【導(dǎo)讀】所需成形形狀和性能零件的一種制造工藝。它主要包括沖裁、剪切、彎曲、拉。領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域中占有較大的比例，已逐步發(fā)揮越來越重要的作用。由于腔體類金屬零件的應(yīng)用層面比較廣泛，因此，拉深成形。隨著今后工業(yè)化水平的飛速發(fā)展，沖壓拉深技術(shù)必將得。到更大的發(fā)展和進(jìn)步。藝方法的不斷提高和完善，是板料成形技術(shù)不斷發(fā)展的中心。深、溫差拉深、脈動(dòng)拉深和徑向推力拉深。這樣一來，使得拉深成形零部件幾。據(jù)壁厚變化情況還可以分為一般拉深件以及變薄拉深件。來，數(shù)控液壓氣墊出現(xiàn)后，不再采用雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)作為沖壓線的打頭設(shè)備，壓力機(jī)械形成了柔性沖壓生產(chǎn)單元。此外，在板料成形計(jì)算機(jī)仿真與數(shù)值模擬的研究上，國(guó)外的很多成果已經(jīng)。在每一個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展，都對(duì)板料拉深成形的發(fā)展起到促進(jìn)作用，近年來，另外，考慮到數(shù)碼相機(jī)外殼成形工藝不僅僅停留在拉深成形這一部分，因。整個(gè)工藝的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，都是建立在手工設(shè)計(jì)模具的

　　

【正文】 ORM 建模，為了提高效率減少計(jì)算時(shí)間，在凸模行程一開始，拉深就開始發(fā)生。我們知道，生產(chǎn)實(shí)際中沖頭接觸板料一般都是在沖頭中間行程速度最大的環(huán)節(jié)開始拉深，所以這一點(diǎn)考慮是有道理的，對(duì)模擬的真實(shí)性來說也很重要。綜上所述，決定選擇最大沖壓速度為 10000mm/s，為一余弦曲線的沖壓速度加載條件作為模擬參數(shù)，模擬時(shí)采用的曲線見圖 （ d）所示。 壓邊力 壓邊力的數(shù)值大小和方向作為拉深工藝中重要的工藝參數(shù)，對(duì)拉深件成形質(zhì)量起重要影響。在拉深過程中，持續(xù)的壓邊力過大，容易導(dǎo)致制件產(chǎn)生拉伸失穩(wěn)（局部頸縮、破裂）；持續(xù)的壓邊力過小，又容易導(dǎo)致制件產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)（起皺、變厚）。因此，合理的調(diào)整壓邊力的大小和方向?qū)p少和避免 拉深過程中 可能出現(xiàn)的各種失穩(wěn)有一定的積極意義。 傳統(tǒng)工廠中的壓邊力加載往往通過對(duì)彈簧或橡膠高度與數(shù)量的調(diào)整以得到隨凸模行程線性增加的加載過程，或者通過中間板（限位板）與上模固定板的 23 間距以限定彈簧的壓下量來控制壓邊力的大小 。一般，這類壓邊力的施加，要求在拉深前期做好計(jì)算工作，而且在隨后的生產(chǎn)中還要不斷試模，來調(diào)整壓邊力的大小以保證能夠得到合格的拉深件。這些壓邊方式都有一個(gè)特點(diǎn)，就是在拉深過程中，壓邊力的加載路徑獨(dú)立于板料塑性成形路徑，僅僅和模具行程，模具結(jié)構(gòu)等一些參數(shù)有關(guān)，因此，它們無法針對(duì)板料的成形特點(diǎn)來產(chǎn)生較好的拉深效果，從而不能在拉深過程中及時(shí)的適應(yīng)板料成形特點(diǎn)，這也是傳統(tǒng)壓邊力往往不能很好的滿足拉深零件成形要求的一個(gè)原因。論文將通過板料成形有限元數(shù)值模擬這一工具，分析研究壓邊力以波動(dòng)的形式作用于板料拉深過程中所產(chǎn)生的 影響和效果，考慮到由于壓邊力的波動(dòng)可以帶來摩擦阻力的波動(dòng)，從而會(huì)對(duì)一些成形關(guān)鍵部位，失穩(wěn)集中發(fā)生區(qū)域產(chǎn)生一定的影響；同時(shí)壓邊力的波動(dòng)頻率可以提供間斷的作用時(shí)間，在間斷的作用時(shí)間內(nèi)，存在半周期的時(shí)間表現(xiàn)為壓邊力顯著下降，這對(duì)板料在拉深成形過程中緩解局部應(yīng)力集中，避免擴(kuò)散失穩(wěn)，集中失穩(wěn)等等都有一定的調(diào)節(jié)作用。在研究的同時(shí)，并同傳統(tǒng)壓邊技術(shù)得到的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以研究波動(dòng)的壓邊力作用形式是否具有改善板料成形質(zhì)量的效果。 下面的模擬分析主要從針對(duì)壓邊圈的作用形式加以研究，并且考慮到壓邊圈壓下量的波動(dòng)缺點(diǎn)較為明顯， 因此僅就這一種情況，來分析液壓壓力造成壓邊力的波動(dòng)對(duì)盒形件拉深成形所產(chǎn)生的重要影響，對(duì)于這一點(diǎn)的詳細(xì)介紹，后面其他相關(guān)問題一節(jié)關(guān)于壓邊力的實(shí)現(xiàn)問題中會(huì)詳細(xì)加以說明。 模擬參數(shù)的確定 考慮到 一般的 盒形件拉深 成形過程屬于準(zhǔn)靜態(tài)變形過程，運(yùn)用隱式算法 雖然合理但是 計(jì)算量 很 大，計(jì)算時(shí)間 較 長(zhǎng)。采用 時(shí)間與效率并重的原則， 模擬階段， 運(yùn)用 顯式算法 進(jìn)行拉深分析。另外， 通過比較， 為了得到 波動(dòng)壓邊力對(duì)拉深產(chǎn)生的特殊影響，需要相應(yīng)保持一些模擬參數(shù)的一致性。這里根據(jù)板料拉深特點(diǎn)，基本設(shè)置如表 32，表 33 和表 34 所示。 當(dāng)板料網(wǎng)格劃分比模具更細(xì)密時(shí)以及剛體模具厚度不影響板料沖壓的情況下，一般采用表 32 所示接觸類型，不僅能夠有效解決主面從面的接觸滲透問題，而且可以提高計(jì)算效率；而接觸阻尼的定義則緩解了垂直于接觸表面的法向數(shù)值振蕩，對(duì)減少沙漏變形作用顯著；在單元?jiǎng)?分問題上，對(duì)于整個(gè)有限元模型來講，控制實(shí)際計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的是最小尺寸單元，如果劃分網(wǎng)格質(zhì)量不理表 32 模擬基本參數(shù) 模擬選擇單位 mm,ton,sec,N 接觸方式類型 Forming_One_Way_Surface_To_Surface 接觸阻尼系數(shù) +001 板料單元公式 Belytschko_Tsay Shell 24 想，會(huì)造成很多小單元的存在，計(jì)算時(shí)間將成倍增加。所以在網(wǎng)格劃分問題上，一般三角形單元的數(shù)目不能超過單元總數(shù)的 10％，在模具轉(zhuǎn)角、圓角等區(qū)域保證布置 4 到 5 個(gè)單元 [4]；在摩擦問題的處理上，由于摩擦對(duì)拉深成形有重要影響，必須考慮實(shí)際生產(chǎn)中模具表面處理以及通過在拉深中添加潤(rùn)滑油等對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響，一般拉深模具表面質(zhì)量（與板料接觸面）為 － ， 對(duì)于一般鋼板，動(dòng)摩擦系數(shù) μ d＝ ，用液壓或橡膠拉深時(shí) μ d＝ 0[ 5]，因此考慮潤(rùn)滑劑的液壓影響，在模擬階段，取一個(gè)均值 μ d＝ ，以反映實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)滑動(dòng)摩擦力的控制。結(jié)構(gòu)參數(shù)、單元?jiǎng)澐旨澳Σ恋葏?shù)如表 33 所示。另外表 34 給出了模擬材料模型的主要性能參數(shù)。這里需要注意一點(diǎn)的是前面給出了實(shí)際生產(chǎn)條件下的材料參數(shù)，但是在模擬條件下，模擬參數(shù) 從實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù) K=110（根據(jù) HUAT）被放大到 648，應(yīng)變強(qiáng)化 指數(shù) n＝ （根據(jù) HUAT） 而 在模擬中取 ，這主要是從軟件對(duì)模擬拉深結(jié)果真實(shí)性的逼近上加以考慮，并不是對(duì)結(jié)果的扭曲，也不會(huì)造成模擬的失真。 模擬結(jié)果對(duì)比分析 1． 模擬結(jié)果 下面給出了三種不同壓邊力加載下的模擬結(jié)果。這三種情況具有一定的代表性，在實(shí)際生產(chǎn)中易于實(shí)現(xiàn)，而對(duì)其他波形的研究我們知道液壓壓力的變動(dòng)原理一般是通過閥控制線性變化的過程，因此正弦波不易實(shí)現(xiàn)，正弦波，梯形表 33 模具結(jié)構(gòu)模擬參數(shù) 模擬參數(shù) 結(jié) 構(gòu) 名 稱 毛 坯 凸 模 凹 模 下頂塊 壓邊圈 材料模型 MAT_36 MAT_RIGID MAT_RIGID MAT_RIGID MAT_RIGID 材料密度 楊氏模量 +005 +005 +005 +005 +005 泊松比 單元厚 度 單元厚向積分點(diǎn)數(shù) 5 3 3 3 3 初始網(wǎng)格 四邊形單元 4416 4398 6168 1244 3546 三角形單元 224 40 26 7 6 動(dòng)摩擦系數(shù) 靜摩擦系數(shù) 表 34 板料性能參數(shù) 名稱 R0 R45 R90 K n MATERIAL36 +000 +000 +000 +002 25 波等將通過總結(jié)、對(duì)比的方式加以驗(yàn)證。第一種是常壓邊情況，如圖 （ a）所示，可以近似的反映實(shí)際生產(chǎn)，壓邊力給定為 4000N；第二種情況是三角鋸齒波壓邊力，考慮壓邊綜合效果，在拉深開始時(shí)所需壓邊力較小，故波動(dòng)平均值較低，后面起皺趨勢(shì)增加，因此均值相應(yīng)上升。總體波動(dòng)幅值如圖 （ c）所示，其中 BHFmax＝ 4350N， BHFmin=600N（不考慮壓邊起始點(diǎn) BHF＝ 0N）；第三種是矩形波壓邊力情況，這種壓邊力可以提供完全間斷的壓邊作用時(shí)間，幅值波動(dòng)為 BHFmax＝ 4000N， BHFmin=0N，如圖 （ e）所示。從圖 （ b）中可以看出，與圖 （ d）與圖 （ f）相比，不同壓邊力狀態(tài)下的成形極限圖有較大區(qū) 別，尤其采用波動(dòng)壓邊力以后，盒形件成形質(zhì)量顯著提高。 2．對(duì)比 分析 上面模擬結(jié)果，給出了拉深成形極限圖。對(duì)成形極限圖進(jìn)行分析，可以直觀地反映拉深件表面質(zhì)量狀況、應(yīng)力應(yīng)變分布以及厚度變化等情況，是最佳的工藝判據(jù)。從上圖可以看出，波動(dòng)壓邊力顯著改善了兩個(gè)拉深區(qū)域，分別是平面等拉與平面應(yīng)變過渡區(qū)域和單向拉伸與純剪過渡區(qū)域，前者主要反映盒形件a b c d e f (a) 常壓邊力曲線 (b)常壓邊力 FLD (c)三角鋸齒壓邊力曲線 (d)齒壓邊力 FLD (e)矩形壓邊力曲線 (f)矩形壓邊力 FLD 圖 不同壓邊力加載下的拉深成形極限圖 26 圖 脹形變形區(qū)失穩(wěn)改善曲線 底面與側(cè)壁交匯的四個(gè)過渡圓角區(qū)，相當(dāng)于脹形變形；而后者主要體現(xiàn)在兩側(cè)壁之間以及凸緣與側(cè)壁轉(zhuǎn)角過渡區(qū)域，這一部分相當(dāng)于壓延變形；此外，在平面應(yīng)變與單向拉深區(qū)域之間也有一定的改善作 用，但較前兩者不明顯，具有過渡特征。 根據(jù)國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)這一領(lǐng)域的研究成果，在壓邊力的處理問題上，假設(shè)拉深過程中每一時(shí)刻拉深載荷 P 都與制件所能承受的極限載荷 Prup 相等，那么這種情況下所對(duì)應(yīng)的壓邊力就是制件破裂的臨界壓邊力 [6]： ? ? ?????? ????? )()(2)(12)(1 10 ???????? JIKRR RFQ BCB Br u p (31) 這里 ? 為摩擦系數(shù)， 0B? 表示理論預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)斷面上的名義極限拉應(yīng)力， ?為凸模包角。由于以上三個(gè)模擬階段，控制的唯一變量只有壓邊力這一參數(shù)，其他參數(shù)均沒有優(yōu)化，因此在三種模擬結(jié)果下，由 （ 31） 式得到的臨界壓邊力是一致的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，破裂臨界壓邊力隨拉深高度的變化規(guī)律接近拋物線，在拉深的中期，臨界壓邊力有最小值 Qrup, min[6]。一但壓邊力達(dá)到或超過這一曲線幅值，板料將被拉裂。 根據(jù)臨界壓邊力的這一特點(diǎn)， 可以看出：對(duì)脹形變形區(qū)，應(yīng)變狀態(tài)為 ε x0,ε y≥0,ε z 0。在常壓邊力狀態(tài)下，如圖 （ b）所示，盒底四個(gè)圓角部破裂面積相對(duì)較大 ，主要原因可以歸結(jié)為從拉深后期的某個(gè)時(shí)刻起，常壓邊力 Qcons tant ≥Qrup, min，但是改變?yōu)椴▌?dòng)壓邊力加載后，破裂面積顯著減少： 一方面由于壓邊力 Qwave 加載曲線轉(zhuǎn)為鋸齒波形以及矩形波形，當(dāng) Qwave 幅值大于 最小臨界壓邊力 Qrup, min時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生拉伸失穩(wěn)，但這只是一個(gè)瞬態(tài)階段，有破裂的趨勢(shì)卻沒有破裂的時(shí)間，或者沒有較充分的破裂時(shí)間，在一個(gè)周期內(nèi)，隨之 Qwave 值小于 Qrup,min，此時(shí)失穩(wěn)得到了及時(shí)的遏制。所以，從以上分析中可以看出，失穩(wěn)的程度和周期有關(guān)，從而和頻率有關(guān)，這一點(diǎn)將在后面的分析 中提及?？紤]到整個(gè)過程拉深仍在繼續(xù)，板料會(huì)不斷產(chǎn)生加工硬化，此時(shí)由于波動(dòng)壓邊力造成的卸載再加載過程，其塑性路徑將沿著卸載時(shí)的彈性路徑加載，從而可以有效避免拉深后期由峰值造成的瞬態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象；另一方面， 考慮 克服由于壓邊力 Qwave 所引起的毛坯與壓邊圈和凹模表面之間摩擦阻力而必須增加的拉應(yīng)力部分為： dtQ w a v e??? ? 2? (32) 根據(jù) （ 32） 式可知，壓邊力 Qwave 的波動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致 σ μ 的相應(yīng)波動(dòng)，這樣以來，由凸模作用力在板料內(nèi)部所引起的 拉應(yīng)力就產(chǎn)生了一定的波動(dòng)，從應(yīng)力應(yīng)變的 27 角度分析，這對(duì)板料在變形過程中有效避免脹形部分失穩(wěn)有一定的作用。右面給出了脹形變形區(qū)的改善曲線，如圖 所示。 對(duì)壓延變形區(qū)，應(yīng)變狀態(tài)為 ε x0,ε y0,ε z ≤0。在板料出現(xiàn)破裂區(qū)域任取一體素，考慮其變形路徑上的拉深失穩(wěn)點(diǎn)，可由兩條路徑迭合得到，一條路徑相當(dāng)于壓邊圈作用于凸緣而產(chǎn)生的壓延應(yīng)變，如圖 （ b），圖 （ d），圖 （ f）中成形極限圖左邊最下面變形區(qū)；另一條路徑相當(dāng)于凸模下行以及凹模圓角，壓邊圈與板料摩擦等綜合產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變，為成形極限圖中單向拉 伸變形區(qū)，當(dāng)拉深深度增加時(shí)，該點(diǎn)將要向 ε 1 增加的方向移動(dòng)。這樣以來，與簡(jiǎn)單變形不同，該體素的變形路徑是這兩種路徑的迭合，在前一路徑上存在一個(gè)臨界點(diǎn)，在該點(diǎn)再加一個(gè)很小的拉伸應(yīng)變，就會(huì)產(chǎn)生破裂 [5]。而這一點(diǎn)相當(dāng)于第一路徑與密席斯橢圓的交點(diǎn)，在該點(diǎn)以前的失穩(wěn)，均由迭合路徑?jīng)Q定。根據(jù)這一分析，圖 （ b）與圖 （ d）、圖 （ f）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在常壓邊力條件下，出現(xiàn)了較為密集的破裂失穩(wěn)，但是采用波動(dòng)壓邊以后，在破裂臨界點(diǎn)右側(cè)，失穩(wěn)現(xiàn)象顯著減少，說明波動(dòng)壓邊力對(duì)第二條路徑產(chǎn)生了一定的影響，從而造成部分拉伸應(yīng)變 下降，尤其在接近臨界失穩(wěn)點(diǎn)附近，波動(dòng)造成的拉伸應(yīng)變幅值下降可以及時(shí)有效地避免這一時(shí)刻的破裂現(xiàn)象的發(fā)生。 以上針對(duì)拉深成形極限圖給出了兩個(gè)破裂失穩(wěn)區(qū)域的對(duì)比分析結(jié)果，下面將從能量的角度分析在模擬過程中三種不同壓邊力加載下的板料成形特點(diǎn)。圖，圖 分別為板料動(dòng)能曲線圖和滑動(dòng)界面能量圖。從圖 5 中可以看出由于矩形波的幅值較三角鋸齒波幅值相比，波動(dòng)更為劇烈，雖然可以得到成形失穩(wěn)小的制件，但是劇烈的波動(dòng)幅值卻額外增加了成形能量，帶來了板料動(dòng)能的相對(duì)不穩(wěn)定，在宏觀表現(xiàn)為板料的振動(dòng)和凸緣的起皺。從圖 3(f)中可以 看出，制件凸緣已經(jīng)產(chǎn)生了較輕微的起皺現(xiàn)象，對(duì)于這種情況，可以采取降低波動(dòng)幅值的方法加以避免，如圖 (d)所示，沒有出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。另外，作者已經(jīng)做一些關(guān)于波動(dòng)頻率對(duì)制件拉深成形質(zhì)量影響的工作，并發(fā)現(xiàn)在一定頻率范圍內(nèi)，提高壓邊力波動(dòng)頻率也可以有效地減輕由于劇烈的幅值波動(dòng)造成的板料動(dòng)能相對(duì)不穩(wěn)定現(xiàn)象，并可以避免凸緣起皺的發(fā)生。不過這一工作目前處于起始階段，具體內(nèi)容尚待進(jìn)一步研究。圖 則給出了拉深成型過程中模具結(jié)構(gòu)與板料之圖 板料動(dòng)能曲線圖 圖 滑動(dòng)界面能量圖 ? Qconstant 加載 ? Qserrat ion 加載 Δ Qrectang l e 加載 ? Qconstant 加載 ? Qserrat io n 加載 ? Qrectang l e 加載 28 間的滑動(dòng)界面能?？紤]拉深成形是彈塑性成形，拉深過程中的滑動(dòng)界面能應(yīng)完全轉(zhuǎn)化為板料的動(dòng)能 和應(yīng)變能，但是在有摩擦的情況下，該能量還必須包括摩擦能以及在接觸面的法向和切向產(chǎn)生的界面摩擦能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化守恒定理，滑動(dòng)界面能必須控制在很小的范圍，才能保證模擬的準(zhǔn)確性。從圖 中看出，矩形波帶來的滑動(dòng)