钣金件模具在冲压过程中的变形分析.pdf

现代制造工程2006年第8期制造工艺/工艺装备钣金件模具在冲压过程中的变形分析3李捷,董洪全,殷玉枫(太原科技大学,太原030024)摘要钣金件模具在钣金件的冲压成形过程中起着举足轻重的作用。模具在金属成形过程中的塑性变形通常被忽略,然而有些钣金件加工精密程度要求较高,模具变形成为影响工件成形质量的重要因素。基于拉格朗日的弹塑性本构方程建立有限元模型,对模具在工件挤压过程中的变形进行有限元数值仿真,结果表明,在要求精度不高的金属塑性成形中,模具冲头可以按照刚体处理,而在精密成形中必须考虑模具变形对成形件质量的影响,选择的模具冲头材料应具有较大的刚度。为实际生产工艺的制定和模具设计等提供重要的理论参考依据。关键词:模具变形冲压有限元数值仿真中图分类号:TH16文献标识码:A文章编号:16713133(2006)08005604DeformationanalysisofsheetmetaldieintheprocessofpunchingLiJie,DongHongquan,YinYufeng(TaiyuanUniversityofScience&Technology,Taiyuan030024,CHN)AbstractsThesheetmetaldiesplayanimportantroleinthepunchingprocessofsheetmetals.Theplasticdeformationofdies,formingintheprocessofpunching,isusuallyneglected.However,becauseofthehigherreguirementforthemachiningprecisionofsomesheetmetals,thedeformationofdiesproducesagreatinfluenceonformingqualityofworkpieces.BasedonLangalaranee2lasticandplasticconstitutiveequations,aFEMmodelissetuptosimulatethedeformationofdieoccurredintheprocessofwork2piecesqueeze.Thesimulationresultsshowthatthediescanbereqardedasrigidbodysintheprocessofmetalplasticformingwhentheprecisionrequirementsarelowerandthedeformationofdieinfluencedonthequalityofworkpiecesshouldbetakenintoaccountintheprocessofprecisionforming.Itprovidesanimportanttheoreticalbaseforworkingoutpracticaltechnologicalprocessoftheproductsanddesigningdies.Keywords:ThedeformationofdiesPunchFiniteelementNumericalsimulation钣金件模具在金属塑性加工生产中要发生变形。这将对某些精密钣金件的成形过程产生较大影响。金属的冲压过程是一个局部加载、整体受力而驱动金属塑性变形的过程1。采用冲压工艺不但可以提高金属的塑性,改善锻件的力学性能,还能提高生产率,节约金属材料,生产复杂截面形状的产品。影响冲压件成形质量的因素很多,坯料变形不均匀是其中的一个重要因素。目前,板材成形的数值模拟已得到广泛的重视2。本文以U形和盒形类工件的冲压成形过程作为数值模拟研究对象3,4,采用有限元法模拟工件成形过程可以减少试模时间,缩短产品开发周期,降低产品开发费用5。1冲压有限元分析理论111运动方程由连续介质力学理论,系统的运动方程为:Ma+Cv+Ku=F(1)式中:M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；a为加速度；v为速度；u为位移；F为作用力。采用Newmark2beta隐式积分,其一般形式为:un+1=un+tvn+(12-)t2an+t2an+1(2)vn+1=vn+(1-)tan+tan(3)式中:下标n代表迭代次数；t为时间增量；u、v分别653山西省教育厅高校科技研究开发项目(20041231)制造工艺/工艺装备现代制造工程2006年第8期为位移和速度；、分别为常数,采用四节点单元进行有限元离散化时,=1/2,=1/4,因而:(4t2M+2tC+K)u=Fn+1-Rn+M(an+4tvn)+Cvn(4)式中:内力R=vTdv。为消除线性化带来的误差,采用牛顿2拉弗森法进行平衡迭代,迭代求解平衡方程为:ktuu=p(5)ktu为增量步开始时的切线刚度矩阵,第一次求解得:u=u1,下一次迭代有:kt(u+u1)u=R1=P-I(6)式中:P、I分别是外部节点载荷矢量、内部节点载荷矢量；解得:u=u2,反复迭代得:u=u1+u2+u3+(7)迭代收敛条件为位移迭代收敛条件,即:max|ui-ui-1/ui|FRCTOL(8)式中:i为迭代次数号,FRCTOL为定义的收敛允差。112塑性描述冲压过程实际上是金属有限应变的弹塑性变形。描述冲压过程一般采用以前一个相邻构行为参考构行的修正的拉格朗日(UpdatedLagrange)法来描述,设t时刻的现行构行为A,则t+t时刻能量泛涵为:“=AThdA+12AThdA-sptuds+M(9)式中:为t时刻Cauchy等效应力,为其增量；Th为t时刻板厚；u为位移增量场；p为压力；s为表面；M为摩擦项。板料的屈服准则采用Hill的二次屈服准则:Q(22-23)2+G(33-11)2+H(11-22)2+2L223+2J231+2N212-1=0(10)式中:Q、G、H、L、J、N分别是材料的厚向异性参数；11、22、33分别为材料的单轴拉伸屈服应力；12、23、31分别为剪切屈服应力。113摩擦约束摩擦是一种非常复杂的现象,包含许多表面特征。一般最常见的摩擦类型为库仑摩擦模型:fr-nq(11)式中:fr为切向摩擦力；为摩擦因数；n为正压力；q为相对滑动速度比值,q=vr/|vr|,vr为沿切向的滑动速度。2建立分析模型211建立数学离散模型以一个对称杯形件的反挤压为分析模型6,杯形件的反挤压过程如图1所示(几何模型)。这是一个典型的轴对称零件成形过程,将之当作轴对称问题处理,只需建立一半几何模型进行分析计算。将坯料与冲头定义为可变形接触体。选取整个坯料或冲头的所有单元或仅在边界上的常规单元,便定义了一个可变形接触体。在具有对称约束的可变形接触体上定义对称轴,可以替代在局部坐标系下定义对称轴法线方向的零位移边界条件。在完成相互接触的两个可图1冲压示意图图2冲压有限元模型变形体之间的接触检查时,采用双边接触检查模式。实施双边接触检查的时候并无主节点和从节点之分。与单边接触检查相比,双边接触检查计算时间较长,数据存贮量相应增加,但计算精度较高。在有限元分析模型建立过程中,虚拟一个刚性体来推动冲头向下运动。考虑金属在塑性变形状态下的摩擦生热,按照热耦合进行分析计算(初始温度设定为20)。据此有限元分析模型如图2所示。212材料属性坯料的材料选用20Cr。其杨氏模量、比热容和热传导率性质随温度变化的曲线分别见图3、图4和图5。冲头材料参数如下。杨氏模量:E=310000N/mm2(MPa)；泊松比:=0127；密度:=7165e26kg/mm3；热传导率:=2418mW/mmK；比热容:c=3185e8mJ/mgK。此外考虑了冲头材料的加工硬化效应,该材料的加工硬化曲线值见图6。75现代制造工程2006年第8期制造工艺/工艺装备图3材料杨氏模量随温度变化曲线图4材料比热容随温度变化曲线图5热传导率随温度变化曲线图6冲头材料加工硬化曲线3有限元数值模拟结果与分析通过对冲头和挤压件的塑性变形结果进行比较,图7挤压力变化曲线图8最大法向应力矢量图图9冲头圆角处径向位移量图10综合等效应力发现冲头和成形件在挤压过程中的最大塑性应变相对值为(4151-1135)4151100%=72164%。冲头与成形件实际相对变形大小为27146%,可见相对变形量比较大。图7是根据计算结果绘出的挤压力变化曲线,图8显示的是最大法向应力矢量。其值比较大,已经超过了冲头材料的硬化值。图9给出了冲头圆角处的径向位移变化,这从一个方面反映了其变形量大小。从图中可以看出,最大值为31225mm,相对较大。图10则表示了在挤压过程中的综合等效应力。根据模拟分析结果,将冲头材料刚度加大,重新进行模拟计算。模拟结果较初始值得到了很大的改善:冲头最大塑性应变降低到01526,冲头圆角处的径向位移最大值为01145mm。4结论通过冲压过程数值模拟,可以得出以下结论。1)在要求精度不高的金属塑性成形中,模具可以(下转第97页)85设备设计/诊断维修/再制造现代制造工程2006年第8期系数比值有关,而与外力的大小基本没有关系。如果所采用的凸轮曲率过大,则使用时凸轮的转角过大,设计误差过大；如果凸轮曲率太小,则设计时的误差影响过大。所以设计时,主、辅弹簧的弹性系数比值的选取是很重要的。图2不同辅助弹簧弹性系数下凸轮曲线3小结通过以上推导得出凸轮微分方程,绘制出凸轮曲线。经过实例分析可以看出曲线的走势和设计时所取的主、辅弹簧的弹性系数比值关系较大,所以设计时选取不同的参数,可以得到满足不同要求的凸轮曲线,这就需要依据实际情况选取不同弹性系数的弹簧。由于篇幅所限仅举两例,但是对于任意行程和外力范围的情况都是可以进行理论计算的,所以此文的研究分析结果具有一般性,可以用于数控机床加工主、辅式恒力弹簧支吊架的凸轮。参考文献:1沈重光.恒力支吊架J.电站辅机,2002(2):31-34.2蒋大为.空间解析几何及其应用M.北京:科学出版社,2004:106-107.3张铮,杨文平,石博强.MATLAB程序设计与实例M.北京:中国铁道出版社,2003:110-115.作者简介:冯维明,硕士,副教授,研究方向:固体力学。李辉,硕士,研究方向:固体力学。E2mail:L收稿日期:2006203231(上接第58页)按照刚体处理,而在精密成形中必须考虑模具变形对成形件质量的影响。2)在金属成形过程中,如果模具的变形不能忽略,而且对工件成形质量影响较大,则选择的模具材料应具有较大的刚度。3)冲压过程的数值模拟分析,精确地解析了钣金件冲压过程中模具变形对工件成形质量的影响,对于生产工艺路线制定,生产加工和模具设计等具有重要的指导意义。参考文献:1郑莹,吴勇国,李尚健,等.板料成形数值模拟进展J.塑性工程学报,1996,3(4):34.2ZhouD,WagonerRH.Developmentandapplicationofsheet2formingsimulationJ.J.Mater.ProcessTechn2ol,1995(50):1.3ZimniakZ.Problemsofmulti2stepformingsheetmetalprocessdesignJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2000(06):152.4SamuelM.ExperimentalandnumericalpredictionofspringbackandsidewallcurlinU2bendingsofanis