住了，但是某些褶皱还是存在于拉深壁处。这就表白：需要在拉深壁处设立更多的压杆，以控制多余的金属料流。但是从构造设计的角度考虑，这种构造是不可行的。图9 在拉深壁处增长的压杆在拉深工序中采用有限元分析的长处之一就是可以通过拉深模拟来监视、控制金属板料的形状变形，而这些在实际生产中是不也许做到的。在拉深过程中，仔细地看金属板料的流动，可以看出金属板料一方面由凸模拉深进凹模腔内，直到金属板料到阶梯边沿DE处时，褶皱才开始形成。褶皱的形状如图10所示。有限元分析还可觉得模具设计的改善提供有关的数据信息。 图10 金属板料接触阶梯边沿时形成褶皱图11 切断阶梯拐角后的外形图图12 凸模设计修改后的外形模拟图最初推断发生起皱的因素是由于凸模拐角圆角A处和阶梯拐角圆角D处的金属板料不均匀、不稳定拉深形成的。因此，模具应设计成在阶梯拐角处切断一部分，如图11所示，以有助于改善拉深条件。通过增长阶梯边沿而使板料均匀、稳定的拉深。然而在拉深壁处还是存在起皱现象。成果指出：起皱的因素是由于凸模顶部边沿和整个阶梯边沿的板料不均匀、不稳定的拉深，这与凸模拐角和阶梯拐角不同。毫无疑问，模具的设计构造应有两处需要调节，一处是切断整个阶梯；另一处是增长拉深工序，使用2次拉深可以获得盼望的形状。如图12所示，是这种成形措施模拟出的外形。如果较低的台阶被切断清除，那么这种盒形件的拉深就与矩形盒件的拉深十分相似，详见图12。从图12可以看出，褶皱被清除了。在两次拉深过程中，金属板料一方面拉深成较深的台阶，如图13（a）所示。因此，较低的阶梯是在第二次拉深工序中形成的，此时，可以获得我们所盼望的外形，如图13（b）所示。从图13（b）中可以清晰地看出，带有阶梯的方形盒件通过两次拉深被制作出来，并且没有褶皱。在两次拉深工序中，如果假想使用相反的顺序拉深，较低的阶梯一方面成形，然后再拉深成较高的台阶，那么在较深台阶的边沿处，如图1（b）AB处，容易形成破裂现象，由于凹模中在较低阶梯处的金属板料很难流动。有限元模拟分析指出要想获得抱负的带有阶梯的方形盒件，使用一次拉深几乎是不也许成功的。然而，使用两次拉深则增长了生产成本，由于模具成本和制导致本增长了。为了维持较低的生产成本，设计师对盒形件外形做了合适的修改，并且根据有限元模拟的成果，修改了模具，切断清除了较低的阶梯，如图12所示。修改之后，拉深模制造出来了，并且盒形件消除了褶皱问题，如图14 所示。盒形件的外形也与用有限元模拟所获得的外形效果同样好。图13 （a）第一次拉深工序 （b）第二次拉深工序图14 消除褶皱后的产品图为了更进一步验证有限元模拟的结论，将从模拟的成果中获得的截面GH处的板料厚度的分布状况与实际生产中的状况进行比较。比较状况如图15所示。从图15的比较状况可以断定：通过有限元模拟的厚度分布与实际生产的状况基本上一致。这就证明了有限元分析措施的有效性。厚度（mm）距离（mm）图15 模拟与实际生产中，GH截面处的板料厚度分布比较图五、简要论点及结束语在拉深过程中发生的两种类型的褶皱通过有限元分析研究以及对起皱因素做的实验，最后发现了克制起皱的措施。第一种类型的起皱出目前带有斜度的方形盒件的拉深壁处。在凹模口部的高度尺寸和凸模顶部的高度尺寸等因素中，起皱的发生归因于较大的凸模间隙。较大的凸模间隙会导致拉深到凸模顶部与凹模肩部的金属板料处产生较大的无支撑区域，而金属板料较大的无支撑区域是形成起皱的最后因素。有限元模拟表白这种类型的起皱是不能通过增长压边力而克制的。另一种类型的起皱发生在实际生产中带有阶梯的几何构造的方形盒件中。研究发现虽然凸模间隙影响不是很重要，起皱还是会发生在阶梯上面的拉深壁处。根据有限元分析，起皱的因素重要是由于凸模顶部和台阶边沿之间的不均匀拉深导致的。为了避免起皱，在模具设计中使用有限元模拟做了某些实验，实验最后拟定的最优设计就是将阶梯清除。修改后的模具设计生产出了无缺陷的盒形零件。模具分析的成果和实际生产所获得的结论证明了有限元分析的精确性和使用有限元模拟的有效性。因此可以说：有限元措施可以取代老式的实际生产实验的昂贵的措施。 鸣谢：