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    方盒形件分区压边方式拉深压边力的数值模拟.pdf

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    方盒形件分区压边方式拉深压边力的数值模拟.pdf

    方盒形件分区压边方式拉深压边力的数值模拟黄国权1郝美刚1程 立2(1哈尔滨工程大学 机电工程学院 ,哈尔滨 150001)(2中国电子科技集团公司 第 49 所 ,哈尔滨 150011)The Numerical Simulation of Blank-Holder Force of Square Box Partunder Segmented Blank-Holder ModeHUANG Guo-quan1, HAO Mei-gang1, CHENG Li2(1College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001China)(2The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 150011, China)文章编号 1001-3997( 2012) 09-0190-03【摘 要 】板料拉深成形是冲压生产中的一种少、无切削的先进加工方法,拉深成形的重要工艺参数之一是压边力,是保证零件成形质量的关键。根据方盒形件的拉深成形特点,将压边圈设计为直边区域、法兰转角区域及直边与转角交界区域的十六块分区压边方式,并对分区压边圈在不同压边力加载模式下进行了模拟分析。分析结果表明对于方盒形件的拉深,将压边圈设计为适当的分区结构、各分区压边圈采取合理的变压边力加载模式可以充分改善板料的成形性能、达到抑制板料起皱和延缓破裂以及提高板料拉深成形质量。关键词方盒形件;拉深;压边力;分区压边方式;数值模拟【Abstract】Deep drawing sheet metal is advanced processing method with little or no cutting instamping production.One of the important parameters in deep drawing process is blank-holder force, whichis the key to ensure the quality of parts.According to the deep drawing characteristics of square box part,the mode of blank-holder is proposed, which is designed into the straight boundary, the corner part of flangeand the sixteen segmented blank-holder mode.The simulation is made on the segmented blank-holder un-der the condition of different blank-holder forces.The analysis simulation results show that as to the designof blank-holder into the appropriate segmented structure, taking reasonable variable blank-holder force ineach segmented blank-holder can give fully play to the sheet metal forming, achieving the effect of inhibit-ing wrinkling in sheet metal and delaying failure and improving the quality of sheet metal deep drawing.Key Words Square Box Part; Deep Drawing; Blank-Holder Force; Segmented Blank-HolderMode; Numerical Simulation中图分类号 TH16; TG386 文献标识码 A*来稿日期 2011-11-141 引言方盒形拉深工件是一种典型的非旋转体零件,拉深成形过程中变形区的应力 、应变的分布比较复杂,沿周边是不均匀分布的 。凸缘处板料发生起皱和危险断面破裂是拉深成形件的主要缺陷 。压边力是抑制板料起皱和延缓破裂的有效方法之一 。近年来国内外许多学者,对工件拉深成形的压边力进行了大量的实验研究和有限元分析[1-6],为复杂形状的拉深工件成形的研究奠定了基础 。传统的压边方式是采用整体压边圈,压边力一般是恒定的 。对于非回转体类零件,例如方盒形件,拉深过程中直边区和圆角区的金属流动速度是不同的,直边区和圆角区的交界附近金属板料的流动是在直边区与圆角区板料流动的耦合下完成的 。通过利用有限元数值模拟方法,对方盒形工件随着位置的不同施加不同的压边力来控制不同区域板料的流动速度,从而达到显著改善方盒形工件拉深板料的成形性能以及提高拉深工件几何尺寸精度的目的 。2 零件结构尺寸零件为带凸缘的方盒形拉深件,外形轮廓,如图 1 所示 。板料为 St13 冲压级冷轧钢板,厚度 t0.8mm,口部圆角半径 ry5mm,底部圆角半径 rg6mm,侧壁圆角半径为 r15mm,零件口部基本尺寸A1B1( 110110) mm,凸缘宽度 Ry20mm,深度 H32mm。研究中,初次毛坯外形尺寸的确定采用文献所提供的经验公式,采用其建立的毛坯外轮廓与文献中的 “八角形毛坯 ”相似,其中,初定最大拉深深度 H32mm。毛坯展开基本尺寸如下rB-H13110-320.167, lHRy-0.43 rgry* *3220-0.43( 56) 49.27mm, R R2y2rH-0.86r rgry* *0.14r2y-r2g* *姨33.28mm计算得到的近似毛坯形状,如图 2 所示 。ABlRbeaRRcfdlr图 1 方盒形工件示意图 图 2 1/4 毛坯基本尺寸图Machinery Design & Manufacture机械设计与制造第9期2012年9月1903 方盒形件拉深有限元模型的建立ANSYSLS-DYNA 取整个模型的 1/4 为研究对象建立有限元模型,虚拟冲压速度为 3000mm/s。模拟过程中,采用 SHELL163 薄壳单元,单元算法选用 Belytschko;材料模型为 TransverseAnisotr-opic;摩擦系数为 0.12。采用的压边圈外轮廓均小于毛坯周边0.8mm。方盒形件拉深有限元模型,如图 3 所示 。其中,采用整体压边圈时的有限元模型,如图 3( a)所示 。随位置变化的分块压边圈有限元模型,如图 3( b)所示 。图 3( a)中 1 为凸模, 2 为整体压边圈 Q1, 3 为凹模 、4 为板料 。图( b) 中 5 为圆角处分块压边圈Q4, 6 为直边与圆角交界区域压边圈 Q3, 7 为直边区域边圈 Q2。2 143765( a) ( b)图 3 方盒形件拉深数值模拟有限元模型4 分区压边圈方式下的数值模拟结果及分析对板料厚度的相对控制目标为最大增厚率 20,最大减薄率 10。4.1 分区压边圈有限元模型鉴于方盒形件拉深成形过程中板料的变形情况将压边圈分成直边部分 、转角部分以及直边与转角的交界区域部分 。最终所采取的分区压边圈有限元模型,如图 4 所示 。4.2 模拟压边力值的计算由参考文献[10]知,初次模拟时的压边力可以采用下面的经验公式进行计算 QqA ( 1)式中 A有效压料面积; q单位面积上的压边力,一般取其为q( 22.5) MPa(对于厚度 0.5mm 的钢板来说) 。数值模拟分析中,各分区压边圈上施加的初始恒定压边力,采用经验公式( 1)进行计算 。各分区的初始有效压料面积的确定是利用 UG NX4.0 建模软件求得,其分别为 1 区的初始有效压料面积为 A1597.4mm2, 2 区的初始有效压料面积为 A2543.2mm2, 3区的初始有效压料面积为 A3903.7mm2。依据经验公式( 1)各分区的初始压边力计算有 F1qA1( 1194.81493.5) N; F2qA2( 1086.31358) N; F3qA3( 1807.42259.3) N。取 F11200N、F21100N、F31900N,进行初始计算压边力下的数值模拟分析 。4.3 各分区压边圈在恒定压边力下的数值模拟结果及分析各分区压边圈在初始恒定压边力下的板料厚度分布图,如图 5、图 6 所示 。从分区压边圈的初始压边力下的数值模拟结果中可以看出结点 “4610”也就是法兰转角与直边的交界区域,板料的塑性流动表现出相对 “较快 ”的特点,致使结点 “6280”即法兰转角靠近肩部圆角附近的板料受到的切向应力过大,这部分材料形成相对 “堆积 ”,这也是法兰转角区板料增厚比较大的原因 。显然需要增加 F2取值 。1237.2279983.8985240.569050-2.760425-6.089899-9.719373-12.748847-16.078321-19.407795-22.737268-26.066744-29.396217-32.725693-36.055164-39.384640474062804610843584618086824980468763748073945561图 4 分区压边圈有限元模型 图 5 所选结点编号及位置1.法兰转角区区域2.法兰转角与直边交界区域3.法兰直边区域THINNING NODE 4610THINNING NODE 6280THINNING NODE 8461THINNING NODE 8116THINNING NODE 7480THINNING NODE 7394THINNING NODE 4740THINNING NODE 8435THINNING NODE 8086THINNING NODE 7763THINNING NODE 8249THINNING NODE 5561100-10-20-30-40Y0 15 30 45 60 75 90Time*E-4图 6 所选节点处板料厚度减薄率随时间变化曲线通过初始计算压边力下的数值模拟结果,如图 5、图 6 所示 。根据初始计算压边力下的模拟结果 。抽取了几种具有代表性的恒定压边力在论文中进行结果分析,如表 1 所示 。表 1 分区压边方式不同恒定压边力加载下厚度变化表压边力( N)F11200 F11200 F11500F21100 F210000 F210000F31900 F31900 F31000最大增厚率( ) 39.38 20.70 19.14最大减薄率( ) 7.23 9.38 10.63压边力( N)F12000 F13000F210000 F210000F31000 F31000最大增厚率( ) 17.37 16.47最大减薄率( ) 12.58 15.58从分区压边圈各不同恒定压边力的数值模拟结果中可以看出直边部分在不同恒定压边力下,直边部分板料的塑形流动情况一直都表现良好,故直边部分的压边力只需保持在能使板料不出现起皱的较小值;法兰直边与转角交界区域的板料塑形流动情况相对比较复杂,这部分的板料起皱最为严重;分区压边圈分别采取适当的恒定压边力,其对板料塑性流动的控制能力比较强 。4.4 各分区压边圈在变压边力下的数值模拟结果及分析分区压边圈且法兰转角区域以及法兰直边与转角的交界区域采用变压边力加载曲线,其对板料的塑性流动控制能力进行数值模拟分析 。同样论文选取本研究中具有代表性的加载曲线进行分析比较,其所采用的变压边力加载曲线方案,如图 7 所示 。图中 F2交界区域的压边力加载曲线; F1转角区域的压边力加载曲线; F3直边区域的压边力加载曲线 。第9期 黄国权等方盒形件分区压边方式拉深压边力的数值模拟 191F2F1、F3压力力(kN)16141210864200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10凸模运动时间( 10-3s)( a) 1 方案压边力加载曲线0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10凸模运动时间( 10-3s)F2F1F3压力力(kN)1614121086420( b) 2 方案压边力加载曲线0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10凸模运动时间( 10-3s)F2F1F3压力力(kN)181614121086420( c) 3 方案压边力加载曲线图 7 各方案压边力加载曲线在图 7 中各压边力加载曲线下的成形结果云图,如图 8 所示 。板料厚度变化,如表 2 所示 。PART P000005-0.50.30.10.10.30.501.000.800.600.400.200.007.8083125.7217403.6351681.548597-0.537975-2.624547-4.711118-6.797689-8.884261-10.970833-13.057405-15.143976-17.230547-19.317120-21.403690CRACKRISKOF CRACKASFEWRINKLETENDENCYSEVEREWRINKLEINSUFFICIENTSTRETCHWRINKLE厚度变化率分布云图 成形极限图( a) 1# 方案压边力加载曲线下成形结果PART P000005-0.50.30.10.10.30.501.000.800.600.400.200.007.8092095.9103994.0115912.1127830.213975-1.684533-3.583642-5.4824507.381258-9.280066-11.178874-13.077682-14.976491-16.875299-18.774107CRACKRISKOF CRACKASFEWRINKLETENDENCYSEVEREWRINKLEINSUFFICIENTSTRETCHWRINKLE厚度变化率分布云图 成形极限图( b) 2# 方案压边力加载曲线下成形结果PART P000005-0.500.300.100.100.300.5001.000.800.600.400.200.00CRACKRISKOF CRACKASFEWRINKLETENDENCYSEVEREWRINKLEINSUFFICIENTSTRETCHWRINKLE7.8140876.0518374.2895882.5273390.765090-0.997159-2.759408-4.521657-6.283906-8.046155-9.808405-11.570654-13.332903-15.095152-16.8574101厚度变化率分布云图 成形极限图( c) 3# 方案压边力加载曲线下成形结果图 8 不同压边力加载曲线下的成形结果表 2 分区压边方式变压边力加载下厚度变化表压边力加载曲线方案 1# 2# 3#最大增厚率( ) 21.40 18.77 16.86最大减薄率( ) 7.81 7.81 7.81从表 2 中可以看出,三种变压边力加载曲线板料的减薄量都比较小,满足性能指标要求; 1# 压边力加载曲线下板料相对初始厚度增厚了约为 21.4,不满足性能指标要求; 3# 压边力加载曲线下,板料的厚度变化相对最小 。从分区压边圈变压边力加载曲线下的数值模拟仿真结果中(如图 7、表 2 所示)可以看出对于板料塑性流动的控制能力,不同压边力加载曲线的优劣排序, 3#>2#>1#。分区压边圈结构中, 3# 压边力加载曲线得到的目标成形结果最理想 。5 结论将压边圈设计为直边部分 、法兰转角部分及直边与转角交界区域的十六块分区压边方式,对方盒形件拉深 。分析了各不同区域采取恒定压边力及变压边力加载模式对方盒形件成形结果的影响,在不同压边方式和压边力加载模式下,方盒形拉深成形件的厚度分布,法兰转角区域及法兰直边与转角的交界区域板料的增厚最为显著 、壁部转角靠近凸模底部圆角附近区域板料的减薄量最大 、直边部分的板料厚度变化很小,相对可以忽略 。流经法兰转角处而形成壁部的板料,其厚度的变化是一个先增厚再减小的趋势 。从研究结果中可以看出,对于外形轮廓比较复杂的拉深件,将压边圈设计成适当的分区结构 、各分区压边圈采取合理的变压边力加载曲线可以更佳充分地发挥板料的成形性能,达到抑制板料起皱和延缓破裂以及提高拉深件成形性能的目的 。参考文献[ 1]孙成智,陈关龙,林忠钦 .利用变压边力控制技术改善盒形件成形性能[ J] .上海交通大学学报, 2003, 37( 12) 1883-1886.[ 2]王书恒,王元勋,陈建桥 .矩形盒拉深时摩擦润滑条件与压边力的有限元分析[ J] .模具技术, 2006( 2) 48-51.[ 3]徐小兵,余小燕 .圆筒件拉深过程中压边力的研究[ J] .设计与研究,2010, 37( 1) 29-31.[ 4] Halil.brahim Demirci, Cemal Esner, Mustafa Yasar.Effect of the blankholder force on drawing of aluminum alloy square cup Theoretical andexperimentalinvestigation[ J] .JournalofMaterialsProcessingTechnology,2008( 206) 152-160.[ 5] D.M.Rodrigues, C.Leito, L.F.Menezes.Amulti-stepanalysisfordetermini-ng admissible blank -holder forces in deep -drawing operations[ J] .MaterialsandDesign, 2010( 31) 1475-1481.[ 6] H.Ibrahim Demirci, Mustafa Yasar, Kemal Demiray et al.The theoreticaland experimental investigation of blank holder forces plate eect in deepdrawingprocessofAL1050material[ J] .MaterialsandDesign, 2008( 29)526-532.机械设计与制造No.9Sept.2012192

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