精密連續(xù)模多步拉深有限元分析研究

承善   常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院   江蘇常州   213164

摘  要：分析并研究了某不銹鋼制異形盒的多步拉深工藝，由UG建立參數(shù)化模型，利用板料沖壓模擬專用軟件Dynaform對零件的拉深成形過程進行了有限元仿真，在此基礎(chǔ)上對比仿真及試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者較為吻合，證明采用實體殼單元作為板料模擬異形盒零件的多步拉深能夠精確地預(yù)測包含厚度大變形的沖壓過程。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬，板料，多步拉深

1 引言

現(xiàn)代精密電子零件，如MP4外殼、手機外殼，錄音筆外殼等，通常具有外形復(fù)雜、尺寸小、精度高、表面質(zhì)量好等特點。為提高批量生產(chǎn)的效率，對于這些外形尺寸和厚度較小的拉深成形件，可采用帶料級進拉深模多步拉深成形。拉深工序的設(shè)計是級進模開發(fā)的關(guān)鍵。長期以來，依賴經(jīng)驗公式的級進模拉深工序的設(shè)計，而產(chǎn)品的幾何形狀和材料性能都在變化，所以傳統(tǒng)方法難以預(yù)測成形過程中材料的流動狀態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變分布等[1-2]。運用有限元模擬技術(shù)，對級進模拉深工序進行分析和優(yōu)化，能有效提高模具設(shè)計質(zhì)量、降低成本[3]。

本文采用了動力顯式積分的有限元方法，對某個異形盒零件的多步拉深過程進行了模擬，通過模擬確定了成形工藝，最后通過試驗獲得了滿意的零件，為設(shè)計此類不規(guī)則盒形零件的拉深工藝及模具提供了重要依據(jù)。

2 級進模連續(xù)拉深有限元模型的建立

異性盒零件外形比較復(fù)雜，難以通過幾何展開來獲得初始坯料形狀。另外，幾何展開不考慮塑性變形因素，對于拉延件來說展開后的尺寸是不精確的。Dynaform具有初始坯料估計功能，其原理是基于全量理論（也稱形變理論）。可以假定成形過程是比例加載的（第一次拉深過程可以近似認為是比例加載），僅僅考慮初始的毛坯和變形終了的狀態(tài)，不考慮變形的中間狀態(tài)，采用一步加載。此方法也稱為逆算法。

把零件的網(wǎng)格劃好，并消除單元（特別是零件邊界上的單元）交叉、重疊、縫隙以及小空洞等缺陷，然后打開DYNAFORM中的Blank Size Estimate功能，輸入板料的厚度 、材料參數(shù)等進行自動展開計算，得到坯料的展開輪廓。實際生產(chǎn)中考慮到排樣的方便和經(jīng)濟性，往往采用規(guī)則形狀的坯料，因此，需要把算出來的線條用規(guī)則形狀擬合。結(jié)合零件外形特點，本文用橢圓近似擬合，最終采用的坯料外形如圖1所示。

由沖壓手冊中的計算公式算出此零件需要5次拉深成形，初選各步拉深系數(shù)分別為 ， ， ， ， 。由UG軟件對工件、凹、凸模進行三維建模，1-5步拉深凸模的形狀見圖1。將建模生成的igs文件導(dǎo)入到hypermesh軟件中進行網(wǎng)格劃分和修補，提高模擬計算的精度，最后，將生成的nas文件導(dǎo)入Dynaform中進行數(shù)值模擬。在連續(xù)拉深的數(shù)值模擬過程中，將各個工位模擬后產(chǎn)生的dynain文件導(dǎo)入到下一個工位的模擬中，可以準(zhǔn)確傳遞各個工位的變形歷史。

2.1 邊界條件約束設(shè)置

在單工序拉深模中，坯料周邊處于自由狀態(tài)，不受任何邊界約束。但是，級進模單個工位的矩形毛坯只是整個條料中的一部分，在送料過程中受到了其他工位材料和導(dǎo)料銷的共同約束，因此矩形的邊界材料在板料平面上的自由度受到限制，在邊界約束設(shè)置中約束板料沿Y方向的移動自由度，如圖2所示。

2.2 壓邊圈和浮料器幾何模型

在實際拉深過程中，整個帶料處于送進過程中，因此拉深工位的壓邊圈不能蓋住整個帶料。拉深毛坯只是很小的一塊，其壓邊面積是參與拉深變形的材料面積，這里需要注意的是，切口的載體在拉深時也隨著拉深凸緣材料一起變形，因此設(shè)計壓邊圈時考慮將載體一并壓住，壓邊力的大小根據(jù)壓邊面積計算得到。

條料在送進過程中經(jīng)各個工位沖壓后，條料上的坯件由平面狀逐漸變成了立體狀，這是影響送料通暢的主要原因，為此常采用浮料器，使條料在送進過程中，浮離下模平面一定高度，實現(xiàn)自動送料。使用浮料器往往在一副模具里設(shè)置多個。

2.3 有限元模型的建立

在Dynaform中選取Material Type 36的材料模型，這種模型適用于厚向異性的彈塑性強化材料。選取Dynaform軟件材料庫里面的S304材料。

在第一次拉深中，考慮到良好潤滑，板料和壓邊圈、凸模、凹模之間的摩擦系數(shù)都設(shè)為0.125，板料和浮料器之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.25。壓邊力設(shè)為300N，浮料力設(shè)為1000N。由于顯式動力算法對速率不敏感，一般采用將沖壓速度放大的辦法，來提高計算效率[4]，但速度超過一定的臨界值后，使系統(tǒng)的慣性效應(yīng)顯示出來，影響仿真結(jié)果的可信度和數(shù)值計算的穩(wěn)定性。經(jīng)實際模擬顯示在一定范圍內(nèi)的沖壓速度對模擬結(jié)果影響不大，這里取沖壓速度為3000mm/s。

3 模擬結(jié)果分析

進行第1次拉深模擬時，在自動設(shè)置里進行板料自動設(shè)置，LS-DYNA求解器成功運行終止后將生成dynain文件，它包含毛坯的節(jié)點位置和應(yīng)力應(yīng)變的全部信息，以供后續(xù)工步使用。經(jīng)調(diào)整優(yōu)化工藝參數(shù)后，將凸模幾何形狀改為圖3，取凸模最小圓角c=0.3，壓邊力為300N，模擬結(jié)果顯示凸模圓角的選取對第2次拉深質(zhì)量的影響較大。得到第1次拉深后的零件厚度分布如圖4所示，最大減薄率為24%。

從第1步拉深到第5步拉深，零件由橢圓形件過渡為異性件，從5步拉深FLD結(jié)果來看，都沒有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，在第5步拉深拉深結(jié)束時板料在底部較小圓角側(cè)最薄，約為0.21mm，最大減薄率接近30%。拉深時直壁部分的板料受到切向壓力而增厚，出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。但隨著后續(xù)工序的剪裁，起皺問題可以忽略。從多步拉深模擬結(jié)果來看，零件的成形質(zhì)量較好。

4 與多步拉深試驗的比較

按照模擬得到的工藝參數(shù)進行模具設(shè)計，并進行試模，將每步拉深得到的零件從A-A，B-B方向進行剖切，如圖5所示。

將第5次拉深后有限元模擬與試驗得到的零件厚度值進行對比，從圖6中可以看出，模擬值和試驗值吻合的較好，零件的危險截面處于A-A向也就是縱向凸模圓角處，模擬值和試驗值基本吻合，最大減薄率達到30%左右。從A-A向看，凹模圓角處試驗值和模擬值相差很大，這是由于在實際成形過程中，材料的形狀和性能不斷變化，且零件和模具表面的摩擦力比理想情況的偏大，所以邊角部分材料受壓，增厚很大，這個可以通過減小零件與模具表面的摩擦力，精修模具來改善。整體壁厚分布比較均勻。