（机械工程专业论文）薄壁盒形冲压件法兰区起皱及边缘切削有限元模拟.pdf

原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：碎日期：盆垃冱年五月上日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签名日期泄年上月卫日 中南大学硕士学位论文摘要摘要本文选取在飞机、汽车等运载工具制造业中广泛应用的薄壁盒形结构为研究对象，采用理论研究、有限元分析以及实验检测三种研究手段相结合的方法，对薄壁方盒冲压件法兰区成形过程中发生的起皱失稳现象展开了深入的研究，阐释了盒形件法兰区起皱产生的类型和机理，并获得了影响起皱程度的各个因素的作用规律。此后，对成形后盒形件法兰边缘的切削过程进行了有限元分析。获得了以下结论：( 1 ) 在冲压成形过程中，盒形件法兰区的起皱类型和形式不断变化并且多种混合；其材料流动特点导致材料厚向分布不均匀，是产生法兰区起皱的原因之一。( 2 ) 分析了影响起皱程度的各个因素的作用规律，有限元模拟结果表明适当地减小凹模圆角，增加接触摩擦力，采用合理的压边力加载类型和分布，设计合理的板坯形状，能够减少法兰边缘的起皱程度。( 3 ) 切i l i a d 工产生的垂直于法兰平面的残余应力沿法兰边缘分布不均匀，是降低零件尺寸精度和材料的抗疲劳性能的主要原因；刀具进给量和切削深度的增加，刀具前角的减小和刃口钝圆半径的增大，会增大垂直于法兰平面的最大残余应力。( 4 ) 通过一系列的冲压实验结果证明了有限元模拟结果和所得结论的正确有效，采用改进后的模具和冲压工艺明显改善了盒形件法兰区成形效果。关键词：薄壁盒形件；冲压成形：起皱；有限元；切削 中南大学硕士学位论文a b s t ra c ta bs t r a c tt h et h i n w a l l e db o xw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r , w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt r a n s p o r te q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gs u c ha sa i r p l a n ea n da u t o m o b i l e c o m b i n i n gt h r e ek i n d so fa p p r o a c h e si n c l u d et h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a le v i d e n c e ，w r i n k l e sa tt h ef l a n g ea r e ao ft h i n - w a l l e db o xd u r i n gt h es t a m p i n gp r o c e s sw a sd e e p l yi n v e s t i g a t e d 1 1 1 et y p e so fw r i n k l e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i s m sw e r ee x p l a i n e d ，a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fw r i n k l e sw e r ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y a f t e rt h a t ，t h ec u t t i n gp r o c e s sa tt h ef l a n g ep e r i p h e r yo ft h ef o r m e db o xw a sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 。1 1 1 em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) d u r i n gt h es t a m p i n gp r o c e s s ，t h et y p e sa n ds h a p e so fw r i n k l e si nt h ef l a n g ea r e aa r en o ts i n g l eu n d i v e r s i f i e d ，b u tc h a n g i n ga n dc o m p l e x i n h o m o g e n e o u sm a t e r i a lf l o wi nt h ef l a n g ea r e ac a u s e st h en o n u n i f o r md i s t r i b u t i o no ft h i c k n e s so nt h ef l a n g ef a c e ( 2 ) t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fw r i n k l e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t so ff m i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ee f f e c t i v ew a y so fd e c r e a s i n gw r i n k l e si nf l a n g ea r e ac o n t a i n ：r e d u c i n gt h ed i er a d i u sa p p r o p r i a t e l y ,i n c r e a s i n gt h ec o n t a c tf r i c t i o n ，u s i n gr e a s o n a b l et i m e v a r i e da n dz o n a lb l a n kh o l d e rf o r c e ，r a t i o n a ld e s i g no fb l a n ks t r u c t u r e ( 3 ) 1 1 1 en o n u n i f o r md i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s sa l o n gt h ef l a n g ep e r i p h e r yd u et oc u t t i n gp r o c e s si sam a jo rc a u s eo fd e c r e a s i n gt h es i z ea c c u r a c yo ff o r m e dp a r ta n dt h ef a t i g u ee n d u r a n c eo fm a t e r i a l a st h ei n c r e a s i n go fc u t t i n gs p e e d ，d e p t ha n dt h eb l u n tr o u n dr a d i u s ，o rd e c r e a s i n gt h et o o lr a k ea n g l e ，t h er e s i d u a ls t r e s sp e r p e n d i c u l a rt ot h ef l a n g ef a c eb e c o m e sl a r g e r ( r 4 ) t h ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ec o n c l u s i o n sw e r ep r o v e db yas e r i e so fs t a m p i n ge x p e r i m e n t s ，g o o df o r m i n gq u a l i t yo ft h ef l a n g ea r e aw a sa c h i e v e dw i t ht h ei m p r o v e dm o u l d sa n dp r o c e s s e s k e yw o r d s ：t h i n - w a l l e db o x ；s t a m p i n g ；w r i n k l e ；f e m ；c u t t i n gi i 中南大学硕士学位论文目录目录摘要ia b s t r a c t i i第一章绪论11 1 引言11 2 薄壁盒形件法兰区成形特点分析11 3 薄壁盒形件仿真技术的研究进展21 3 1 板材成形模拟的研究31 3 2 薄壁件起皱仿真的研究51 3 3 切削模拟的研究一61 4 选题目的与意义71 5 主要研究内容7第二章薄壁盒形件法兰区起皱及切削机理与分析92 。1 法兰起皱的机理与分析92 1 1 起皱的力学原理92 1 2 盒形件起皱的分类及特点1 12 1 3 影响起皱的因素及消除措施1 42 1 4 起皱机理的分析手段1 52 1 5 起皱程度的衡量182 2 法兰边缘的切削机理与分析2 02 2 1 盒形件法兰边缘切削的原理2 02 2 2 切削加工的变形与残余应力2 02 2 3 薄壁件切削加工精度的影响因素2 2第三章薄壁盒形件法兰区起皱的有限元模拟2 43 1 薄壁盒形件有限元模型的建立2 43 1 1 有限元仿真的基础理论2 43 1 2 薄壁盒形件有限元模型的建立2 93 2 有限元模型的实验验证3 03 3 起皱时的状态分析3 13 3 1 应力状态分析3 13 3 2 材料流动分析3 23 4 影响法兰区成形的因素及模拟结果分析3 43 4 1 凹模圆角的影响3 43 4 2 摩擦因数的影响3 5 中南大学硕士学位论文目录3 4 3 压边力的影响3 53 4 4 板坯形状的影响3 73 5 本章小结3 9第四章成形件法兰边缘切削的有限元模拟4 04 1 法兰边缘切削有限元模型的建立4 04 1 1 几何模型4 04 1 2 材料模型4 04 1 3 切屑分离准则4 l4 1 4 切屑与刀具的接触与摩擦模型4 24 1 5 单元网格划分4 34 2 有限元模拟结果及分析4 34 2 1 刀具进给量的影响4 44 。2 2 切削深度的影响4 54 2 3 刀具参数的影响4 64 3 本章小结4 8第五章薄壁方盒件法兰起皱的实验验证5 05 1 实验条件与相关参数5 05 2 实验方案5 15 3 实验过程5 25 4 实验结果与讨论5 45 5 本章小节5 6第六章结论与展望5 76 1 结论5 76 2 展望5 8参考文献5 9致谢6 6攻读硕士学位期间主要研究成果6 7i i 中南大学硕士学位论文第一章绪论图1 1 盒形件法兰区应力分析图图1 - 2 常见的盒形件起皱示意图1 3 薄壁盒形件仿真技术的研究进展金属板材冲压成形过程涉及到多种非线性问题，其中包括了板料冲压成形过程中发生的大变形所导致的几何非线性，板料弹塑性变形所导致的物理性能非线性，以及模具与板料之间的接触条件所导致的边界非线性等 7 1 。起源于2 0 世纪中叶的有限元法是计算机模拟技术中最常用的方法，其最关乒尘口寸卟个口专 中南大学硕士学位论文第一章绪论键的思想是将实际中的连续体分解为离散的单元集合体进行计算分析。应用有限元法分析问题时，可以分为3 个步骤：首先采用“化整为零的思想，将连续的求解域离散为有限数量的“单元”集合，用在每个单元内拟合出的函数分区域地对需要求解的场进行表示；接着基于积零为整的思想，把各个单元再次组合成为一个简化的整体模型，并对这个模型进行数值计算得到若干离散节点上的解；最后将这些已求得的解带回到各个单元中，以计算其他待求的物理量【8 。9 】。影响板料成形过程的因素主要包括：模具结构、材料性能、润滑条件和冲压工艺制度等，且不同的影响因素在板料成形过程的中的作用常常相互耦合在一起。经验主义在冲压技术中的作用充斥着上个世纪的大部分时间，对于金属材料塑性成形性能早期的研究主要是基于实验，例如f l d 实验、冲压实验、胀形实验等【1 1 0 l 。1 3 1 板材成形模拟的研究自从1 9 6 0 年“有限元”的概念被提出【l l 】以来，在工程领域的许多问题中都能够运用有限元方法加以分析和解决，因而也逐渐占据了当代数值计算方法中应用最广泛且最有效的头座。其在金属塑性加工问题中的应用也伴随着弹塑性变形理论和计算机技术的迅猛发展而得到了越来越广泛的关注。板料冲压成形的有限元模拟技术经过了多年的发展，已经取得了巨大的成功，到如今已广泛应用在实际工程问题的分析与预测中。m a c r a l 等人于1 9 6 7 年首先提出了弹塑性有限元法的理论u 别，在此基础上对小变形弹塑性矩阵的显式表达式的推导，奠定了弹塑性有限元发展的坚实基础【1 3 1 。随后，h i b b i t 等人在有限变形理论的基础上提出了大变形有限元方程【1 4 】，k o b a y a s h i 等人提出了刚塑性有限元法并首次将有限元法应用于冲压成形过程的模拟的分析中【1 5 】。2 0 世纪7 0 年代末，研究者们采用有限变形公式在流动坐标中推导出了应用于薄板成形过程仿真模拟的有限元方程【16 。，标志着有限元仿真技术在板料冲压成形问题中广泛应用时代的到来。板料成形f e m 技术的发展历史大致可以分为3 个阶段：首先是上个世纪8 0 年代之前的初级阶段。在这段时期内，由于计算机发展水平较低，并且有限元相关理论和材料与物理模型的发展还十分不完备，因而研究主要集中在建立简单的有限元模型和少量简化的应用，主要是一些二维问题。第2 个阶段大致是1 9 8 0 年至1 9 9 0 年间。在这个阶段，对于三维板材成形的有限元分析的研究逐步开始展开，板料成形的模拟分析开始应用于汽车制造 中南大学硕士学位论文第一章绪论行业中，成形分析中尝试采用多种不同的三维板壳单元。研究人员运用弹塑性有限元法，模拟分析了形状较为复杂的三维板料成形过程，得到了与实验结果非常贴合的模拟结果【1 7 1 。从此，板料成形的计算机模拟技术开始广泛地应用在汽车制造行业中。第3 个阶段即上世纪9 0 年代至今。伴随着板料成形分析中的c a d 技术和c a m 技术的快速发展，并与c a e 技术的结合应用，使得仿真技术进入了“虚拟制造系统 时代。有限元显式积分算法在板料成形仿真中的应用，把理论研究推向了实践的层次。特别是在9 0 年代初开始举办的板料成形3 维数值仿真国际会议n u m i s h e e t ( i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo i ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no f3 ds h e e tf o r m i n gp r o c e s s ) ，极大地促进了板料成形有限元模拟技术的在实践生产中的广泛应用。在1 9 9 6 年召开的n u m i s h e e t 会议之后，世界上几家大型汽车公司纷纷赞同在新车型的开发中，都必须要先经过数值模拟分析测试后才能进入下一步生产环节【1 8 2 1 1 。总之，自从进入板料成形模拟技术发展的第3 个阶段以后，已取得了巨大的进展，并逐渐发展了诸如工业和其他许多不同应用领域，并在一些复杂的工程问题中扮演了重要的角色。世界上的几家大型汽车公司均已建立了较完整的车身典型零件分析库，并设立了专门从事数值模拟工作的技术部门，取得了非常丰富和实用的研究成果。此外，已有板料成形过程中的微观摩擦行为的模拟研究的报道，解释了接触表面在滑移过程中的粗糙度、局部压力和摩擦系数的变化规律【冽；也有研究报道采用自适应有限元模拟技术，通过在成形过程中连续调整压边力的方法，得到了控制成形极限和失稳起皱的理想压边力曲线 2 3 1 。计算机有限元模拟技术引入我国以后，相关的研究工作在近些年也取得了不少成果，并在许多领域中得到了应用。许多高校从上个世纪八十年代开始，就开展了独立的开发研究，并与企业合作进行了许多项目研究工作。例如，吉林大学和北京航空航天大学均独立开发出了应用于板料冲压成形的仿真系统和应用软件。第一汽集团公司与吉林大学合作，专门成立了多部门联合组成的板材成形f e m 技术团队，经过近3 年的努力，成功地开发出了某型号油箱底壳的一次成形技术。上海大众汽车有限公司与上海交通大学合作，采用有限元模拟分析手段，成功地改进了汽车复杂零件的选材与成形工艺。尽管如此，我国的计算机仿真技术水平依然存在羞明显的缺乏和不足，对于板料成形的f e m 技术的研究还需要进一步发展以下几个方面 2 4 。2 6 】：( 1 ) 进一步优化材料本构关系以及材料破裂和起皱准则，改进单元构造技术和网格划分算法，完善边界处理技术，优化接触模型，目标是提高计算效率和精确度。4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 研究团体自主开发的专业有限元软件由于具有投资消耗和维护资金较少的 经济优势，因而在诸多研究与生产开发领域一直发挥着重要的作用。例如，西北 工业大学就开发了能够预测板带材和管材弯曲过程中的皂皱失稳状况的计算机模 拟系统1 3 4 3 5 j 。 虽然有限元模拟手段为研究薄壁件失稳起皱提供了强有力的技术支撑，可是怎 样提高预测结果的准确性和有效性，还需要进一步的对材料模型、失稳起皱机 理和有限元关键算法进行改良和进一步的探索，以使得该方法最终在实际生产 设计中充分发挥其优势作用。 1 3 3 切削模拟的研究 切削加工有限元模拟技术的关键之处主要包括材料模型，网格技术和切削分 离标准。 对于切削加工过程的仿真，由于被切削材料会发生剧烈的弹塑性变形，因而 有必要对模型中发生的非线性问题和有限变形下材料内部区域的应力应变状态 进行分析和考虑。材料的本构模型常常被用来再现加工成形过程中的动态响应 p 6 j ，建立正确有效的材料本构模型是实现切削仿真的关键。由于切削加工过程 是非常复杂的，如何建立可以正确地反映具有高温度和高应变率等特点的材料本 构模型是一个艰巨而又必须的难题。实际应用中常根据不同材料力学性能试验得 的本构关系并结合大应变理论建立所需本构方程。目前，在切削加工仿真中较常 用的材料本构模型有j o r s o n c o o k 模型、o x l e y 模型、m a e k a w a 模型和e r c 模型 等。 由于切削是一个连续动态的过程，在模拟过程中常常出现的网格畸变会导致 预测精度的降低，这时候就必须采用自适应网格划分技术动态地对工件的网格进 行连续的重划分。首先需要建立网格重划分的判断准则，界定使用网格重划分的 条件【3 7 】，然后在上一步中的几何结构下重新划分网格，并生成合理的新网格系 统，最后再将相应材料信息( 如应力场、温度场等) 载入至新的网格系统中去。 切屑与材料基体发生分离的判定准则可以分成几何结构分离标准和物理性 能分离标准。几何分离标准是根据刀具尖端与接触的材料节点之间的距离，并且 规定当在加工路径上其值低于某预定临界值时，材料节点将一分为二，即一个保 留在加工表面上，一个沿刀具前侧面移动。但是，几何结构分离标准在实际寻找 判定值时显得非常困难这一点对于不同的材料的选用和不同的切削加工参数 的情况就显得非常不便。物理分离标准是根据与刀具尖端接触的材料节点上的 物理性能参数来进行定义的，即规定当单元节点中某性能参数的值超过相应的 中南大学硕士学位论文第一章绪论临界判定值时，就会发生节点的分裂。美国伊利诺斯州大学最早地对金属切削加工的机理进行了系统的研究，并成功地开辟了金属切削加工有限元模拟技术的先河 3 8 1 。b i l l 等人 3 9 1 对比研究了在3 种不同的有限元软件中建立的切削加晡限元模型，发现三者都不能够实现切削加工过程的精确模拟，并分析其原因是切屑分离准则存在的缺陷造成的。此后有文献报道了应用有限元软件a b a q u s 建立三维高速切削有限元模型研究刀具的切削力和切削热【4 0 1 ，o h b u c h i a 等人【4 1 】建立了基于热和材料应力与应变率的切削有限元模型，并模拟再现了切屑的绝热剪切现象。国内切削有限元模拟技术在近年来也取得了一定的发展。例如，清华大学通过建立理想化的平面应变切削模型，分析了切削加工过程中的形貌和性能的变化与分布规律f 4 2 】。浙江大学建立了结合几何与应力的新的切屑分离标准，并成功应用于切削热力耦合的有限元模型【4 3 1 。山东大学通过有限元模拟分析和预测了铝合金薄壁件在切削加工过程中发生的变形及其产生机理l 4 4 j 。切削加工有限元模拟技术在今后的发展趋势包括：不同加工种类有限元模型的多样化，扩展其应用范围；建立更广泛的材料模型；专业切削有限元分析软件的开发等。1 4 选题目的与意义金属薄壁盒形结构在交通运输、航空航天、电器制造等领域中得到了广泛应用。由于盒形结构形状是非轴对称的，它的受力分布、变形分布和变形速度沿变形区的分布往往是不均匀的。这种不均匀性加之薄壁零件刚性较差，在加工时法兰区边缘常发生起皱现象，因而如何控制加工精度、减少形面误差始终是薄壁盒形件加工工艺需解决最重要问题。本课题的目的就是系统地研究影响薄壁盒形件法兰区边缘成形的各个因素的影响规律，包括模具圆角、润滑条件、压边力、板坯形状等，为薄壁盒形件的成形工艺设计提供参考依据。1 5 主要研究内容本文的主要研究内容如下：( 1 ) 选取在飞机、汽车等运载工具制造业中广泛应用的薄壁盒形结构为研究对象，针对影响方盒冲压件法兰区起皱失稳现象的产生机理和影响因素展开了深入的理论研究。7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 在理论研究的基础上，结合有限元分析手段，系统地研究了冲压成形过 程中造成法兰区边缘起皱的各个因素的影响规律，包括模具圆角、润滑条件、压 边力、板坯形状等。并通过与实验结果的对比证明了模拟研究所得工艺建议的正 确性和有效性。 ( 3 ) 使用有限元分析探究了切削过程中的工艺参数对法兰区边缘成形状况 的影响，并提出了工艺参考建议。 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究锅5 南和万15 万d 2 y 删氰坂咄，筹2( 2 - 4 )其中i 为惯性矩，若将板料的宽度设为b ，厚度为f ，则有：，：堡1 2当内部应力矩和外部应力矩达到平衡时，可以得到：w 冬一哪将式( 2 6 ) 积分后，整理可得：c = 争其中，l 为受压区的长度。br崔_( a )( b )图2 1 临界压力下板料截面应力分布示意图 4 5 j( 2 - 5 )( 2 - 6 )( 2 - 7 )已有文献报道，当材料在塑性变形过程中受压而发生失稳时，其真实的压应力临界值其实要比通过式( 2 7 ) 计算得到的结果低。也就是说，失稳现象发生时的应力临界值其实是小于上述值的。因此，实际中应该采用下面的公式计算压力临界值： 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究瓦= 孚相应的板料压应力的临界值为：咿警( 圭 2( 2 - 8 )( 2 - 9 )综上所述，可知与板料抵抗受压失稳的性能相关的材料因素主要包括材料的刚度和受压区内的尺寸 4 6 1 。2 1 2 盒形件起皱的分类及特点2 1 2 1 起皱的分类( 1 ) 按应力状态分类根据工件所受应力状态的不同类型，通常将引发的起皱分为4 种类型，即切应力起皱、板内弯曲应力起皱、压应力起皱和不均匀拉应力起皱 45 1 ，参照图2 2 中所列。( a ) 压应力起皱一( c ) 不均匀拉应力起皱- + - - - - - - 4 - - - 一- - 一( b ) 切应力起皱( d ) 板内弯曲应力起皱图2 - 2 平板起皱按应力状态的分类示意图压应力起皱是应力引起起皱类型中最常见的，也是最直接的起皱类型，例如 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究圆筒形结构的冲压零件在法兰区发生的起皱等。切应力起皱在本质上依然是由于受到间接引发的压应力造成的。一般情况下，剪切失稳极限应力较压缩极限应力高，故而受压缩失稳常先于受剪切失稳。不均匀拉应力起皱是由于板料在大小或分布不均匀的拉应力作用下，产生了沿垂直方向的间接压应力而造成起皱现象的发生。研究表明【4 1 ，在盒形零件的冲压成形过程中，如果没有拉深筋的限制作用，法兰直边区与端角区内的材料流动不均匀，这种流速不均匀性会在板料的法兰平面内产生一个弯矩，造成法兰端角靠近凹模圆角区的附近区域和法兰直边区中部出现起皱现象，即板内弯曲应力起皱。根据诱发起皱的应力状态进行分类能够方便地找到失稳原因并采取措施，这种分类方法体现了起皱的本质，但并不能很直接地观测到，因而还应考虑其他的分类方法。( 2 ) 按起皱部位分类由于盒形件在成形过程中发生起皱的部位具有固定的分布规律，因而可以据此将起皱进行分类。比如凸模底部起皱、凹模圆角起皱、法兰区起皱、侧壁起皱等。按起皱部位分类非常直观，但与诱发起皱的原因没有直接联系，不便于寻找失稳原因和采取改进措施。( 3 ) 综合分类前文所述的两种分类方法均有独自的优势和缺陷，如果把二者综合起来对盒形零件的起皱类别加以区分则会更加实用。盒形零件在冲压成形过程中，材料向凹模内流动会造成切向压应力作用，从而造成法兰变形区的起皱。尽管当压边力是通过组合面或曲面而施加的情况下，其f 也的应力也可能会引起法兰区的起皱现象但融来讲，压应力引起的起皱仍然占据了主要的地位。与法兰区的起皱对比之下，位于凹模内板料的起皱则显得更加复杂，可以分为凸模底部区和侧壁区。对于侧壁垂直结构的冲压件，凸模与凹模会对板坯腋形有控制作用，因此侧壁产生起皱的情况主要还是发生在侧壁悬空的零件中，而侧壁悬空时发生起皱的原因则常常是由于受到不均匀分布的拉应力引起的。起皱现象若发生在凸模底部，则几种应力因素都有可能。综上可见，对于一种起皱现象的解释决然不能够归结为某种单纯的原因导致，而首先应该全面地包括多种原因，再进行主次区别【4 6 】。2 1 2 2 不同起皱类型的特点实际生产中对于起皱类型的判断，需要充分考虑零件的结构特征、变形规律、1 2 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究受力状况和皱纹形貌等因素。第一步可以按起皱发生的具体位置进行标定，第二步是分析起皱区域的应力状态，得到引发起皱的根本原因，最后确定相应的防护措施。在直接观察到发生起皱的区域之后，需要对起皱区域的受力特点进行分析。由于应力状态的不同而造成的起皱分别具有如下特征：( 1 ) 压应力起皱：当板坯在压应力的作用下产生起皱现象，其皱纹纹路的方向与压应力分布方向总是垂直的。( 2 ) 切应力起皱：当板坯受到非同轴的平衡外力时，会产生切向应力分量而导致起皱的发生，此时皱纹分布方向与所受外力夹角约为4 5 0 。( 3 ) 拉应力不均匀引起的起皱：当板坯受非均匀的拉应力而造成变形不均匀时，间接引起了垂直于受力方向的压应力，若达到一定的临界值，则容易导致起皱现象的发丝；此时皱纹纹路沿着受力方向分布。( 4 ) 弯曲应力引起的起皱：板坯所受的外力为成一定角度的弯矩，使得起皱区一侧受拉，一侧受压。皱纹发生在受压侧，并呈半开口形状。在上述起皱特征的基础之上，判断起皱类型的方法主要有：( 1 ) 依照起皱区域内的受力状态。首先分析起皱区域内所受的力主要是压应力，拉应力，切应力，还黾不均匀拉应力引起的，相应地则可以相应地做出起皱类型的判断。( 2 ) 依照起皱纹路方向。如果在起皱发生的区域内的皱纹纹路方向垂直于所受外力方向，则其类型应属于压应力起皱：如果在起皱发生的区域内的皱纹纹路方向平行于所受外力方向，则其类型应属于不均匀拉应力起皱：如果在起皱发生的区域内的皱纹纹路方向与所受外力方向成4 5 0 角，则应属于切应力起皱类型。另外，当外加拉力引发起皱时，有可能为切应力起皱与不均匀拉应力起皱的混合，这种情况下如果皱纹纹路方向与所受外力方向的夹角很小时，可以判断不均匀拉应力起主要作用；若接近4 5 口角，则切应力起主要作用。( 3 ) 依照零件的结构特征。对于具有轴对称结构的冲压零件，位于法兰平面上和凹模圆角处的起皱现象的根本原因其实是压应力造成的。这是因为具有这种结构的板料在凸模冲下时引起的板料内部径向拉应力分布是均匀的，而均匀的拉应力是不会导致起皱的，所以导致起皱的原因必然是切向分布压应力。对于不是轴对称结构的冲压零件，板料发生起皱现象的原因则比较复杂，通常可以髓分析起皱发生区域内的局部状况进行判断，如果起皱发生区域内的局部形貌比较对称，其不均匀拉应力为主要因素；如果起皱发生区域内的局部形貌呈不对称状，那么切应力就是引发起皱的主要因秦 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究2 1 3 影响起皱的因素及消除措施2 1 3 1 影响起皱的因素前面分析了盒形件在冲压成形过程中板坯受到的多种不同的应力状态及其相关因素，它们同时也必然会成为导致板坯起皱现象的原因。( 1 ) 成形结构的影响研究表明，成形件的结构与法兰区和侧壁区发生的起皱现象紧密相关。轴对称结构的零件在法兰区和侧壁区的受力通常能够均匀分布，并且如果零件构形曲率相差较小，板坯各处受力就更趋于均匀：反之，如果零件构形各处曲率变化相差较大时，板坯各处受力则会不均匀从而导致起皱现象的发生。当法兰区为平面时，对于板料受力分布的均匀化控制相对简单，可是对于曲率或高度的变化剧烈的法兰面，其受力则往往分布不均。变形时板料会同时顺着凸模冲下方向及其切向流动，因而容易在材料流入的区域发生堆积从而导致起皱。如果冲压成形区域的法兰面较宽，则法兰区外缘的压应力越大，这种堆积作用引起的起皱现象更为明显。对于直壁结构的零件，由于模具能够对零件起到约束作用，因而具有相对不错的抵抗起皱产生的能力；相反地，对于侧壁悬空结构的零件在冲压成形过程中则更容易受到不均匀分布的拉应力而产生起皱。另外，冲压件的深度也会对起皱产生影响，因为其直接关系到所需毛坯的尺寸大小，且具有悬空侧壁结构的板料则会受到较大的不均匀拉应力。( 2 ) 材料的影响材料的性能直接关系到板料抵抗屈服和失稳变形的能力，其中与之相关的硬化指数和屈服强度等参数对板材起皱的作用尤为明显。首先，硬化指数反映了板材在冲压成形过程中的应变强化能力，其值越大则板料的承载能力越强，变形越均匀，相应的抗起皱能力也越强；材料的屈服强度则反映了板材在冲压成形过程中发生塑性变形时的极限应力，如果其值较低，就意味着在冲压时板材更容易发生塑性变形，使得发生起皱的趋势减小；另外，材料的各向异性系数体现了板材冲压过程中不同取向变形的趋势大小，若其在厚度方向的值越大，则板材越不容易发生交薄或增厚，板坯抵抗起皱的能力也就更强【4 7 1 。( 3 ) 模具构造的影响模具与板坯在冲压过程中的贴模程度会对起皱有明显的作用，直接关系到板料抵抗起皱的能力。为降低板坯受力不均匀的状况及其发生的范围，提高其抗皱1 4 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究析。2 1 4 。1 解析法解析法是最为经典的研究方法，由于它能够准确、直观地给出各种作用参数对材料成形的影响以及存在的内部联系，能够方便地进入更深层次的分析与改善工艺，而且计算所需要的时间很少。故在一般的生产实践中有着其它分析方法所不具备的快捷。但是塑性成形是一个非常复杂的变形过程，包括了多种非线性因素以及复杂的加载历史与边界状况等等，使得用解析法分析时不得不进行一系列的简化才能求出近似解，因而只能得出比较粗略的经验估计值。对于少量的简单的板材成形，可以结合少量的试验数据进行应用。2 1 4 2 实验法由于能够结合具体情况给出同实际成形条件吻合很2 子的成形极限参数，故在板材成形特别是在复杂曲面零件冲压成形的成形极限参数确定中应用很广。但实验分析方法确定的成形极限参数经常是针对某一具体的问题，不具有通用性，而且实验量大。实验法与解析法结合能够实现盒形件智能化冲压的法兰皱曲预测【4 8 1 。确定临界载荷值是研究冲压成形的稳定性时的关键问题之一。临界载荷的意义在于判定参数由稳定进入不稳定范围的转折点，在实际加工中的起皱控制具有非常重要的作用。目前应用最广泛的压缩失稳判定准则主要有动力准则、静力准则和能量准则三种。( 1 ) 静力准则当零件处在某种载荷作用下时，如果内部某处在无限接近的区域内存在着平衡的受力状态，那么这个位置的受力状态便必定为不平衡，所谓临界载荷便是使零件内部结构具备这种特点的最小载荷。利用这一准则，只需要列写微扰运动的平衡微分方程，此时临界屈曲载荷即相应于线性微分方程的特征值问题。这一准则适用于静力稳定系统，是小挠度线性理论的产物。( 2 ) 能量准则当系统总势能取极小值时，那么相应地它所处于的平衡也是稳定的。这一准则的实质可理解为：若系统相对于其所处于的任何可能偏离都将违背某个物理定律，则该系统不可能产生任何偏离，亦即系统为稳定的。若将系统总势能n 视为泛函数，则在一维的情况下有：n = n ( u )( 2 1 0 )1 6 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究相应地，总势能增量为：a f i = n 0 + 砌) 一n 0 )( 2 1 1 )将上式展开成级数形式为：11a f i = a l l + 寺牙n + _ ，_ 2 3 1 - i + ( 2 - 1 2 )么0据此可以得到如下结论：k l - i = 0 ，妒1 1 0 时，总势能为极小值，系统保持稳定状态；k l l = 0 ，舻i i 0 时，总势能为极大值，系统处于非稳定的状态；k l - i = 铲n = 0 时，系统处于临界平衡状态。( 3 ) 动力准则动力准则的内容是：当物体的运动是由于某扰动引起时，若随着扰动作用的减小，物体的运动也逐渐减小直至消失，就可以认为平衡是稳定的。可以通俗地理解为当一个系统受到极小的扰动后仍可以保证其始终只在原状态附近运动而不远离它，即可认为该系统稳定，相应地造成系统不稳定的最小载荷就是其临界值。此乃稳定研究中应用比较普遍的准则，而且在数学上导出扰动线性方程式使得临界值问题成为一个线性问题。在实际应用中，动力准则相比于另外两种准则要更适用于非线性起皱问题的分析。2 1 4 - 3 有限元分析法从上个世纪中叶开始伴随着计算机科学的发展而出现的有限元法，经历了几十年的衍变，形成了其非常丰富的算法形态以及日益巩固的理论基础，并且相应地出现了方便应用的软件。通过这些有限元软件在诸多工程与工业领域中的应用，大大减少了生产实践中的工作量与完成时间，为人类社会与科学技术的快速发展做出了不可磨灭的贡献。有限元算法的基本思想是将连续介质体分解为离散单元的组合，然后根据单个单元的插值函数建立起单元模型和相应的矩阵方程，再组合成整个系统的方程组合进行求解，最后换算为其他需要的结果。有限元法的使用范围大致包括：可以分析形状十分复杂的、非均匀的多种工程结构，理论上各种固体材料的复杂成形过程均能够用该方法加以分析。可以在计算机中模拟各种复杂的材料本构关系、载荷和条件，能考虑多种因素对变形的影响，如外界因素和内部边界等。可以在计算结果中获得大量的各类信息，其中包括应力应变场和材料流动规律等。能够在较短时间进行大量的模拟试验，方便快速有效地对工程方案进行筛1 7 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究选改进。板料成形有限元模拟的大致流程如图2 3 所示。2 1 5 起皱程度的衡量图2 - 3 板料成形有限元法的应用流程图起皱的测量方法主要有【4 9 】：应变片法、机械法和位移计法。其中应变片法由于应变片必须贴在测量部位，因而只能测得面内的变形，对与起皱高度则无法测量；机械法由于测量工具的限制，只能够测得变形过程中某静止状态下的皱纹高度，无法实现起皱过程的连续测量；使用位移计法则不仅可以测得成形面的变形以及皱纹高度，还可以连续测量整个起皱过程。目前国内对于成形板材起皱的测量普遍采用柔性三坐标测量仪。三坐标测量仪是一种具有高效高精度功能的新型测量工具，可以用于测量高精度的几何零件和曲面。其工作原理是利用光学设备( 激光干涉仪) 扫描，测量工件上不同位置的点坐标，据此可计算得到成形工件的形貌特征和局部结构的具体位置【5 0 1 。 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究对于起皱程度的衡量，特别是产生起皱的j 临界标准，目前还没有形成统一的规则。许多文献 5 1 - 5 3 】对于起皱的衡量采用的是形面扫描轮廓或者临界应力进行描述，这两种方法中前者过于简单，只能表征单种状态下的成形状况，并不适合于多种状态的成形状况对比，后者则不能够表现起皱的严重程度。也有一些文献 5 4 - 5 5 1 使用皱纹的高度来衡量起皱程度，但这种方法只适用于只有半个波长的皱曲，例如方板对角不均匀拉伸。以上衡量方法对于表征具有多个不均匀分布的盒形零件法兰区起皱均不适用。文献 4 8 中通过假定起皱高度与板厚之比和成形零件的表面状况作为起皱的临界标准：即认为高厚比小于o 2 时没有皱纹发生，当高厚比大于0 2 时，可通过目测到的零件表面的微皱作为起皱发生的标准。文献 5 6 】中使用皱纹高度和皱纹线密度结合的方法来进行衡量，即首先应用皱纹最大高度得到起皱的最大幅度，再应用皱纹线密度来表示皱纹出现的频率。本文结合盒形零件冲压成形中法兰起皱的特点，并通过总结前面提到的起皱表征方法的优缺点，提出采用平均波浪度旯来衡量盒形零件法兰区的起皱程度。如图2 4 所示，波浪度五定义为方盒件法兰区的起皱波浪的浪高h 与波长l 的百分比【5 7 】。图2 4 波浪度的定义平均波浪度则是起皱最严重区域波浪度的平均值，即：瓦：翌r = i ：坠型枷。p 彳= = 卫型一1 ( ) ( 、其中五、h ，和l 。分别表示单个皱纹( 近似一个波长) 的波浪度、浪高和波长；”为起皱区域皱纹( 波浪) 的个数。根据式( 2 1 3 ) 0 7 的定义，表明波浪度与 中南大学硕士学位论文第二章盒形件法兰起皱的理论研究起皱形成的波浪的幅度和密度相关，即单个波浪的幅度越大，单位距离的波浪个数越多，则起皱程度越大。对于具有多个波浪皱纹且分布不均匀的的盒形零件法兰区起皱，采用平均波浪度的表征方法显然要更合适一些。2 2 法兰边缘的切削机理与分析2 2 1 盒形件法兰边缘切削的原理盒形件的自身结构决定了成形过程中法兰区材料流动的不均匀性，从而在法兰外边界形成端角不动而直边中部内凹的“s ”形轮廓。所以在冲压成形之后要根据结构需求对法兰边界进行修整，使之成为形状规则的可用零件。如图2 5 所示为成形后的盒形件示意图，图中虚线框所示区域即为前面所说的“s ”形区域，盒形件法兰区其他部分均可认为与其关于某对称轴对称。图2 - 5 盒形件法兰边缘切削示意图在法兰边缘修整的过程中最适用的方法就是剪切加工和切削加工