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    机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 48 卷第 22 期 2012 年 11 月 Vol.48 No.22 Nov. 2012 DOI 10.3901/JME.2012.22.072 盒形件固体颗粒介质板材成形工艺研究*董国疆 赵长财燕山大学机械工程学院 秦皇岛 066004 摘要 固体颗粒介质板材成形工艺是采用固体颗粒微珠代替刚性凸 凹 模 或弹性体、液体 的作用对板材拉深成形的新工艺。选用非金属固体颗粒介质 GM 颗粒作为研究对象,以固体颗粒介质在高应力水平下的体积压缩试验和摩擦强度试验为基础,应用散体力学理论中扩展的 Drucker-Prager 线性模型构建固体颗粒介质有限元材料模型。以具有非轴对称性的方盒形件为代表,进行固体颗粒介质成形工艺的有限元模拟,研究成形过程中板材的流动特征和壁厚分布规律。工艺试验成功得到方盒形零件,将加载曲线、成形过程变形特征和壁厚分布曲线与数值模拟结果比对较为吻合。分析表明,采用以散体力学为基础建立的固体颗粒介质材料模型进行工艺模拟,能够得到与试验较为接近的变形特征和力能参数,可以应用于制定工艺方案的依据,为该技术在板材成形中的应用起到指导和借鉴作用。 关键词 固体颗粒 拉深 板材 数值模拟 中图分类号 TG386 Study on the Forming of Box-shaped Parts Based on Solid Granule Medium Forming DONG Guojiang ZHAO ChangcaiCollege of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004 Abstract Solid granule medium formingSGMF is used for sheet metal deep drawing, where solid granule microsphere replaces the rigid punch or female dieor elastomer, liquid. Certain non-metallic granulesNMG are selected as the research subjects. On the basis of the volume compression experiments and the ones of friction strength test, with both at a high stress level working on the solid particles medium, The finite element model of solid particles medium materials is constructed by the extended Drucker-Prager linear model in powder mechanics. The square box-shaped parts of non-axial symmetry is taken as an example, numerical analysis in respect of forming process of SGM is conducted; the flow characteristics of sheet and the wall thickness distribution law in the forming process are studied. Typical square box-shaped parts are successfully trial-produced. Loading curves, deformation characteristics in forming process and wall thickness distribution curves are proved in basic agreement with the result of finite element simulation. Studies show that the deformation characteristics and the force parameters, which is closed to the experiments can be generated from the numerical analysis on the SGM material model based on powder mechanic. At the same time, it can be the basis of the process plan which will in turn, play an important role in guiding the further application of the technique in sheet metal forming. Key words Solid granule Drawing Sheet metal Numerical simulation 0 前言*板材软模成形是利用某种材料代替刚性凸模或凹模作为板料成形的传力介质,再用一刚性模具作为凹模或凸模,在传力介质作用下使板料和凸模 国家自然科学基金资助项目 50775197。 20120704 收到初稿, 20121018收到修改稿 或者凹模形面贴合,从而形成凸模或凹模形面所约束的形状。板材软模成形根据传力介质物态特性的不同,主要分为三种类型以橡胶、聚氨酯等弹性材料为介质的固态软模成形;以液态的水、油或压缩空气为介质的液 气 态软模成形;以粘塑性材料为介质的半固态软模成形。与传统的板材冲压方法相比,软模成形具有模具制造成本低、周期短,成形零件表面质量好、形状复杂以及回弹小、起皱小月 2012 年 11 月 董国疆等盒形件固体颗粒介质板材成形工艺研究 73 等优点,属于板料柔性成形技术范畴。板料柔性成形技术近年来得到了长足发展和广泛应用,逐渐成为薄壁零件制造的主流技术之一[1-3]。 采用橡胶和聚氨酯等固态弹性体作为传力介质的板材软模成形工艺发展较早[4-5], 但固态弹性体的流动能力及变形能力有限,不易实现压力的控制以及对零件的合理包络,难以成形落差较深或具有局部小半径曲面的复杂零件。近年来,以充液拉深成形和黏性介质压力成形为代表的板材软模成形技术得到了迅速发展。 ZHANG 等[6-8]采用充液拉深成形技术试制了铝合金筒形、镁合金手机壳和不锈钢数码相机外壳,结合有限元模拟分析了液压加载与凸模运动的不同匹配关系对成形结果的影响;LANG 等[9-10]提出的具有均匀压边力并轴向加压的板材充液柔性成形技术,对初始液压加载状态、液压加载最优路径、破裂控制等关键技术进行了研究和优化;王会廷等[11-12]提出液体辅助压边周向充液拉深技术,通过试验建立极限拉深比和增压比的成形区域,得到拉深比为 2.86 的铝合金 2A12O 杯形件;刘晓晶等[13-14]深入研究初始反胀压力控制和可控径向加压等充液拉深成形技术成果显著,得到5A06 铝合金深球底筒形件的拉深比达到 2.8。WANG 等[15-17]通过大量的黏性介质性能测试和黏性介质压力成形工艺试验,充分证明了该工艺的可行性和先进性,为该工艺的实际应用奠定了坚实的理论基础。 固体颗粒介质成形工艺 Solid granule medium forming, SGMF[18]是一种板材软模成形新技术。该工艺与现有软模成形重要区别在于传压介质改变而导致工艺实现和成形规律与众不同。固体颗粒介质板材成形工艺原理见图 1。固体颗粒介质依据工艺需求选用直径在 0.05~ 2.00 mm 范围内的球形的金属或非金属颗粒。固体颗粒介质具有良好的填充能力和流动性能,且化学稳定性好,对工件无腐蚀。采用耐高温颗粒介质,可克服一般介质在高温条件下密封和加载难题。成形过程中,颗粒介质始终包覆在板材表面,与板材间显著的摩擦作用能够使成形零件壁厚均匀,从而提高板材的成形性能。工艺实现简便,成形工件具有表面质量好、贴模性好、精度高等优点。固体颗粒介质成形工艺为材料的加工和制备提供了新的方法和手段,具有广阔的应用前景。 本文以固体颗粒介质在高应力水平下的体积压缩试验和摩擦强度试验为基础,应用散体力学理论中扩展的 Drucker-Prager 线性模型构建固体颗粒介质有限元材料模型。以具有非轴对称性的方盒形零件为研究对象,进行基于固体颗粒介质的板材成形工艺的有限元分析,研究工艺参数对板材流动的影响。通过工艺试验,验证有限元模型的可靠性和工艺的可行性,为本工艺的实际应用奠定基础。 图 1 固体颗粒介质板材成形工艺原理图 1 固体颗粒介质成形工艺数值模拟 1.1 固体颗粒介质材料模型建立 本文采用 ST12 板材试制方盒形工件,选用非金属固体颗粒介质 GM 颗粒作为研究对象。 GM颗粒的主要成分为 ZrO2质量分数为 68、 SiO2质量分数为 32,洛氏硬度达到 48~ 55 HRC,外观光洁圆整,属于无黏性材料,即粘聚力为零。 GM颗粒介质为散粒物料,在板材成形工艺中主要表现以下几点特征。 1 颗粒体作为压力传递媒介,在成形过程中与板材耦合变形,表现为三向压应力状态,并产生一定的体积压缩,称为剪缩性。 2 颗粒介质属于摩擦型材料,特性为抗剪强度随着法向压力的增大而增强,此屈服条件与金属材料明显不同,表现为压硬性。 3 颗粒介质与板材存在显著的摩擦作用,其摩擦因数变化与接触压力具有相关性。 建立固体颗粒介质的材料模型需要准确反映其散粒体物料特殊的力学特性,才能得到与工艺实际相近的结果。在高等土力学中常用平均主应力 p、等效切应力 q 和第三应力不变量 r 来描述颗粒体的屈服特征[19],即 12313p   1 1222212 23 3112q     2 1392ij jk kirsss 3 机 械 工 程 学 报 第 48 卷第 22 期 期 74 式中,1 、2 、3 为主应力,ijs 、jks 、kis 为应力偏张量。当应力状态为1230  ,应力不变量  1323p  13q   331r   4 有限元分析软件 ABAQUS 提供了非常丰富的材料本构模型,其中扩展的 Drucker-Prager 线性模型能够体现材料的压硬性,表现为屈服强度与围压相关,压缩屈服强度远大于拉伸屈服强度,适用于散粒体物料等摩擦型材料。扩展的 Drucker-Prager线性模型为[20]tan 0Ftp c  5 式中, c 为材料的粘聚力, 对于非黏性颗粒材料 c0;β 为 GM 颗粒线性屈服轨迹在应力平面上的倾角,称为 Drucker-Prager 模型摩擦角; t 为偏应力参数,表达屈服面在 π 平面上的圆度,即 311 12rtKKq6 式中, K 为三轴拉伸屈服应力与三轴压缩屈服应力之比,控制屈服面对中间主应力值的依赖性。 为研究固体颗粒介质的力学性能参数,课题组开展了大量试验工作[21-23],通过摩擦性能试验得到GM 颗粒正应力 σ 与切应力 τ 的关系曲线,如图 2所示。 图 2 GM 颗粒正应力与切应力的关系曲线 由图 2 可见,正应力与切应力的数据关系可用线性方程精确拟合,这与 Mohr-Coulomb 屈服准则假设吻合,即 tanc  7 式中, φ 为材料的 Mohr-Coulomb 模型内摩擦角。将试验数据采用最小二乘法拟合为线性方程,可得Mohr-Coulomb 模型参数,见表 1。 表 1 GM 颗粒 Mohr-Coulomb 模型参数 GM 颗粒 粒径 /mm 线性拟合方程 摩擦角 / 30.084~ 0.104 τ0.24σ 13.5 50.117~ 0.140 τ0.26σ 14.4 80.221~ 0.318 τ0.31σ 17.2 对于摩擦角较小的材料, Mohr-Coulomb 模型和扩展的 Drucker-Prager 线性模型参数可匹配为[20]6sintan3sin8 3sin3sinK9 对于粒状材料,扩展的 Drucker-Prager 线性模型在 p-t 平面上通常采用非相关联流动法则,塑性流动势 G 在线性模型中其表达式为 tanGtp   10 式中, ψ 为 p-t 平面上的剪胀 缩 角。文献 [24]从理论分析和极限分析有限元法验证了非相关流动法则剪胀角 ψβ/2,能够较为准确地反映材料在剪切过程中体积变化特征。 通过体积压缩试验[21]得到 GM颗粒的平均主应力 p 与体积应变 εv的关系曲线,表现为高压状态下的硬化曲线可用线性方程较为精确的拟合,见图 3。 图 3 GM 颗粒平均主应力 p 与体积应变 εv关系曲线 综上所述,采用扩展 Drucker-Prager 线性模型,设定 GM 颗粒介质的材料模型参数,如表 2 所示。GM 颗粒介质采用 8 节点线性六面体缩减积分单元C3D8R,应用网格自适应技术。 表 2 GM 颗粒 Drucker-Prager 模型参数 GM 颗粒 β/ K ψ/ 硬化曲线方程 326.9 0.856 13.45 p926.86εv528.8 0.847 14.40 p770.44εv833.3 0.820 16.65 p465.62εv1.2 成形工艺有限元数值模型建立 GM 颗粒介质和板材界面接触摩擦对于板材的变形影响显著,在模拟中必须建立精确的摩擦接触条件才能准确地反映成形特点。通过摩擦性能试 验[21]得到了不同粒径 GM颗粒与板材间随压力变化的滑动摩擦因数 w曲线,如图 4 所示。数值模型采用罚函数方式实现接触面相对滑动的顺畅,接触类型选用面 -面接触。 颗粒介质与变形板材的摩擦因数根据图 4 设定与接触压力相关。板材与模具间接触摩擦因数设定为 0.05。 板材为 ST12,板厚 δ0.8 mm,沿壳的厚度方 月 2012 年 11 月 董国疆等盒形件固体颗粒介质板材成形工艺研究 75 图 4 GM 颗粒与板材间滑动摩擦因数曲线 向设定 7 个积分点,其本构关系采用幂指数硬化模型,即 0.242518.79 11 凹模、压头、料仓和顶料杆等模具部件均视为刚性体,建立 1/4 分析模型,如图 5 所示。 图 5 固体颗粒介质板材成形工艺数值模型 2 有限元数值模拟与分析 以方盒形零件为典型零件,进行板料成形试验。设计零件形状及尺寸如图 6 所示。零件相对角部圆角半径 R/B0.182,相对厚度 δ/B0.0070.01,相对高度 h/r10。板材为 ST12 拉深钢板,初始板料厚度 δ00.8 mm。 图 6 方盒形零件图 由平板毛坯拉深盒形件时,直边相当于弯曲变形,圆角相当于圆筒拉深。但由于直边与圆角相连成为一个整体,变形时相互制约,形成了盒形件拉深变形的特征。工程实践表明,平板拉伸时直边区域板料流入凹模的速度比圆角区域的快,从而圆角的金属向直边流动,使直边区域产生横向压缩,毛坯在两区域交界处产生剪切变形和切应力,其影响程度主要与相对圆角半径 r/B 有关。因此,在确定毛坯尺寸和几何形状时,必须考虑圆角区域板材的转移。通过不断的模拟修正,本文最终板坯形状尺寸如图 7 所示。 图 7 板坯零件图 对于常温普通钢板成形固体颗粒介质的选择主要考虑以下因素。 1 摩擦作用。试验研究表明[15-17]黏性介质与板材的粘着力作用有利于板材流入凹模,从而提高板材的成形性能。 GM 颗粒与板材间的摩擦力作用更为显著,且随粒径的增大而增强。 2 体积压缩率。 GM 颗粒材料性能试验显示,粒径增大导致承载后体积变化率增大,较大的体积变化率会加大压头加载行程。 3 颗粒粒径与压边间隙。本文采用设定压边间隙的控制方式,即压边间隙在拉深过程中保持不变。压边间隙的确定跟成形工艺相关,但主要取决于初始板厚。 综合以上因素,根据本文设计的方盒形工件特征,可选用粒径为 0.117~ 0.140 mm 的 5GM 颗粒作为传力介质。压边间隙设定为 1.125δ00.9 mm。给定上述参数,进行有限元数值分析,得到方盒形零件成形过程中凸缘区域变形状况 图 8, 以及特征截面变形轮廓 图 9。 从图 8 可以看出,直边区域板材流动量明显大于拐角区域,由于拐角区域比直边部分的材料流动慢,容易造成盒形件在拐角处产生破裂,因此控制材料均匀流动,是保证盒形件顺利拉深成形的关键因素。本文采用的坯料形状,相对于一般的圆形和正方形板坯,有效地减小了拐角区域板材的流动阻力,抑制直边区域板材的流动,从而减小零件壁厚差,提高零件成形质量。图 9 表明,板材成形过程中,自由拉胀区域截面近似球冠,球顶先与底面贴 机 械 工 程 学 报 第 48 卷第 22 期 期 76 图 8 成形零件凸缘变形状况图 mm 图 9 成形过程零件截面变形图 模,逐步形成底部圆角,拐角区域的底部圆角为难成形区。 数值模拟得到成形工件壁厚分布云图, 如图 10所示。成形工件壁厚最薄区域为 c 点所处位置,板材减薄至 0.57 mm;最厚区域为凸缘区域,基本等于压边间隙 0.9 mm。 绘制工件减薄显著地特征区域a、 b、 c 的厚度变化历程曲线,如图 11 所示。 图 10 成形工件壁厚分布云图 mm 图 11 成形工件特征区域的厚度变化历程曲线 对比图 9 和图 11 可知, 当成形压力小于 165 kN时,板材未与底面贴模,特征点 a、 b、 c 处板材处于自由拉胀阶段,厚度随成形的发展逐渐减薄, a点处板材减薄最为严重。进入Ⅱ区,板材逐步与底面贴模,当成形压力达到 300 kN 时, a 点处厚度不再变化, b、 c 点继续向方盒底角移动。 c 点处最后成形,成为零件的最薄弱区域。图 9 中展示了特征点 a、 b、 c 成形移动轨迹,方盒形件底面基本由自由拉胀区板材成形。 3 固体颗粒介质板材成形工艺试验 根据固体颗粒介质板材成形工艺原理图本文月 2012 年 11 月 董国疆等盒形件固体颗粒介质板材成形工艺研究 77 设计制造了试验模具。试验压力设备选用 2 000 kN试验液压机,内滑块 1 200 kN,外滑块 800 kN,内外滑块均可采集压力和位移数据信号。板材拉深过程中,通过压边圈和凹模对坯料凸缘部分施加约束力,以防止起皱而导致拉深过程失败。本文采用设定压边间隙的控制方式,压边间隙通过刚性垫片设置和调整。 板材与模具润滑选用 337润滑油 1∶ 3稀释。传力介质采用 5GM 颗粒。板材为 ST12 拉深钢板,初始厚度 δ00.8 mm,板坯形状尺寸如图 7 所示。试验得到成形加载曲线如图 12 所示。 图 12 成形加载曲线试验与模拟对比图 成形加载曲线表明,自由拉深阶段与底部贴模阶段存在较为明确的分界点, 如图 12 中模拟曲线的A 点和实测曲线的 C 点。当压头压力达到 AC点之前,板材处于自由拉伸阶段,成形力较低且比较平缓,介质压力接近 21.5 MPa。当工件进入底部贴膜阶段,并逐步形成底部圆角,成形压力迅速提高,介质压力达到 150 MPa。图 12 显示,实测加载曲线与模拟曲线对比较为吻合,分界点产生较大误差的原因主要取决于试验填装颗粒体积与模拟给定体积的差异。 试验所用模具未限制零件的底部圆角形状,终成形工件直壁与底面过渡圆角半径的最小值达到了5 mm,但侧壁圆角与底面过渡区域弧线较大,如图13 所示。 a 方盒形零件照片 b 方盒形零件不同成形阶段照片 图 13 零件照片 方盒侧壁圆角对板材拉胀变形区的几何形状产生了显著而影响。成形初期,拉胀变形区呈现一球冠并与侧壁圆角 R、凸缘圆角 r 光滑过渡。随着成形的发展,板材首先与侧壁、侧壁圆角贴合,然后拉胀变形区球冠顶部贴模,最后成形底部圆角。试验得到不同成形阶段的方盒形零件与数值模拟得到的几何形状基本一致,证明了本文构建的数值模型所反映的固体颗粒介质与板材耦合变形特征与实际工况吻合。 试验测量了不同成形阶段工件的壁厚分布曲线,并与采用相同工艺参数的数值模拟工件壁厚曲线比对,如图 14 所示。数值模拟和试验测试结果均显示,方盒形零件底部圆角减薄最为严重,沿 OE剖切方向壁厚波动较大。模拟曲线与实测曲线误差较小,证明本文构建数值模型可以用于成形工艺方案制定的依据,为该技术在板材成形中的进一步应用起到一定的指导和借鉴作用。 图 14 试验与数值模拟工件厚度分布曲线对比 4 结论 1 固体颗粒介质板材成形工艺试验研究表明,方盒形零件成形过程可分为自由拉胀和底部贴模两个阶段。 自由拉胀阶段工件底部呈现球冠形状,加载曲线较为平缓;进入贴模阶段,成形力迅速提高,侧壁圆角与底面过渡区域为难变形区,也是成形工件最薄弱区域。以固体颗粒介质在高应力水平下的体积压缩试验和摩擦强度试验为基础,应用散体力学理论中扩展的 Drucker-Prager 线性模型构建固体颗粒介质有限元材料模型。数值模拟与工艺试机 械 工 程 学 报 第 48 卷第 22 期 期 78 验得到的加载曲线、成形工件型面轮廓和壁厚分布曲线的对比验证显示,数值模型较为准确可靠,可应用于制定工艺方案的依据。 2 固体颗粒介质板材成形工艺,实施过程简单,介质密封容易实现,成形压力建立简便,成形工件具有表面质量好等优点。 采用耐高温颗粒介质,可克服一般介质在高温条件下密封和加载难题,适用于形状复杂、难变形的高强度合金材料的压力成形。该工艺由本课题组提出,为材料的加工和制备提供了新的方法和手段, 具有极为广阔的应用前景。 参 考 文 献 [1] 王仲仁,滕步刚,汤泽军 . 塑性加工技术新进展 [J]. 中国机械工程, 2009, 201 108-112. 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