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桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙
拉深模設(shè)計(jì)中拉深壁起皺的分析
——F．—K．Chen and Y．—C．Liao
臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所
在帶有斜度的方形盒和帶有階梯的方形盒的拉深中發(fā)生的起皺現(xiàn)象一直在被研究。這兩中類型的起皺現(xiàn)象有一個(gè)共同的特征：全都發(fā)生在相對(duì)無支撐、無壓邊的拉深壁處。在帶有斜度的方形盒的拉深中，常受到工序參數(shù)的影響，例如：模具的間隙值和壓邊力等，所以常用有限元模擬的方法來研究分析起皺的發(fā)生。模擬的結(jié)果表明模具的間隙值越大，起皺現(xiàn)象就越嚴(yán)重，而且增加壓邊力也不能抑制和消除起皺現(xiàn)象的發(fā)生。在帶有階梯的方形盒拉深的起皺現(xiàn)象分析中，常通過實(shí)際生產(chǎn)中一種近似的幾何結(jié)構(gòu)來研究、試驗(yàn)。當(dāng)凸模與階梯邊緣之間的金屬板料在拉深時(shí)分布并不均衡，就會(huì)在側(cè)壁發(fā)生起皺現(xiàn)象。為了消除起皺現(xiàn)象的發(fā)生，一個(gè)最優(yōu)的模具設(shè)計(jì)常采用有限元的方法進(jìn)行分析。模擬的結(jié)果和起皺試驗(yàn)論證了有限元分析的準(zhǔn)確性，并且表明了在拉深模具設(shè)計(jì)中使用有限元方法分析的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞:側(cè)壁起皺；拉深模；帶有階梯的方形盒；帶有斜度的方形盒
一、引言
起皺是金屬板料成形中常見的失效形式之一。由于功能和視覺效果的原因，起皺通常是不能為零件制品所能接受的。在金屬板料成形加工中通常存在三種類型的起皺現(xiàn)象：法蘭起皺；側(cè)壁起皺和由于殘余壓應(yīng)力在未變形區(qū)產(chǎn)生的彈性變形。在沖壓復(fù)雜形狀的時(shí)候，拉深壁起皺就是在模具型腔中形成的褶皺。由于金屬板料在拉深壁區(qū)域內(nèi)相對(duì)無支撐，因此，消除拉深壁起皺比抑制法蘭起皺要難得多。我們知道在不被支撐的拉深壁區(qū)域中材料的外力拉深可以防止起皺，這可以在實(shí)踐中通過增加壓邊力而實(shí)現(xiàn)，但是運(yùn)用過大的拉深力會(huì)引起破裂失效。因此，壓邊力必須控制在一定的范圍內(nèi)，一方面可以抑制起皺，另一方面也可以防止破裂失效。合適的壓邊力范圍是很難確定的，因?yàn)槠鸢櫾诶盍慵闹行膮^(qū)域以一個(gè)復(fù)雜的形狀形成，甚至根本不存在一個(gè)合適的壓邊力范圍。
為了研究起皺的原因，Yoshida et al.發(fā)明了一個(gè)試驗(yàn)，即：一張薄板延著對(duì)角的一個(gè)方向進(jìn)行不均勻拉深。他們還提出了一個(gè)近似的理論模型，起皺的初始是由于彈性變形導(dǎo)致橫向壓力發(fā)展成為不均勻的壓力場(chǎng)。Yu et al.用試驗(yàn)和理論分析的方法來研究起皺問題。他們發(fā)現(xiàn)根據(jù)他們的理論分析，起皺發(fā)生在兩個(gè)環(huán)形的起伏處，而且試驗(yàn)結(jié)果指出了4—6處起皺。Narayanasamy和Sowerby通過圓錐形凸模和半球形凸模的拉深來研究金屬板料的起皺。同時(shí)，他們也試圖整理防止發(fā)生起皺的特性參數(shù)。
這些試驗(yàn)都僅僅圍繞在與簡(jiǎn)單形狀成形有關(guān)的起皺問題上，例如：一個(gè)圓形的盒件等等。在20世紀(jì)90年代初期，3D動(dòng)態(tài)有限元方法的應(yīng)用成功，使得解決金屬板料成形復(fù)雜形狀的起皺現(xiàn)象的分析變成了可能。目前，研究人員都使用3D有限元方法來分析帶有斜度的方形盒和帶有階梯的方形盒零件拉深時(shí)在拉深壁處由于金屬板料流動(dòng)引起的褶皺以及在成形過程中的參數(shù)的影響因素。
一個(gè)有斜度的方形盒，如圖1（a）所示，盒形件的每一個(gè)傾斜的拉深壁都與圓錐盒形件相似。拉深成形過程中，在拉深壁處的金屬板料是相對(duì)無支撐的，因此，褶皺是傾斜的。在目前的研究中，各種關(guān)于起皺的成型過程參數(shù)都被研究。在帶有階梯的方形盒件的研究中，如圖1（b）所示，觀察到了另一種類型的起皺。在當(dāng)前的研究中，為了得出分析的效果，實(shí)際生產(chǎn)用階梯形結(jié)構(gòu)的零件來研究。使用有限元方法可以分析出起皺的原因，并且可以使一個(gè)最優(yōu)的模具設(shè)計(jì)消除起皺現(xiàn)象。有限元分析使得模具設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中更為合理化。
（b）帶有階梯的方形盒件
圖1
二、有限元模型
模具的幾何結(jié)構(gòu)（包括凸模、凹模、壓邊裝置等等），通過使用CAD和PRO/ENGINEER來設(shè)計(jì)。使用CAD將3個(gè)節(jié)點(diǎn)或4個(gè)節(jié)點(diǎn)形成殼形的單體，進(jìn)而在模型上形成網(wǎng)格體系。使用有限元模擬，模型被視為是剛性的，并且相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格僅僅可以定義模型的幾何形狀，不能對(duì)壓力進(jìn)行分析。使用CAD所建立的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的殼形單體可以為板料創(chuàng)建網(wǎng)格體系。圖2給出了模型完全建立時(shí)的網(wǎng)格體系和用以成形帶有斜度的方形盒件的金屬板料。由于對(duì)稱的原因，僅僅分析了零件的1/4。在模擬過程中，金屬板料放在壓邊裝置上，凹模向下移動(dòng)，夾緊板料。凸模向上移動(dòng)，拉深板料至模具型腔。
為了精確的完成有限元分析，金屬板料的實(shí)際壓力——拉力的關(guān)系需要輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)。從目前的研究來看，金屬板料的深拉深的特性參數(shù)已經(jīng)用于模擬。一個(gè)拉深的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)用于樣品的生產(chǎn)，并且沿著壓延方向和與壓延方向成45°和90°的方向切斷。平均的流動(dòng)壓力σ可以通過公式σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，計(jì)算出來，進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際拉力，如圖3所示，以用于帶有斜度的方形盒件和帶有階梯的方形盒件的拉深。
目前研究中的所有模擬都在SGI Indigo2工作站使用有限元可調(diào)拉深程序完成。完成了用于模擬所需數(shù)據(jù)的輸入（假定凹模速度為10m /s，并且平均摩擦系數(shù)為0.1）。
圖2 有限元模擬的網(wǎng)格體系
實(shí)際壓力（GPa）
圖3 金屬板料的實(shí)際壓力——拉力的關(guān)系
實(shí)際拉力（mm/mm）
三、帶有斜度的方形盒件的起皺
一個(gè)帶有斜度的方形盒可以給出草圖的相關(guān)尺寸，如圖1（a）所示。從圖1（a）可以看出方形凸模頂部每邊的長度為2Wp，凹?？诓块L度為2Wd以及拉深高度H——影響起皺所考慮的關(guān)鍵性尺寸。凹模的口部尺寸與凸模頂部尺寸差值的一半為凸模的間隙，即：G=Wd－Wp。拉深壁處金屬板料相對(duì)無支撐的程度可能取決于凸模的間隙，并且增加壓邊力也有可能抑制起皺現(xiàn)象的發(fā)生。在有斜度的方形盒拉深中，與發(fā)生起皺有關(guān)系的兩個(gè)參數(shù)——凸模間隙和壓邊力，他們對(duì)起皺的影響也正在研究之中。
3.1.凸模間隙的影響
為了研究凸模間隙對(duì)起皺的影響，現(xiàn)在分別用凸模間隙為20mm，30mm和50mm的帶有斜度的方形盒進(jìn)行拉深模擬。在每次模擬拉深中，凹?？诓砍叽鐬?00mm固定不變，并且拉深高度均為100mm。在3次模擬中，均使用尺寸為380mm×380mm的方形板料，且板料厚度均為0.7mm，凹模對(duì)板料的壓力——拉力關(guān)系，如圖3所示。
圖4 帶有斜度的方形盒件的褶皺模擬圖（G=50mm）
模擬結(jié)果表明：三個(gè)有斜度的方形盒均發(fā)生了起皺現(xiàn)象，圖4給出了凸模間隙為50mm的方形盒的形狀。從圖4可以看出，起皺分布在拉深壁處，并且拉深壁鄰近的拐角處起皺現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。經(jīng)分析，在拉深過程中，起皺是由于拉深壁處存在過大的無支撐區(qū)域，而且凸模頂部和凹?？诓块L度的不同是由于凸模間隙的存在。在凸模頂部與凹模之間的金屬板料的延伸變得不穩(wěn)定，是由于斷面壓力的存在。在壓力作用下，金屬板料的無約束拉深是在拉深壁處形成褶皺的主要原因。為了比較三個(gè)不同凸模間隙的試驗(yàn)結(jié)果，需要引入兩個(gè)主應(yīng)力的比值β，β為εmin/εmax, εmin/εmax是主應(yīng)力相對(duì)的最小值和最大值。Hosford和Caddell指出，β值比臨界值更重要，如果起皺發(fā)生，那么β值越大，起皺現(xiàn)象就可能越嚴(yán)重。
如圖4和圖5的曲線所示，三次不同凸模間隙的拉深模擬，沿M——N截面的相同拉深高度處的β值。從圖5可以看出，在3次模擬中位于拉深壁的拐角處起皺比較嚴(yán)重，在拉深壁的中間起皺比較弱。還可以看出，凸模間隙越大，比值β就越大。因此，增加凸模間隙將可能增加帶有斜度的方形盒件在拉深壁處起皺的可能性。
3.2.壓邊力的影響
眾所周知，增加壓邊力可以幫助削弱拉深過程中發(fā)生的褶皺。為了研究增加壓邊力的影響，采用凸模間隙為50mm，不同的壓邊力數(shù)值來對(duì)有斜度的方形盒進(jìn)行拉深起皺的模擬。壓邊力從100KN增加到600KN，以提供壓邊力0.33Mpa到1.98Mpa。其他模擬條件和先前的規(guī)定保持一致（在模擬當(dāng)中采用了300KN的壓邊力）。
模擬結(jié)果表明：增加壓邊力并不能消除拉深壁處起皺現(xiàn)象的發(fā)生。如圖4所示，在M——N截面處的β值，和壓邊力分別為100KN、600KN的拉深相比較，模擬結(jié)果指出，在M——N截面處的β值都是相同的。為了分析兩次不同壓邊力時(shí)出現(xiàn)起皺的不同，從拉深壁頂部到直線M——N處，對(duì)5處不同高度截面進(jìn)行了分析，如圖4所示，圖6給出了所有情況的曲線。從圖6可以看出，幾種情況截面處的波度是相似的。這就證明壓邊力與有斜度的方形盒件拉深中的起皺現(xiàn)象無關(guān)，因?yàn)轳薨櫟男纬芍饕怯捎诶畋谔幋竺娣e無支撐區(qū)域存在較大的橫斷面壓力，所以壓邊力并不影響凸模頂部與凹模肩部之間的制件形狀的不穩(wěn)定狀況。
距離（mm）
圖5 對(duì)于不同凸模間隙在M——N截面處的β值
圖6 在不同的壓邊力狀態(tài)下，拉深壁不同高度處的橫斷面線。(a)100KN.(b)600KN.
四、帶有階梯的方形盒件
在帶有階梯的方形盒件的拉深中，即使凸模間隙不是這樣重要，而在拉深壁處仍然會(huì)發(fā)生起皺。圖1（b）所示為帶有階梯的方形盒件拉深用的凸模，圖1（b）給出了拉深壁C和階梯處D、E。目前，實(shí)際生產(chǎn)中一直在研究這種類型的幾何結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)中，板料的厚度為0.7mm，壓力——拉力關(guān)系從應(yīng)力試驗(yàn)中獲得，如圖3所示。
這種拉深件的生產(chǎn)是通過深拉深和整形兩個(gè)工序組成的。由于凸模拐角處的小圓角半徑和復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在盒形件的頂部邊緣發(fā)生破裂，在盒形件的拉深壁處發(fā)生褶皺，如圖7所示。從圖7中可以看出，褶皺分布在拉深壁處，尤其在階梯邊緣的拐角處更為嚴(yán)重，如圖1（b）所示的A——D和B——E處。金屬板料在凸模頂部的邊緣開裂，進(jìn)而形成破裂，如圖7所示。
圖7 產(chǎn)品上的褶皺和破裂情況
圖8 模擬產(chǎn)品起皺和破裂的盒形件外形圖
為了對(duì)拉深過程中金屬板料出現(xiàn)的變形現(xiàn)象有更進(jìn)一步的了解，生產(chǎn)中仍然采用了有限元分析方法。最初的設(shè)計(jì)已經(jīng)用有限元模擬完成。模擬的盒形件外形如圖8所示。從圖8可以看出，盒形件頂部邊緣的網(wǎng)絡(luò)拉深比較嚴(yán)重，褶皺分布在拉深壁處，這與實(shí)際生產(chǎn)中的狀況是一致的。
小的凸模圓角，例如A——B邊緣的圓角和凸模拐角A處的圓角，如圖1（b）所示，是拉深壁處破裂的主要原因。然而，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，通過加大上述兩處圓角可以避免破裂的產(chǎn)生。較大的拐角圓角這種想法通過實(shí)際生產(chǎn)加工被驗(yàn)證是可行的。
還有一些試驗(yàn)也是模擬褶皺的。最初時(shí)將壓邊力增加到初始值的2倍。然而，正如和有斜度的方形盒件拉深時(shí)獲得的結(jié)論是一樣的，壓邊力對(duì)起皺的影響并不是最主要的。相同的結(jié)論是增大摩擦或者增加坯料的尺寸。因此我們得出的結(jié)論是：通過增加壓邊力是不能抑制起皺現(xiàn)象的發(fā)生的。
起皺的形成是由于在某些區(qū)域發(fā)生多余的金屬板料流動(dòng)，所以應(yīng)在起皺的區(qū)域增加壓桿裝置來控制多余的金屬料流。壓桿應(yīng)加到平行于起皺的方向，以便能有效的控制多余的金屬料流。在這種理論分析下，兩個(gè)壓桿應(yīng)加到拉深壁的臨近處，如圖9所示以便能控制多余的金屬料流。模擬的結(jié)果表明：正如所期望的那樣，通過壓桿的作用，階梯拐角處的起皺被控制住了，但是一些褶皺還是存在于拉深壁處。這就表明：需要在拉深壁處設(shè)置更多的壓桿，以控制多余的金屬料流。但是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度考慮，這種結(jié)構(gòu)是不可行的。
圖9 在拉深壁處增加的壓桿
在拉深工序中采用有限元分析的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以通過拉深模擬來監(jiān)視、控制金屬板料的形狀變形，而這些在實(shí)際生產(chǎn)中是不可能做到的。在拉深過程中，仔細(xì)地看金屬板料的流動(dòng)，可以看出金屬板料首先由凸模拉深進(jìn)凹模腔內(nèi)，直到金屬板料到階梯邊緣D——E處時(shí)，褶皺才開始形成。褶皺的形狀如圖10所示。有限元分析還可以為模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。
圖10 金屬板料接觸階梯邊緣時(shí)形成褶皺
圖11 切斷階梯拐角后的外形圖
圖12 凸模設(shè)計(jì)修改后的外形模擬圖
?
最初推斷發(fā)生起皺的原因是由于凸模拐角圓角A處和階梯拐角圓角D處的金屬板料不均勻、不穩(wěn)定拉深形成的。因此，模具應(yīng)設(shè)計(jì)成在階梯拐角處切斷一部分，如圖11所示，以有利于改善拉深條件。通過增加階梯邊緣而使板料均勻、穩(wěn)定的拉深。然而在拉深壁處還是存在起皺現(xiàn)象。結(jié)果指出：起皺的原因是由于凸模頂部邊緣和整個(gè)階梯邊緣的板料不均勻、不穩(wěn)定的拉深，這與凸模拐角和階梯拐角不同。毫無疑問，模具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)有兩處需要調(diào)整，一處是切斷整個(gè)階梯；另一處是增加拉深工序，使用2次拉深可以獲得期望的形狀。如圖12所示，是這種成形方法模擬出的外形。如果較低的臺(tái)階被切斷去除，那么這種盒形件的拉深就與矩形盒件的拉深十分相似，詳見圖12。從圖12可以看出，褶皺被去除了。
在兩次拉深過程中，金屬板料首先拉深成較深的臺(tái)階，如圖13（a）所示。因此，較低的階梯是在第二次拉深工序中形成的，此時(shí)，可以獲得我們所期望的外形，如圖13（b）所示。從圖13（b）中可以清楚地看出，帶有階梯的方形盒件通過兩次拉深被制作出來，而且沒有褶皺。在兩次拉深工序中，如果假想使用相反的順序拉深，較低的階梯首先成形，然后再拉深成較高的臺(tái)階，那么在較深臺(tái)階的邊緣處，如圖1（b）A—B處，容易形成破裂現(xiàn)象，因?yàn)榘寄Ｖ性谳^低階梯處的金屬板料很難流動(dòng)。
有限元模擬分析指出要想獲得理想的帶有階梯的方形盒件，使用一次拉深幾乎是不可能成功的。然而，使用兩次拉深則增加了生產(chǎn)成本，因?yàn)槟＞叱杀竞椭圃斐杀驹黾恿恕榱司S持較低的生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)師對(duì)盒形件外形做了適當(dāng)?shù)男薷?，并且根?jù)有限元模擬的結(jié)果，修改了模具，切斷去除了較低的階梯，如圖12所示。修改之后，拉深模制造出來了，并且盒形件消除了褶皺問題，如圖14 所示。盒形件的外形也與用有限元模擬所獲得的外形效果一樣好。
圖13 （a）第一次拉深工序 （b）第二次拉深工序
圖14 消除褶皺后的產(chǎn)品圖
為了更進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模擬的結(jié)論，將從模擬的結(jié)果中獲得的截面GH處的板料厚度的分布情況與實(shí)際生產(chǎn)中的情況進(jìn)行比較。比較情況如圖15所示。從圖15的比較情況可以斷定：通過有限元模擬的厚度分布與實(shí)際生產(chǎn)的情況基本上一致。這就證明了有限元分析方法的有效性。
厚度（mm）
距離（mm）
圖15 模擬與實(shí)際生產(chǎn)中，GH截面處的板料厚度分布比較圖
五、簡(jiǎn)要論點(diǎn)及結(jié)束語
在拉深過程中發(fā)生的兩種類型的褶皺通過有限元分析研究以及對(duì)起皺原因做的試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)了抑制起皺的方法。
第一種類型的起皺出現(xiàn)在帶有斜度的方形盒件的拉深壁處。在凹?？诓康母叨瘸叽绾屯鼓ｍ敳康母叨瘸叽绲纫蛩刂?，起皺的發(fā)生歸因于較大的凸模間隙。較大的凸模間隙會(huì)導(dǎo)致拉深到凸模頂部與凹模肩部的金屬板料處產(chǎn)生較大的無支撐區(qū)域，而金屬板料較大的無支撐區(qū)域是形成起皺的最終原因。有限元模擬表明這種類型的起皺是不能通過增加壓邊力而抑制的。
另一種類型的起皺發(fā)生在實(shí)際生產(chǎn)中帶有階梯的幾何結(jié)構(gòu)的方形盒件中。研究發(fā)現(xiàn)即使凸模間隙影響不是很重要，起皺還是會(huì)發(fā)生在階梯上面的拉深壁處。根據(jù)有限元分析，起皺的原因主要是由于凸模頂部和臺(tái)階邊緣之間的不均勻拉深造成的。為了避免起皺，在模具設(shè)計(jì)中使用有限元模擬做了一些試驗(yàn)，試驗(yàn)最終確定的最優(yōu)設(shè)計(jì)就是將階梯去除。修改后的模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)出了無缺陷的盒形零件。模具分析的結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)所獲得的結(jié)論證明了有限元分析的準(zhǔn)確性和使用有限元模擬的有效性。因此可以說：有限元方法可以取代傳統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)的昂貴的方法。
在沖壓過程模擬 - 產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)最新應(yīng)用
W．托馬斯*、T. 歐安諾奇 和T. 埃爾頓
摘 要
工藝產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)仿真都是目前正在實(shí)行產(chǎn)業(yè)。然而，一個(gè)變量數(shù)目會(huì)對(duì)
輸入的準(zhǔn)確性和計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)的可靠性產(chǎn)生重大的影響。 曾經(jīng)進(jìn)行一項(xiàng)有關(guān)沖壓模擬能力評(píng)估預(yù)測(cè)的特點(diǎn)和其工藝條件部分的復(fù)雜形面形成了復(fù)合、工業(yè)零件的研究。
在工業(yè)應(yīng)用中，下面是沖壓過程的進(jìn)行模擬測(cè)試達(dá)到的兩個(gè)目標(biāo)：（1）通過分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段、成形性及預(yù)測(cè)來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)；（2）在模具設(shè)計(jì)的前期階段減少試模時(shí)間和在沖壓加工過程中降低生產(chǎn)成本。為了達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，有兩種方法可以選擇：一種是Pam-Stamp應(yīng)用法，一種是Int'l工程系統(tǒng)有限元增量的動(dòng)態(tài)程序法。很明顯第二個(gè)目標(biāo)方法比較好，因?yàn)樗梢蕴幚淼膶?shí)際沖壓中的大多數(shù)參數(shù)。FAST_FORM3D，一個(gè)單步有限元程序的成型技術(shù)，匹配第一個(gè)目標(biāo)，因?yàn)樗恍枇慵缀涡螤顝?fù)雜的過程，而不是信息。
在以往的研究表明，這些兩個(gè)沖壓守則也適用于制造汽車和工程機(jī)械所使用的復(fù)雜形狀部件。對(duì)在沖壓成形性預(yù)測(cè)問題的能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本文回顧了這一研究結(jié)果，并總結(jié)了有限元模擬程序所取得結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。
在另一項(xiàng)研究中，對(duì)控制壓邊力（BHF）在半球狀圓頂平底杯拉深中的影響進(jìn)行了研究。高性能的標(biāo)準(zhǔn)汽車材料鋁鎮(zhèn)靜—高質(zhì)量鋼（AKDQ），以及如高強(qiáng)度鋼板、烘烤硬鋼、鋁6111等。已經(jīng)確認(rèn)不同的壓邊力可以改善圓頂杯的應(yīng)變分布。
關(guān)鍵詞：沖壓；過程刺激；工藝設(shè)計(jì)
文章概要
1. 簡(jiǎn)介
2. 品仿真 - 應(yīng)用
3. 模具和工藝模擬 - 應(yīng)用
4. 壓邊力控制 - 應(yīng)用
5. 結(jié)論和未來工作
1.簡(jiǎn)介
對(duì)于形狀復(fù)雜的板材（如汽車覆蓋件金屬?zèng)_壓件的設(shè)計(jì)過程，包括決策的許多階段）的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)非常昂貴和耗時(shí)的過程。在目前的工業(yè)上，許多工程決策是基于工作人員的經(jīng)驗(yàn)和他們的知識(shí)，這些決策通常是經(jīng)過軟工裝模具成??型階段和硬模選拔賽驗(yàn)證階段后才做出的。很多時(shí)候軟、硬工具必須重新編制，甚至重新設(shè)計(jì)和提供的零件到達(dá)可接受的質(zhì)量水平。
現(xiàn)在將最好的設(shè)計(jì)過程列在圖1中。在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)驗(yàn)豐富的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員會(huì)使用一個(gè)稱為一步有限元法的專門設(shè)計(jì)的軟件來估計(jì)其設(shè)計(jì)成形性。這將使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者在確定設(shè)計(jì)路線之前，以及昂貴的模具已經(jīng)制造出來之前做必要的修改。一步法有限元法特別適合用于產(chǎn)品分析，因?yàn)樗恍枰辰Y(jié)劑、附錄、甚至絕大多數(shù)工藝條件。通常方法不可用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。一步法有限元法也很容易掌握，計(jì)算速度快，這使得設(shè)計(jì)人員能夠發(fā)揮“如果”沒有太多的時(shí)間投資。
圖- 1 金屬薄板沖壓件的參考設(shè)計(jì)過程。
一旦產(chǎn)品已經(jīng)設(shè)計(jì)和經(jīng)過驗(yàn)證，開發(fā)項(xiàng)目將進(jìn)入“零時(shí)間”階段，并傳遞到模具設(shè)計(jì)階段。模具設(shè)計(jì)人員會(huì)確認(rèn)他們自己的增量有限元程序的有關(guān)設(shè)計(jì)并進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)變更，甚至優(yōu)化工藝參數(shù)，確保不只是最低的可接受的零件質(zhì)量，而是最高達(dá)到的質(zhì)量。這增加了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且增加過程的成品率。增量有限元法特別適合于模具設(shè)計(jì)分析，因?yàn)樗_實(shí)需要粘合劑，附錄，以及已知的模具設(shè)計(jì)或渴望被人知道的過程。
驗(yàn)證制造模具的設(shè)計(jì)后就會(huì)直接進(jìn)入了艱苦的生產(chǎn)加工和被驗(yàn)證階段，在此期間，將與物理原型零件對(duì)比著進(jìn)行，試用時(shí)間應(yīng)該減少由于先前的數(shù)值驗(yàn)證。重新設(shè)計(jì)和成型，由于不可預(yù)見的問題，再制造模具應(yīng)該是過去的事情。試用時(shí)間減少和消除重新設(shè)計(jì)/再制造所用的時(shí)間應(yīng)該超過彌補(bǔ)進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證、試模、加工過程所用的時(shí)間。
對(duì)于薄板沖壓件生產(chǎn)商而言，沖壓工藝的優(yōu)化也是非常重要的。通過適度增加壓力機(jī)設(shè)備的投資、并使用模具成型、一個(gè)人可以控制多個(gè)沖壓過程。據(jù)記載，壓邊力是板料成形過程中最敏感的工藝參數(shù)之一，因此可用于精確控制變形過程。
通過控制壓邊力在功能和壓應(yīng)力的位置等有效措施,提高粘結(jié)劑的外圍的應(yīng)變分布的小組提供了新增的強(qiáng)度和剛度,降低了面板和殘余應(yīng)力的回彈程度,提高產(chǎn)品品質(zhì)和穩(wěn)定性。
通過控制作為壓應(yīng)力和周圍的粘結(jié)劑邊緣位置的函數(shù)壓邊力，可以提高面板強(qiáng)度和剛度，減少面板回彈和殘余應(yīng)力應(yīng)變分布，提高產(chǎn)品質(zhì)量和過程的穩(wěn)定性。一種廉價(jià)的工業(yè)質(zhì)量體系，目前正在制定在緊急救濟(jì)協(xié)調(diào)員/ NSM采用了液壓和氮的結(jié)合，如圖—2所示。使用壓邊力控制也可以允許工程師設(shè)計(jì)更具有侵略性的板窗利用所提供的增加壓邊力控制成形性。
圖2. 壓邊力控制系統(tǒng)和模具正在開發(fā)的ERC / NSM實(shí)驗(yàn)室
1.對(duì)設(shè)計(jì)過程的三個(gè)獨(dú)立階段研究進(jìn)行了研究
將會(huì)在下一節(jié)描述產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，其中一個(gè)步驟是有限元程序FAST_FORM3D（成型技術(shù)）的驗(yàn)證，作為實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)的一部分，用來預(yù)測(cè)毛坯最佳形狀的研究。第4節(jié)總結(jié)了模具的設(shè)計(jì)階段，其中一個(gè)實(shí)際的工業(yè)平板是用來驗(yàn)證的增量有限元程序的PAM –Stamp系統(tǒng)（國際工程系統(tǒng)）的研究。第5節(jié)覆蓋了在實(shí)驗(yàn)室研究壓邊力控制應(yīng)變分布在深沖、半球形、圓頂平底杯的影響。
2. 產(chǎn)品仿真 - 應(yīng)用
這項(xiàng)調(diào)查的目的是為了驗(yàn)證FAST_FORM3D系統(tǒng)，確定FAST_FORM3D對(duì)毛坯形狀預(yù)測(cè)的能力，并確定一步有限元法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中是怎么實(shí)施的。成型技術(shù)提供了他們的一步法有限元代碼和培訓(xùn)中心的FAST_FORM3D / NSM為目的的基準(zhǔn)和研究。FAST_FORM3D并不等同于變形歷史。相反，它將項(xiàng)目上一個(gè)平面或可展曲面零件幾何形狀和重新定位的最后節(jié)點(diǎn)和元素，直至達(dá)到最低能量狀態(tài)。這個(gè)過程是計(jì)算速度比就像是PAM –Stemp的增量模擬，也使得假設(shè)增多。FAST_FORM3D能評(píng)價(jià)和估計(jì)最優(yōu)毛坯矩形件的結(jié)構(gòu)，也是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師由于其速度和使用的安逸性，但是在這時(shí)期的幾何是不可用的。
為了驗(yàn)證FAST_FORM3D，我們比較分析其與毛坯形狀預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法的毛坯形狀。該零件的幾何形狀如圖3所示是一個(gè)長15英寸、寬5英寸、深12英寸有一個(gè)1英寸直角法蘭盤英寸。表1列出了工藝條件下使用，圖4顯示了使用Romanovski零件毛坯形狀的實(shí)證法和滑移線場(chǎng)的方法來預(yù)測(cè)毛坯形狀的原理。
圖. 3 矩形幾何用于FAST_FORM3D驗(yàn)證
圖4 使用手工計(jì)算毛坯長方形盤的外形設(shè)計(jì)
（一）Romanovski的經(jīng)驗(yàn)方法；（二）滑移線場(chǎng)分析方法。
圖5（a）給出了預(yù)測(cè)從Romanovski法，滑移線場(chǎng)方法，幾何形狀和FAST_FORM3D空白?？瞻仔螤钔庠诮锹淅锏貐^(qū)，但不同的側(cè)面區(qū)域很大。圖5（二）- （c）顯示抽簽中模式后的矩形繪制過程。
平移由Pam-Stemp模擬預(yù)測(cè)空白的每個(gè)形狀。抽簽中地區(qū)在彎道很好匹配所有三個(gè)長方形盤模式?；凭€場(chǎng)方法，雖然沒有達(dá)到目標(biāo)區(qū)域在身邊1英寸法蘭，而Romanovski和FAST_FORM3D方法實(shí)現(xiàn)了1英寸法蘭在身邊地區(qū)相對(duì)較好。此外，只有FAST_FORM3D毛坯同意在角落里/側(cè)過渡區(qū)。此外，F(xiàn)AST_FORM3D毛坯比Romanovski具有較好的應(yīng)變分布和更低的峰值應(yīng)變比，由圖6中可以看到。
圖5 各種毛坯形狀預(yù)測(cè)和帕姆印花仿真結(jié)果為長方形鍋。
（一）三預(yù)測(cè)空白形狀;（二）變形滑移線領(lǐng)域的毛坯;（三）畸形Romanovski毛坯;（四）畸形FAST_FORM3D毛坯
圖6 比較應(yīng)變泛用長方形的PAM –Stemp形狀分布的各種毛坯
（一）變形Romanovski毛坯;（二）畸形FAST_FORM3D毛坯。
若要繼續(xù)此驗(yàn)證研究，從小松制作工業(yè)部分被選中，并在圖7（a）所示。我們預(yù)計(jì)的一個(gè)最優(yōu)幾何FAST_FORM3D空白的實(shí)驗(yàn)裝置，正如所見，毛坯很相似，但有一些差異，最終的零件毛坯形狀,如圖7(b)。
圖7 儀器FAST_FORM3D模擬結(jié)果包括最終驗(yàn)證
（一）FAST_FORM3D成形性能的比較；（二）預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)的毛坯形狀比較。
接下來,我們模擬了沖壓的毛坯和FAST_FORM3D使用Pam-Stamp實(shí)驗(yàn)毛坯。我們通過比較兩者的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)預(yù)測(cè)的零件幾何形狀 (圖8)，發(fā)現(xiàn)FAST_FORM3D是更精確的。一個(gè)不錯(cuò)的特征是,FAST_FORM3D能顯示“失敗”的部分情節(jié)的輪廓曲線，對(duì)失敗限制示于圖7(A)?？傊? FAST_FORM3D在預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)部件的最佳形狀成功的毛坯。這表明，F(xiàn)AST_FORM3D可以成功地用于評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)成形性的問題。在儀器的覆蓋情況下，審判和錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)多小時(shí)可能被淘汰使用FAST_FORM3D和更好的毛坯形狀可能已經(jīng)開發(fā)出來。
圖 8 比較FAST_FORM3D和實(shí)驗(yàn)儀器的零件形狀。
（一）實(shí)驗(yàn)開發(fā)毛坯形狀和CAD幾何;（二）優(yōu)化毛坯形狀和FAST_FORM3D的CAD幾何。
3. 模具和工藝模擬- 應(yīng)用
為了在研究模具設(shè)計(jì)過程中緊密合作，一個(gè)由日本小松制作所和ERC/ NSM組成的小組。與形成問題的一個(gè)生產(chǎn)小組選擇了小松。該面板是挖掘機(jī)的駕駛室左側(cè)內(nèi)板，如圖9所示。是的幾何簡(jiǎn)化為一個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室死亡，同時(shí)保持該小組的主要特征。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中小松使用表2所示的條件。一個(gè)成形極限圖（FLD）研制了用于繪圖品質(zhì)采用穹頂鋼和視覺測(cè)試應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，并在圖10所示。在實(shí)驗(yàn)中使用三壓邊力分別是（10，30，50噸）以確定其效果。每個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了增量在ERC/ NSM使用PAM-Stemp。
圖9 挖掘機(jī)的駕駛室，左側(cè)內(nèi)板
表2機(jī)艙內(nèi) 的工藝條件調(diào)查
圖10 在機(jī)艙內(nèi)調(diào)查所使用的繪圖優(yōu)質(zhì)鋼成形極限圖。
在10噸的條件下發(fā)生起皺的實(shí)驗(yàn)部分，如圖11所示。在30噸條件下發(fā)生皺紋被淘汰，如圖12所示。對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了PAM –Stemp模擬預(yù)測(cè)，如圖13所示。 30噸壓力的測(cè)量小組以確定材料畫中的模式。這些測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較與預(yù)測(cè)材料繪制在圖14研究。效果是非常良好，只有10毫米，最大的錯(cuò)誤。一個(gè)輕微的頸部，觀察小組的30噸，如圖13所示。在50噸時(shí)，面板上會(huì)出現(xiàn)明顯的骨折起皺。
圖11 皺褶實(shí)驗(yàn)室機(jī)艙內(nèi)板，壓邊力= 10噸
圖12 壓邊力=30噸機(jī)艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室和頸縮變形階段。
（一）實(shí)驗(yàn)毛坯;（二）實(shí)驗(yàn)小組，形成了60％;（三）實(shí)驗(yàn)小組，完全形成;（四）實(shí)驗(yàn)小組，縮頸細(xì)節(jié)。
圖13 預(yù)測(cè)和在實(shí)驗(yàn)室客艙內(nèi)消除皺紋
（a）預(yù)期的幾何形狀，壓邊力= 10噸;（二）預(yù)測(cè)的幾何形狀，壓邊力= 30噸
圖14 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)艙預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)比較所得出的結(jié)果，壓邊力= 30噸
應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了每個(gè)小組的結(jié)果，其結(jié)果如圖15所示。從每個(gè)小組有限元模擬的預(yù)測(cè)在圖16所示。這些預(yù)測(cè)和測(cè)量吻合有關(guān)的應(yīng)變分布，不同的壓邊力對(duì)結(jié)果的影響不大。雖然趨勢(shì)是代表，壓邊力的影響往往在模擬的壓力更多的本地化的方式相比，測(cè)量。然而，這些預(yù)測(cè)表明， PAM –Stemp正確預(yù)測(cè)了頸縮和斷裂在30和50噸時(shí)發(fā)生。關(guān)于摩擦應(yīng)變分布的影響進(jìn)行了研究,如圖17模擬圖所示。
圖 15 機(jī)艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量。
（一）測(cè)量應(yīng)變，壓邊力= 10噸（面板皺）（二）測(cè)量應(yīng)變，壓邊力= 30噸（面板頸）;（三）測(cè)量應(yīng)變，壓邊力=50噸（面板裂縫）。
圖16 機(jī)艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)變有限元預(yù)測(cè)。
（a）預(yù)期的壓力，壓邊力= 10噸;（二）預(yù)測(cè)的壓力，壓邊力= 30噸;（三）預(yù)測(cè)的壓力，壓邊力= 50噸。
圖17 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)預(yù)測(cè)效應(yīng)摩擦機(jī)艙內(nèi)，壓邊力= 30噸。
（a）預(yù)期的壓力，μ=0.06；（二）預(yù)測(cè)應(yīng)變，μ=0.10。
它們的比較結(jié)果摘要列于表3中，此表顯示，模擬預(yù)測(cè)了在實(shí)驗(yàn)條件下每一株測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。這表明，PAM-Stemp可以用來評(píng)估成形模具設(shè)計(jì)相關(guān)的問題。
表3 客艙內(nèi)的研究結(jié)果摘要
4壓邊力控制- 應(yīng)用
這次調(diào)查的目的是確定各種高性能材料在半球狀，圓頂平底，深拉杯深沖性能（見圖18），并探討不同時(shí)間的變壓邊力上進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，以確定這些材料進(jìn)行分析和模擬輸入到流動(dòng)應(yīng)力和各向異性特征（見圖 19和表5）。在被調(diào)查的材料包括AKDQ鋼、高強(qiáng)度鋼、烘烤硬鋼、鋁6111（見表4）。
圖18 巨形杯模具的幾何形狀
表4 用于材料研究的圓頂杯
圖19 鋁6111，AKDQ，強(qiáng)度高，烤硬鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。
（一）拉伸試樣裂隙；（二）應(yīng)力/應(yīng)變曲線。
表5 鋁6111、AKDQ、烤硬鋼的高強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)
值得注意的是流動(dòng)應(yīng)力和AKDQ烤硬鋼曲線非常類似，但是在5％的時(shí)候伸長率減少類似烤硬。雖然高強(qiáng)度鋼和鋁6111的伸長率很相似，但是其N值比鋁6111的值大兩倍。此外， AKDQ的R值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，而烤硬接近1，鋁6111遠(yuǎn)小于1。
在這次調(diào)查中的壓邊力用型材時(shí)間變量中包含常數(shù)，線性減少，脈動(dòng)（見圖20）。為AKDQ鋼的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了模擬使用的PAM -Stemp增量代碼。斷裂、皺紋的例子，和良好的實(shí)驗(yàn)室杯圖21所示以及對(duì)模擬圖像皺杯。
圖20.用于研究剖面圓頂杯的壓邊力時(shí)間
（一）固定壓邊力;（二）斜壓邊力;（三）脈動(dòng)壓邊力。
圖 21模擬實(shí)驗(yàn)和圓頂杯
（一）實(shí)驗(yàn)好杯；（b）實(shí)驗(yàn)裂隙杯；（三）實(shí)驗(yàn)皺杯；（四）模擬皺杯
對(duì)深沖性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究限制使用固定壓邊力。這項(xiàng)研究的結(jié)果顯示在表6。此表顯示，AKDQ的沖壓性能最大，而鋁的最小而烤硬、高強(qiáng)度鋼的性能中等。對(duì)AKDQ的連續(xù)應(yīng)變分布、脈動(dòng)壓邊力進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)圖22，模擬圖23。這兩個(gè)模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斜坡的壓邊力軌跡對(duì)于提高應(yīng)變分布情況是最好的。不僅減少了骨折的可能性降低峰值高達(dá)5％，而且還降低應(yīng)變地區(qū)的增加。這種應(yīng)變分布的改善，提高產(chǎn)品的剛度和強(qiáng)度，減少回彈和殘余應(yīng)力，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的魯棒性。
表6 恒定壓邊力限制的頂燈杯的沖壓性能
圖22時(shí)間變量對(duì)AKDQ鋼圓頂杯壓邊力變化的實(shí)驗(yàn)
圖23 時(shí)間變量對(duì)AKDQ鋼圓頂杯壓邊力變化的模擬實(shí)驗(yàn)
脈動(dòng)壓邊力在調(diào)查的頻率范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)有對(duì)應(yīng)變分布的影響。這可能是由于這一事實(shí)的脈動(dòng)頻率進(jìn)行了測(cè)試只有1赫茲。從其他研究人員以前的實(shí)驗(yàn)可知，適當(dāng)?shù)念l率范圍是從5到25赫茲。AKDQ從模擬和實(shí)驗(yàn)載荷行程曲線比較圖24所示。良好的協(xié)議被發(fā)現(xiàn)的情況下μ=0.08。這表明，有限元模擬可以用來評(píng)估成形性，可以通過使用壓邊力控制技術(shù)獲得改善。
圖24.KDQ穹頂鋼杯的比較實(shí)驗(yàn)與模擬負(fù)載沖程曲線
5結(jié)論和未來工作
在本文中，我們?cè)u(píng)價(jià)一個(gè)復(fù)雜的沖壓件的改進(jìn)設(shè)計(jì)過程中，涉及消除了軟模具相結(jié)合的產(chǎn)品和工藝驗(yàn)證使用單步和增量有限元模擬。此外，改進(jìn)工藝，提出了壓邊力控制實(shí)施以提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的魯棒性組成
三個(gè)獨(dú)立的調(diào)查分析，總結(jié)其在設(shè)計(jì)過程的各個(gè)階段。首先，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了調(diào)查與實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)步驟有限元程序FAST_FORM3D和評(píng)估的能力，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)成形性問題所涉及的工業(yè)驗(yàn)證。 FAST_FORM3D在預(yù)測(cè)中矩形工業(yè)儀表盤和蓋形狀最佳空白成功。在儀器的覆蓋情況下，審判和錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)多小時(shí)可能被淘汰使用FAST_FORM3D和更好的毛坯形狀可能已經(jīng)開發(fā)出來。
其次，模具設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了調(diào)查實(shí)驗(yàn)室和增量代碼的PAM –Stemp系統(tǒng)的工業(yè)驗(yàn)證和評(píng)估的能力，形成與模具設(shè)計(jì)有關(guān)的問題。這項(xiàng)調(diào)查表明，PAM的郵票可以預(yù)測(cè)應(yīng)變分布，起皺，頸縮和斷裂，至少一個(gè)遠(yuǎn)景以及應(yīng)變各種條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。
最后，工藝設(shè)計(jì)階段的調(diào)查，對(duì)質(zhì)量可與壓邊力控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)改善的實(shí)驗(yàn)研究。在此調(diào)查，半球狀，圓頂平底高峰株，杯子的拉伸值都被減少了5％，從而減少了皺折的可能性，并降低了應(yīng)變區(qū)強(qiáng)度。這種應(yīng)變分布的改善，提高產(chǎn)品的剛度和強(qiáng)度，減少回彈和殘余應(yīng)力，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的穩(wěn)定性?？梢灶A(yù)計(jì)，深沖性能將會(huì)在不斷優(yōu)化的壓邊力中逐漸增強(qiáng)。此外，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)中發(fā)現(xiàn)負(fù)載行程曲線，表明有限元模擬可以用來評(píng)估成形性，可控制壓邊力技術(shù)，使用得到改善。
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