（材料加工工程专业论文）基于dyna的az31镁合金零件拉深成形过程模拟与预测.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于d y n a f o r m 的a z 31 镁合金零件拉深成形过程模拟与预测 摘要 l | l i jtllj i i m i i j f l l l i ji hi jipii y 2 15 5 8 7 7 自上世纪六十年代以来，世界各国学者专家就致力于有限元的理论和 应用研究，为材料的成形提供了有力的分析工具。随着计算机技术的飞速 发展，基于有限元方法原理的软件大量出现，并在实际工程中发挥着愈来 愈重要的作用，随着有限元数值模拟技术的应用与发展，其高效性、经济 性及可靠性越来越受到研究人员的欢迎与认可。 本文基于板料成形有限元分析软件e t a d y n a f o r m ，模拟研究了 a z 31 镁合金板材的拉深成形性能。首先通过单向拉伸试验获得了各温度下 影响板料拉深性能的重要力学性能参数，如材料的应变硬化指数刀值和厚 向异性指数厂值；同时获得了a z 3 1 镁合金板材在各温度下的真应力应变曲 线；通过模拟筒形件的温拉深成形试验，探索获得了适合镁合金板材温拉 深成形的工艺参数；结合模拟结果研究分析了板料在拉深成形过程中所表 现出的应力应变状态，并依此分析了材料在拉深成形过程中可能存在的缺 陷及预防措施；最后将数值模拟结果同实验室条件下的拉深成形结果进行 了比较。 现有条件下研究结果表明： 1 ) 适合厚度为l m m 的a z 31 镁合金板材的成形工艺参数为：温度在 1 5 0 1 7 0 。c 之间；凸模圆角半径在7 m m 左右，凹模圆角半径在7 l l m m 之间；凸、凹模间隙在l m m 1 7 5 m m 之间；压边间隙在l m m 1 3 m m 之间， 与实验结果吻合； 2 ) 通过数值模拟预测分析了a z 31 镁合金材料在拉深成形过程中的缺 陷，并同实验室条件下的成形缺陷及成形能力进行了比较，两者具有很好 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 的一致性。 3 ) 拉深成形模拟过程中，筒形件内部应变状态双向受拉时板料不易起 皱。经分析，当成形件内部以压应变为主时，成形件容易起皱。通过对筒 形件成形过程中的材料流动及应力分析了解到，材料的流动对筒形件内部 应力具有决定作用，流动速度快的部分容易产生应力集中，筒形件口部是 应力集中最明显的区域。 总而言之，影响a z 31 镁合金板材成形性能的因素有很多，通过有限元 分析软件研究其对a z 31 镁合金板材成形性能的影响机制及板料的成形条 件方面具有很明显的优越性。 关键词：a z 3 1 镁合金板材，有限元分析，d y n a f o r m ，成形极限比 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho n 咖s i m i ，a t l 0 na n dp r e d i c t i o n0 f 聊 d e e pd ra gp r o c e sso fa z 31m a ( 孙旺! s i u ma l l o y s 髓e tb a s e do nd y n a f o r m a b s t r a c t s i n c et h e19 6 0 s ，t h ee x p e r t sa n ds c h o l a r sa l lo v e rt h ew o r l dd e v o t e dt ot h e t h e o r ys t u d yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da p p l i c a t i o n ，b e c a u s ei tp r o v i d e sa s t r o n ga n a l y s i s t o o lf o rt h ef o r m i n go fm a t e r i a l a l o n gw i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e r ea p p e a ral a r g en u m b e ro fs o f t w a r e b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h e s ek i n d so fs o f t w a r ep l a ym o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei np r a c t i c a lp r o j e c t s w i t ht h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t o ff i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , e f f i c i e n c y , e c o n o m ya n d r e l i a b i l i t yo ft h ef e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) s o f t w a r ea r eg r a d u a l l yg e t t i n g t h ee y e so fr e s e a r c h e r s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h e s p e c i a ls h e e tm e t a lf o r m i n gf e as o f t w a r e e t a d y n a f o r m ，t h ed e e pd r a w a b i l i t yo ft h ea z 3 1m a g n e s i u ms h e e tm e t a l h a sb e e ns t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r st h a t i n f l u e n c et h ed e e pd r a w a b i l i t ya r eo b t a i n e dt h r o u g ht h eu n i a x i a lt e n s i l e t e s t ， s u c ha st h es t r a i nh a r d e n i n ge x p o n e n to ft h es h e e tm e t a lnv a l u ea n dt h en o r m a l a n i s o t r o p i cc o e f f i c i e n t ，v a l u e ；a n da l s ot h et r u es t r e s s s t r a i nc u r v eo ft h e m a t e r i a lu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e so b t a i n e da tt h es a m et i m e t h r o u g ht h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ew a r md e e pd r a w i n gt e s to ft h ec y l i n d e rp a r t ，s u i t a b l e p r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e df o rm a g n e s i u ma l l o y ss h e e tm e t a la td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e si nd e e pd r a w i n g ；t h es t r e s s s t r a i ns t a t eo ft h es h e e tm e t a ld u r i n g t h ed e e pd r a w i n gw a sa n a l y z e dc o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h e t t t 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r o c e s sp o s s i b l ed e f e c t sb a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h em a t e r i a li nd e e p d r a w i n ga n dt h ep r e v e n t i o nm e a s u r e sp r o p o s e d ；t h ed e e pd r a w i n gr e s u l tb y 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 sw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t su n d e re x i s t i n gc o n d i t i o ns h o wt h a t ： ( 1 ) t h es u i t a b l ef o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o ra z 3 1 m a g n e s i u ma l l o y s h e e tm e t a lo f1i i l l nt h i c k n e s sa r e ：t h et e m p e r a t u r ei sb e t w e e n1 5 0 。ca n d1 7 0 。c ； t h ep u n c hr o u n dr a d i u si s7r a i no rs o ，t h ef i l l e tr a d i u so ft h ec o n c a v ed i ei s b e t w e e n7a n d11m m ；t h ec l e a r a n c e sb e t w e e nt h ed r a w i n gp u n c ha n dd i ei s lm mt o1 7 5m m ；t h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h eb i n d e ra n dd i ei s1 0m mt o1 3 r a m ； ( 2 ) t h ea z 3 1m a g n e s i u ma l l o ys h e e tm e t a lf o r m i n gd e f e c t sa r ep r e d i c t e d t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i si nd e e pd r a w i n gp r o c e s s t h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a t ， t h et w oa r ei nv e r yg o o dc o n s i s t e n c y ( 3 ) t h e r ei sn ow r i n k l ew h e nt h ec y l i n d r i c a li n t e m a ls t r a i ns t a t ei sb i a x i a l t h ec y l i n d e rw i l lw r i n k l ee a s i l yi ft h es t r a i nm a j o ri nc o m p r e s s i v es t r a i ns t a t e f r o mt h ea n a l y s i so fm a t e r i a lf l o w i n ga n ds t r e s sw el e a r nt h a tt h ei n t e m a ls t r e s s o ft h ec y l i n d e rd e p e n do nm a t e r i a lf l o w i n g ，w h e r et h em a t e r i a lf l o wf a s t ，t h e r ei s s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h et u b u l a rm o u t hi st h em o s to b v i o u ss t r e s s c o n c e n t r a t i o n p a r t i ns h o r t ，t h e r ea r el o t so ff a c t o r s i m p a c t i n gt h ef o r m a b i l i t yo fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o ys h e e t u s i n gt h ef e as o f t w a r et os t u d yt h ei n f l u e n c i n g m e c h a n i s mo ft h ef a c t o r sa n dt h ef o r m i n gc o n d i t i o n so ft h es h e e ti ss u p e r i o rt o o t h e rm e t h o d s k e yw o r d s ：a z 31 m a g n e s i u ma l l o ys h e e tm e t a l ，f e a ，d y n a f o r m ， f o r m i n gl i m i tr a t i o i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 自二十世纪六十年代以来，世界各国学者和专家便致力于有限元的理论和应用研究， 为材料的成形提供了有力的分析工具。 在发达国家，如美国、日本、德国、法国等，板料成形的有限元数值模拟受到广泛 关注和研究。在过去的几十年里，有限元数值模拟技术有了飞速的发展，加上各种超级 计算机、计算机工作站的性能不断提高，使得计算机模拟成为模具研究及成形优化的强 有力计算工具。 1 1 有限元法 1 1 1 有限元法发展简史 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , f e m ) 或者有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， f e a ) 起源于二十世纪4 0 年代所提出的结构力学中的矩阵算法。1 9 6 0 年c l o u g h ( 克拉夫) 提出了“有限元法 这一术语，有限元法最初用于力学分析的数值计算，随着数值计算 方法的发展，有限元方法成为求解偏微分方程、初值问题的一种一般的离散化方法。有 限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑【u 】。 1 9 6 7 年，m a r c a l 和k i n g 首先提出了弹塑性有限元法； 1 9 6 8 年，y a m a d a ( t h 田嘉昭) 等推导出了关于小变形问题弹塑性矩阵的显式表达式， 即塑性应力应变矩阵，大大推动了小变形弹塑性有限元法的发展； 19 7 0 年，h i b b i t 等提出了建立在有限变形理论基础上的大变形有限元列式； 1 9 7 1 年，日本研究人员首先将弹塑性有限元应用于板料成形模拟研究中，一些国家 的优秀学者在h i l l 有限元变形理论基础上采用l a g r a n g e 描述建立了大变形弹塑性有限 元理论； 1 9 7 1 年德国的l u n g ，1 9 7 3 年美国的l e e 和k o b a y a s h i 分别提出了刚塑性有限元法； 7 0 年代中期，o s i a s 、m c m e e k i n g 等采用欧拉描述法建立了大变形有限元列式； 8 0 年代，板料冲压有限元数值模拟得到了快速发展； 自上世纪8 0 年代末期以来，金属塑性成形过程的数值模拟技术逐渐成熟并进入实 太原理工大学硕士研究生学位论文 际应用阶段，在一些如美、德、日、法等工业比较发达的国家，技术已经成为检验模具 设计的有效手段。 有限元方法是非线性分析的强有力工具。在塑性成形过程的有限元数值模拟中，有 限元法一般可以分为小变形弹塑性有限元法、有限应变弹塑性有限元法、刚塑性有限元 法和黏塑性有限元法。根据具体的问题应采用相应的有限元分析方法进行数值模拟。 一般而言，在进行体积成形过程的模拟时应采用刚塑性有限元法，这是因为刚塑性 有限元法不需要考虑材料弹性阶段的变形，且可以采用较大的增量步长，从而减少计算 时间。但刚塑性有限元法无法确定刚性区的应力应变分布，也无法处理卸载问题，对于 典型的锻造等体积成形问题中，材料塑性变形量很大，在温度的影响下其弹性模量不易 确定，而成形过程中的回弹对成型件的影响不大，所以刚塑性有限元法适宜于体积成形 过程。 在进行板料成形过程的模拟时应采用弹塑性有限元法，这是因为该方法可以计算材 料的变形和应力应变分布，同时也可以有效地处理卸载问题，因此，也可以计算板料金 属板料成形过程结束后的回弹、残余应力应变的分布。但此方法采用的增量型本构关系 不允许使用大的变形增量，整体计算时间较长。 1 1 2 有限元分析数值模拟常用软件及应用 板料在成形过程中的变形方式主要表现为双向拉伸、平面应变、单向拉压、深拉延、 弯曲和反弯曲。过程可以看成准静力过程，在成形过程中，板材的成形速度和加速度可 以忽略。事实上，板料的成形是一个复杂的非线性问题【3 】：材料的物理非线性又称材料 非线性，指材料在冲压中产生的弹塑性变形；几何非线性是冲压中板料产生大位移，大 转动和大变形；边界接触指模具与工件问产生的接触摩擦引起的非线性关系。 随着计算机技术的飞速发展，基于有限元方法原理的软件大量出现，并在实际工程 中发挥了愈来愈重要的作用。目前，专业的著名有限元分析软件公司有几十家，国际上 著名的通用有限元分析软件有a n s y s 、l s d y n a 、a b a q u s 、m s c n a s t r a n 、 m s c 瓜i a r c 、a d i n a 、a l g o r 、p r ( m 怔c h a n i c a 、i d e a s ，还有一些专门的有限元 分析软件，如d y n a f o r m 、d e f o r m 、p a m - s t a m p 、a u t o f o r m 、s u p e r f o i e 笙【4 】 寸o 通常情况下，我们可以通过数值模拟来确定工艺参数，优化工艺方案，预测加工过 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 程中可能产生的缺陷及应采取的防止措施，控制和提高加工工件的质量。随着工业化的 日益发展，产品更新换代的周期越来越短，采用科学的模拟技术并与相应的实验验证结 合，可以代替传统的实验方法，不仅可以节省大量的人力物力，而且还可以解决一些实 验室条件下无法直接完成的复杂问题，使产品在设计阶段就能够对各项性能进行评估， 及早发现设计上存在的问题，从而大大缩短设计开发周期。 1 2e t a d y n a f o r m 软件简介及应用 本文所使用的软件为专门针对板料设计的有限元分析软件e w 旧y n a f o i 泓。 d y n a f o r m 软件是由美国e t a 公司和l s t c 公司联合开发的用于板料成形模拟的专用 软件包，可以方便地求解板料成型工艺及模具设计设计的复杂问题，是目前领域中应用 最为广泛的计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 软件之一。软件可以用于 模拟预测板料成形过程中的起皱、破裂和回弹问题，评估板料在成形过程中的性能，为 板料成形工艺及模具设计提供可靠性指导，从而显著减少模具设计时间及试模周期，从 而提高产品品质和市场竞争力。 e t a d y n a f o r m 具有丰富的前处理功能，如模面工程( d f e ) 、板料工程( b s e ) 、前 处理( p r e p r o c e s s ) 、快速设置( s e t u p ) 、回弹补偿( s c p ) 和自适应网格剖分，自版本 5 7 始，新增了d s a ( d i es t r u c t u r ea n a l y s i s ，模具结构分析) 模块用以模具系统分析【5 6 】。 目前，d y n a f o r m 已在世界各大汽车、航空、钢铁公司以及众多的大学和科研单 位有着广泛的应用，自进入中国以来，d y n a f o r m 己在国内众多知名企业如中国一汽、 洛阳一拖、上海宝钢、长安汽车、南京汽车、上海大众汽车公司等得到成功应用【”。 随着计算机技术的发展，现如今，研究人员可以利用d y n a f o r m 软件做很多工作， 如：通过数值模拟技术逆向推算成形板料【8 ，9 ，1 0 】；通过数值模拟预测拉深力的大小来合理 选择冲压设备；通过数值模拟预测冲压模具冲头的拉深速度来调整现实工作条件下的拉 深速度；对于大型板料的成形，通过数值模拟可以研究因重力而造成的变形 6 1 ，也可以 研究拉延筋的设置【l l 1 2 ，1 3 】；通过数值模拟预测板料的厚度变化来确定合适的压边力及选 择合适的润滑剂提供合适的摩擦条件 1 4 , 1 5 ；通过数值模拟可以从中获得最佳成形参数， 如最佳凸、凹模圆角半径、最佳凸、凹模间隙，对于复合板可以优化确定最佳板料层搭 配厚度【1 6 】；通过数值模拟同样可以比较不同材料在相同条件下的成形性能，从而为选择 合适的材料提供重要参考；利用d y n a f o r m 的d s a 模块可以进行模具评估与设计u 7 j 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 等。 1 3a z 31 镁合金板料成形研究现状 板料成形是材料加工技术中的重要分支之一，在汽车、航空航天、船舶及家用电器 等国民经济各部门有着广泛的应用，据悉，板料经成形后，其价值相当于原材料的数倍， 与板料成形相关的产品在国民生产总值中具有非常重要的地位【2 】。 目前，国内外几乎所有的汽车厂家在冲压模具加工前都要进行板料的成形性模拟。 冲压模具所加工的零件是多种多样的，如u 形件、v 形件、盒形件、筒形件、法兰形件 等【1 8 】；在对板料的模拟过程中所选用的模拟软件也各有不同，但总体来看，都是针对板 料成形的专门软件，如d y n a f o r m 、p a m s t a m p 、f a s t a m p 、l s d y n a 、a u t o f o r m 、 p a m - c r a s h 、a b a q u s 等软件，通用的有限元分析软件也可对板料成形性能进行模拟 研究，如世界上最大的通用有限元分析软件a n s y s ；从所使用的材料来看，更多的体 现是常用的材料，如铝合金、低碳钢板、不锈钢及拼焊板等，随着镁合金研究的深入与 镁合金应用范围的扩大，在数值模拟中镁合金材料的各项性能指标也在不断地丰富；从 应用的角度来讲，使用有限元分析软件进行模拟的零件多见为：油底壳、封头、车门、 汽车横梁、引擎盖、翼子板及后地板等【19 2 0 ，2 1 】；从待解决的问题来看，通过有限元数值 模拟可以分析板料的起皱、拉裂、回弹等成形缺陷【2 2 2 3 1 ，也可以分析板料的成形极限问 题。总体来看，冷成形件( 即室温条件下) 的数值模拟较多，而在较高温度下的成形件数 值模拟较少，主要原因是高温下应用于数值模拟的板料成形参数很难准确获得，因此关 于板料成型的与温度场的耦合分析鲜见报道，但从板料成形分析所研究的内容来看，镁 合金板料热力耦合分析是一个大趋势。 镁合金具有非常优越的性能，如质量轻、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能好和回 收再利用容易等 2 4 , 2 5 , 2 6 1 ，因此镁合金受到世界范围的重视，其应用范围不断扩大，因此 对镁合金板料的研究也具有重要的现实意义。对于镁合金的研究，旨在应用，所以基于 现实的需要，并根据镁合金本身的特点，其研究的方向大都以改善和提高镁合金自身的 塑性为基础，以应用为导向。本文所研究的对象为a z 3 1 镁合金板材，对镁合金板材的 成形性能影响因素有很多，其影响因素可以分为外在因素和内在因素。外在因素主要包 括板料的成形温度、摩擦与润滑、拉深速度、凸、凹模圆角半径、压边方式及压边力等； 内在因素主要包括应变硬化指数n ，厚向异性指数，弹性模量e ，抗拉强度，镁合金 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 板材组织和晶粒大小等。 1 3 。1 外在因素 评定板料成形性能的一个重要指标是拉深成形时的成形极限比( l d r ) 。通常采用 国际上通用的冲杯实验( 也称跏驴实验) 来评价板材的拉深性能【2 刀。下面具体分析各 影响因素： 1 ) 成形温度 从金属学的角度讲，镁合金为密排六方结构，对结构类型的金属材料，通常认为其 在室温条件下塑性性能较体心立方及面心立方结构类型的金属材料差【2 引，因此很多研究 人员想到了通过提高温度的方法来改善镁合金板料的塑性性能。在数值模拟条件下，通 过单向拉伸试验获取特定温度下的应力应变曲线并导入有限元分析软件进行有限元分 析，通过各温度下的应力应变曲线、应变硬化指数和塑性应变比等参数来表征温度对成 形性能的影响。一般而言，板料的成形极限比随着温度的升高而升高，到达某一温度时 成形极限比转而变小，那么这其中就存在一个最佳温度。 影响镁合金塑性成形性能的因素很多，其中温度是影响拉深成形性能的重要因素。 就温度而言，国际上一致认为镁合金塑性成形的温度必须达到2 5 0 c 以上其塑性才可以 满足生产要求，同时要求成形的温度要低于4 0 0 1 2 ，因为温度高于4 0 0 0 以后镁合金容 易氧化i 捌。研究人员就温度对a z 3 1 镁合金拉深成形性能的影响进行了深入研究，并取 得了一定的研究成果。张坤等1 3 0 研究表明，当成形温度选择在3 0 0 3 5 0 。0 之间，压边力 在6 1 5 k n 之间时，镁合金具有较好的成形性能；高军等【3 1 1 研究表明，2 1 0 2 4 0 c 之间 为镁合金的最佳成形温度；陈振华等1 3 2 1 研究表明，温度在2 0 0 2 7 5 0 时可以得到l d r 为2 1 4 的成形件；张凯峰等【3 3 1 研究表明，当温度为2 0 0 c 时可以得到成形极限比为2 6 5 的筒形件。苌群峰等【3 4 1 研究表明，经交叉轧制和退火的镁合金在1 5 0 0 下可以得到成形 极限比为3 0 的筒形件。 2 ) 摩擦与润滑 在板料拉深成形过程中，同时存在着有益摩擦与有害摩擦，通常情况下要对有益摩 擦要加以利用，对有害摩擦要加以控制。凸模与板料之间的摩擦属有益摩擦，因为拉深 过程中，板料首先与凸模圆角接触，随着拉深过程的进行，凸模圆角处的板料开始减薄 并产生加工硬化，如果此处有足够的摩擦，便可以有效阻碍板料的继续减薄，因此此处 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 的摩擦有利于板料的成形，也利于提高板料拉深时的成形极限比；凹模与板料之间的摩 擦及压边圈与板料之间的摩擦属有害摩擦，因为拉深过程中，法兰部位的板料需要流入 凹模口以成形为所需形状，但是有害摩擦的存在阻碍了法兰部位金属的流动，并造成了 已进入凹模口筒壁部分所受拉力的增加，很容易造成板料成形缺陷凸模圆角处或筒 壁部分的拉裂，因此降低这部分摩擦有利于提高拉深件的成形质量。因此在板料成形过 程中，要利用好有益摩擦减小有害摩擦。如上所述，摩擦本身就是一个矛盾，因此改善 摩擦条件是所有生产及研究人员非常关心的问题，实验室条件下所用的润滑剂有肥皂、 石墨、二硫化钼、高温油脂和聚四氟乙烯等。通过研究人员的研究及生产经验总结可以 了解到，选用合适的润滑剂并将其涂抹或放置到合适的部位可以很好地提高板料的成形 能歹j 3 5 , 3 6 。 在数值模拟条件下，摩擦的具体表现为摩擦模型的确定及摩擦系数的测定。 在数值模拟过程中常用的是修正的库伦摩擦模型【3 7 】，如式1 1 ： = 一肛厶。a r c t a n 嘲 ( 1 1 ) 式中， 1 广一接触点处板料节点与模具型面之间的相对滑动速度； 毋一一个不大的正数。 摩擦系数来源于实验室条件下的测定，但其测定是一个难题，因此很多研究人员将 板料成形过程中摩擦系数的测定作为专门的课题进行研究。上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心的朱伟，董湘怀等3 8 1 自主开发了探针式组合传感器的摩擦系数测量系统， 如图1 1 所示，并将传感其耦合在了拉深凹模中，以此来实时测量板料法兰平面测量点 处所受到的垂向正向压力和径向切向拉力，并根据计算公式p = 纠只依次为：摩擦系数、 切向力、正向压力) 直接计算出测量点处的实时摩擦系数大小，进而通过选择几个特征 点来推导出整个板料法兰平面的摩擦分布情况及其变化规律。北京航空航天大学的唐甜 甜等p 刃人通过实验及数值模拟研究了板材冲压成形摩擦系数实时测量系统，如图1 2 所 示，并优化设计了板材拉深及胀形模具模面，确定了组合式特征传感器的安装位置，为 板材成形摩擦系数实时测量平台的建立提供了指导依据。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 1 探针式组合传感器摩擦系数测量系统1 3 8 1 f i g 1 - lt h ec o m b i n e dp r o b es e n s o rf r i c t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m 凹凌 压边潮 图1 2 板料冲压成形摩擦系数实时测量系统1 3 9 1 f i g 1 - 2t h ef o r m i n gf i i c t i o nc o e f f i c i e n to fr e a l - t i m em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rs h e e tm e t a l 3 ) 拉深速度 拉深速度是影响镁合金板料成形极限的重要工艺参数。镁合金的低塑性导致其对应 变速率的敏感性较高，即，在镁合金板料拉深成形过程中，提高拉深速度有降低镁合金 板料成形能力的趋势，原因在于，在较高的拉深速度下，由于镁合金的低塑性而使得未 变形的板料来不及变形，从而容易出现成形缺陷。陈振华等【3 2 j 通过镁合金的拉伸试验表 明，拉伸速度越大，延伸率越低，变形抗力增大。故在拉深成形时，拉深力随拉深速度 的增大而增大，致使拉深件在成形过程中承受更大的应力，故容易引起板材破裂，导致 成形极限比降低。张凯锋等1 3 3 1 在研究成形速度对a z 3 1 镁合金成形性能的影响时发现， 拉深速度合适时能够获得拉深极限比为2 6 5 的筒形件，而一旦采用较快的拉深速度，就 会导致板料在拉深过程的初始阶段便在凹模入口处发生断裂。故在拉深成形过程中，选 择或确定合适的拉深速度是很有必要的。 在板料成形过程中，冲模的速度一般不是很大，但在数值模拟中，为了提高计算效 7 1 2 3 垂5 6 7 8 9 o 太原理工大学硕士研究生学位论文 率往往将冲模的速度提高很多，如果冲模速度不是很大，计算结果仍可在合理范围之内， 但是过大的冲模速度会增加板料成形过程中的惯性效应，于模拟结果不利，因此在数值 模拟过程中，处理好冲模速度并将冲模速度控制在合理范围之内是很重要【4 0 】的。 4 ) 凸、凹模圆角半径 拉深时，材料在经过凹模圆角勘时不仅因为发生弯曲变形需要克服弯曲阻力，还 要克服因相对流动引起的摩擦阻力，所以凹模圆角的大小对拉深工作的影响非常大，主 要是对拉深力大小、拉深件的质量和拉深模的寿命影响大；而凸模圆角半径如对拉深 工序的影响没有凹模圆角半径大，但其值也必须合适。若圆角半径太小，则拉深初期板 料在圆角半径处所受弯曲变形大，危险断面受拉力增大，工件易产生局部减薄，甚至于 破裂，且局部减薄和弯曲变形的痕迹将会遗留在成形零件的侧壁上，影响零件质量【4 l j 。 c h e nf u h - k u o 等【4 2 1 利用有限元数值模拟和试验的方法研究了镁合金方形件的拉深 工艺，结果表明，方形件的拉深深度随着凹模圆角半径的增加而增加，增大到一定程度 后反而又随其增大而减小；在模拟和实验中，凸模对板料的成形性也有同样的趋势，即 随着凸模圆角半径的增加杯形件的拉深成形极限比随之增加，当凸模圆角增大的某一数 值时，成形极限比转而变小。相关资料表明，对于方形件和圆筒形件由于其形状的差异 而导致破裂位置和成形工艺不同，因为成形件的形状不同会导致板料在成形过程中受力 不同，所以实际生产中应根据具体问题具体分析的原则，制定出合理的成形工艺。 相关研究m 州1 认为板料的成形性能与凸模圆角_ r p 从_ r d 伺关, 系。对于板厚碳7 0 9 m m 的 a z 3 1 o 镁合金板材，在罐较小( q 2 ) 时，其l d r ( 极限拉深比) 值较小且随警的值 增大变化不大，而在三准较大( 3 3 ) 时，l d r 随宰增大而增大且变化较明显，但随着宰值 继续增大( 4 4 ) 时，其l d r 值亦不再变化。这表明，要得到较大的l d r ，必须合理地 选择冲头圆角半径灭d 和凹模圆角半径飓。但是，这两个参数又受成形件形状尺寸的约束。 因此，在确定初次拉深工序后，可根据成形件的尺寸要求，适当增加整形等工序。 5 ) 压边方式及压边力 在板料拉深过程中，压边圈对板料施加压力，辅助板料向凹模口流动，可以有效地 改善板料法兰边部位的起皱问题，因为压边装置的存在可以调节板料拉深时法兰处所受 到的径向拉力。对镁合金而言，由于其室温塑性很差，所以需要在高温条件下方能比较 顺利地进行，那么高温下镁合金板料成形时的压边问题对其成形就有着很重要的作用。 通常采用的压边方式为固定压边力、固定压边间隙和变压边力等。不同的压边方式对镁 r 太原理工大学硕士研究生学位论文 合金板材的成形性能影响效果也不同。 s h o i c h i r oy o s h i h a r a 等【4 5 】的镁合金板材拉深试验结果表明，在拉深成形过程中，保 持压边力不变，筒形件的拉深极限比为2 0 4 ；张凯锋等【3 3 j 在a z 31 镁合金筒形件的拉深 成形试验过程中使用固定压边间隙的方式，获得了2 6 5 的拉深极限比，但是如果拉深成 形过程中利用变压边力技术，就可以获得2 1 4 的拉深极限比，如果将变压边力技术与差 温拉深结合，就可以获得拉深极限比大于5 0 的简形件。s y o s h i h a r a 和b jm a c d o n a l d l 4 6 j 使用模拟软件研究了a z 3 1 镁合金的拉深成形过程，模拟结果和试验结果一样，表明采 用变压边力和差温控制有利于镁合金的拉深成形。 1 3 2 内在因素 在对板料成形的数值模拟中，材料的应变硬化指数及各向异性指数是影响板料的成 形性能的重要参数。因此对于数值模拟，准确测定应变硬化指数和各向异性指数具有重 要意义。 。量 1 ) 应变硬化指数，2 硬化指数刀表示材料在冷塑性变形中的硬化强度。一般来讲，应变硬化指数n 值增 大不仅能提高板料的局部应变能力，而且能使应变分布趋于均匀化，提高板料成形时的 总体成形极限。刀值大，抗缩颈能力就强，抗破裂性通常也就愈强，尤其是对胀形来说， 有明显的减少板料局部变薄，增大成形极限的作用。研究表明，应变硬化指数同温度有 着密切的联系，f u h k u oc h e n 【4 2 】在试验中发现a z 31 镁合金板材在冲压成形过程中，通 常状况下，随着温度的升高，n 值变小。 在实验和数值模拟过程中，材料的应变硬化指数对板料的成形性能都具有很重要的 影响，因此准确获取n 值也是研究人员所共同关注的问题。实验测定板料刀值常用的方 法主要有：一点法、两点法、阶梯型试样拉伸法等。哈尔滨工业大学的田浩彬等【4 7 】基于 常规单向拉伸试件在拉断后出现的锥形现象，以拉伸过程中的3 个特征点( 屈服之后靠 近屈服的一点，最大载荷时刻的点和断裂时刻的点) 为基础，提出了一种测量n 值的三 点法方案，同时作为板材成形性重要参数的，值也可以在试验中获得。 2 ) 各向异性指数r 塑性应变比也称为“板厚方向性系数”，它是板料试样在拉伸过程中( 在最大载荷 p m a x 之前，通常伸长率6 = 1 5 之o ) 宽度真实应变岛与厚度真实应变之比，即： 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 r ：量：凄(1-2)i c n 印 、 其中， b o ，沪瑚别是试样的初始宽度和瞬时宽度； t o ，卜一分别是试样的初始厚度和瞬时厚度。 当r = l 时，板宽和板厚间属各项同性，r = = l 时，则为各向异性。 ， l 说明板材的宽度方向比厚度方向更易变形。生产中通常希望有大的，值，这样 能使筒形件的拉深极限变形程度增大。 1 4 本研究的目的及意义 对于镁合金冲压成形方面，国内外学者已做过很多研究工作，从材料性能研究到工 艺应用研究，再到借助先进的有限元数值模拟研究镁合金板料冲压成形的性能及工艺均 获得了一定的成果。但就a z 3 1 镁合金板材而言，使用有限元分析软件d y n a f o r m 研 究其性能的论文并不多见。本文依此首先从单向拉伸试验中获取相对准确的成形参数， 然后模拟研究镁合金板料拉深成形工艺，并预测实验室条件下镁合金板料的拉深成形过 程及可能存在的成形缺陷，为实际生产提供参考。 研究镁合金板料及有限元数值模拟技术有着重要的意义： 从镁合金板材性能来看。镁合金具有非常优越的性能，比如质量轻、比刚度和比强 度高、电磁屏蔽性好和回收再利用容易等，因此在国内外受到了广泛的重视，被视为2 1 世纪的绿色金属材料。 从镁合金板材的应用来看。目前，世界各国，尤其是工业发达国家都在积极进行镁 合金方面的研究，高等院校、科研机构和生产企业的密切合作进行科研研究，使镁合金 应的用范围不断扩大，在汽车、军工和3 c 等领域有飞速的发展。板材冲压技术广泛用 于汽车、摩托车、家用电器外壳、各种壳形零件的加工中m 。目前，钢板和铝合金板冷 冲成形的应用最普遍。如车辆的内外壳板、承载地板、复合钎焊板、冷凝器、散热片、 挡泥板、空气导流板等。如果这些零部件采用镁合金制造，可显著减轻车重，节能降耗， 减少环境污染。在电子工业中，手机、电视、电脑外壳等采用镁合金板材生产，无论压 铸件还是冲压件都有一定优势。其中冲压件尺寸精确、生产率高，具有良好的应用前景 【4 8 】。因此，研究镁合金板材冲压技术具有重要的意义。但从国内外研究现状来看，a z 3 1 镁合金板材成形性能的研究还存在一些不足，如低温成形性能差的现状尚未根本改变； 】o 太原理工大学硕士研究生学位论文 高温成形性能虽然见好，但很难实现高效大批量的加工等。 从研究方法来看，传统方法在研究冲压工艺及模具设计时具有周期长、效率差和耗 费大量人力物力财力等特点，与现实激烈的市场竞争很不协调；而数值模拟技术的应用 可以缩短研发周期，提高效率。所以利用有限元数值模拟技术研究a z 3 1 镁合金板材的 塑性成形性能具有重要的现实意义。 1 5 本研究的基本任务 镁合金板材数值模拟技术与实际应用结合方面的研究并不多见，说明镁合金板材的 成形理论与技术尚未成熟，故需要投入大量的时间与精力研究镁合金板材的基础性工作。 基于此，本文立足于商用a z 3 1 镁合金板材，通过对a z 3 1 镁合金板材拉伸试样的单向 拉伸获取相关参数，运用有限元分析软件e 1 队d 町a f o i u m 对板料进行数值模拟研究， 通过模拟预测板料在实际条件下可能实现的成形能力。 具体研究内容有： 1 ) a z 3 1 镁合金板料的应变硬化指数测定和各向异性指数的计算 通过单向拉伸试验，获取a z 3 1 镁合金板材的应变硬化指数挖值以及各向异性指数 ，值，同时测得a z 3 1 镁合金材料的力与位移曲线，依此导出材料的真实应力应变曲线。 力求获得准确的试验参数，为有限元数值模拟建立基础。 2 ) 基于d y n a f o r m 的数值模拟研究 影响a z 31 镁合金板材成形性能的因素可谓繁多，本研究通过数值模拟主要研究温 度、凸、凹模圆角半径、凸、凹模间隙和压边间隙对板料拉深成形性能的影响。 3 ) a z 31 镁合金板材冲压工艺成形研究 通过有限元数值模拟研究不同直径的圆形板料的拉深成形能力，获取温度及各参数 对板料成形极限比的影响，由此优化出最佳参数，并对板料在实验室条件下的冲压成形 进行成形对比。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 单向拉伸试验 第二章单向拉伸试验及数据处理 通过单向拉伸试验获取从室温到2 0 0 。c 的应变硬化指数和各向异性指数以及各温度 下的真实应力应变曲线。目的在于为有限元分析软件d y n a f o r m 提供相对可靠的工艺 参数，实现对板料拉深成形性能的准确模拟及预测，从而为生产实践提供可靠的指导。 2 1 1 试件加工 本试验采用的材料为山西闻喜银光镁业公司生产的a z 3 1 连续铸轧镁合金板材。其 化学成分如表2 1 ，实验用板厚为1 0 m m ，其原始组织如图2 1 所示。 表2 1a z 3l 的化学成分( 训) t a b l e2 1t h ec h e m i c a lc o m p o n e n t so f a z 31 ) a lm nz n c as i 2 5 3 50 2 m 一0 6 00 7 1 30 0 4 m