（材料加工工程专业论文）基于数值模拟内凹底筒形件的充液反胀成形工艺的研究(1).pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 基于数值模拟内凹底筒形件充液反胀 成形工艺的研究 摘要 随着汽车零件和航空、航天零件等加工制造工业的发展，铝、镁、钛等 轻质合金材料得到了较为广泛的应用，来实现污染小、轻量化的重要目的。 但是，铝、镁、钛等轻质合金板料的塑性低、成形性能较差、硬化指数和异 性指数小等缺点成为板材加工成形方面的瓶颈，尤其难实现大高径比零件的 一次拉深成形。 充液拉深工艺是一种先进的板材柔性成形方法。针对航天领域的低塑 性、大高径比铝合会板材部件成形需求，通过数值模拟方法，对5 a 0 6 铝合 金内凹底筒形件充液反胀成形工艺进行研究。采用基于l s d y n a 3 d 内核 的动态显示分析软件e t a d y n a f o r m 5 6 ，根据成形工艺的特殊性，对不同 反胀压力和液室压力下，对零件成形的影响进行成形模拟研究结果表明， 采用合理匹配的初始反胀压力和液室压力加载路径，可有效地降低板料成形 时的径向拉应力，抑制零件内凹底部的过度减薄，可以一次成形较高质量的 内凹底筒形件。 应用径向加压的充液拉深新技术，用数值模拟的方法，讨论并分析液室 压力加载曲线与主动径向压力加载曲线变化对内凹底筒形件最小壁厚的影 响。模拟结果表明：采用合理匹配的径向压力和液室压力加载路径，能够显 著地控制破裂和起皱缺陷，从而使零件厚度变化分布均匀，显著提高了铝合 金内凹底筒形件的成形极限。 本文采用实验手段，研究拉深比为2 3 的内凹底筒形件的成形规律，对 比模拟结果，分析零件的破裂形式，讨论初始反胀压力、液室压力、径向压 力三者的合理匹配对内凹底筒形零件成形的影响。通过实验验证采用充液拉 深工艺一次高质量成形内凹底筒形件的可行性，得到较高质量的成形零件。 关键词充液拉深；数值模拟；内凹底筒形件：反胀形压力；径向压力 哈尔演理下人学t 学硕i j 学位论文 r e s e a r c ho nt h ec y l i n d r i c a lc u p sw i t hc o n c a v e b o t t o m f o r m i n gb yh y d r o d y n a m i cd e e pd r a w i n g w i t hi n v e r s eb u l g i n gb a s e do nn u m e r i c a l r 、j 3 i m n i a t l o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa v i a t i o n ，a e r o s p a c e ，a n da u t op a r t sm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y , t h ei m p o r t a n tm e a n so fr e a l i z i n gp o l l u t i o n - f r e ea n dl i g h t w e i g h ti su s i n g a l u m i n u ma l l o y , m a g n e s i u ma l l o ya n dt i t a n i u ma l l o y t h e r e f o r e ，l i g h t w e i g h t s h e e tc a nb ew i d e l yu s e d ，s u c ha sa l u m i n u ma l l o ya n dt i t a n i u m a l l o y a t e h o w e v e r , t h es h e e tm e t a lo fl i g h t w e i g h ta l l o yh a v el o wp l a s t i c ，p o o r e rf o r m i n g p e r f o r m a n c e ，s m a l l h a r d e n i n ge x p o n e n ta n dh e t e r o s e x u a li n d e x ，a n dt h i sb e c a m e t h eb o t t l e n e c ki np r o c e s s i n gi n d u s t r i e s ，e s p e c i a l l yd i f f i c u l tt of o r m i n go fo n es t e p d e e pd r a w i n gf o rl a r g eh e i g h t - d i a m e t e r r a t i oo f p a r t sf o r m i n g h y d r o d y n a m i cd e e pd r a w i n g ( h d d ) i sak i n do fa d v a n c e df l e x i b l es h e e t m e t a lf o r m i n gm e t h o d t os a t i s f yt h e a l l o yf o r m i n gn e e do fl o wp l a s t i c i t y m a t e r i a l sa n dl a r g eh e i g h t d i a m e t e rr a t i oo fa e r os p a c e ，r e s e a r c ho n5 a 0 6a l l o y c o n c a v ec u p sh y d r o d y n a m i cd e e pd r a w i n gw i t hi n v e r s eb u l g i n gw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n b ye m p l o y i n gt h ed y n a m i ce x p l i c i ta n a l y t i c a ls o f t w a r ee a t d y n a f o r m5 6b a s eo nl s d y n a 3da n da c c o r d i n gt ot h ef o r m i n gp r o c e s s ，a tt h e b o t t o mo ft h ec o n c a v es h a p ei st h ek e yo fp a n sf o r m i n g t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h er e a s o n a b l em a t c ha m o n gt h eb u l g i n g p r e s s u r ea n dl i q u i dc h a m b e r p r e s s u r ec o u l d r e d u c et h et e n s i l es t r e s s ，r e s t r a i nt h es e r i o u st h i n n i n ga tt h e b o t t o mo ft h ec o n c a v ec u p sa n di n c r e a s et h ed r a w i n gl i m i t a t i o no fa l u m i n u m a l l o yc o n c a v eb o t t o mc u p u s er a d i a lc o m p r e s s i o no ft h eh y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n go fn e wt e c h n o l o g i e sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，d i s c u s s e sa n da n a l y s e sc h a n g e so fl o a d c u r v e so fc h a m b e rp r e s s u r ea n dr a d i a lt oi n f l u e n c eo fm i n i m u mt h i c k n e s so f u 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 c o n c a v eb o t t o mp a n s ，a n dt h em i n i m u mt h i c k n e s so ft h ef i n a lf o r m i n go ft h ep a r t u s ea se v a l u a t i o ns t a n d a r d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a t i o n a lm a t c h i n g o fr a d i a la n dl i q u i dr o o ml o a d i n g p a t h s ，c a ns i g n i f i c a n t l yc o n t r o lc r a c ka n d w r i n k l i n g t h u si m p r o v ep a r t s t h i c k n e s sv a r i a t i o nd i s t r i b u t i o n u n i f o r m i t y , r e m a r k a b l yi n c r e a s e st h ef o r m i n gl i m i t a t i o no fa l l o yl a r g eh e i g h t - d i a m e t e rr a t i o c o n c a v eb o t t o mc y l i n d r i c a lc u p b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l m e t h o d ，r e s p e c t i v e l yr e s e a r c hd e e pd r a w i n g c o e f f i c i e n t2 3t h ec o n c a v eb o t t o mc y l i n d r i c a lp a r t sf o r m i n gl a w c o m p a r a t i v e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n a l y s i so ft h er u p t u r ef o r ma n dd i s c u s st h ei n f l u e n c eo n c o n c a v eb o t t o mc y l i n d r i c a lp a r t sf o r m i n gf r o mi n i t i a lb u l g ep r e s s u r e ，c h a m b e r p r e s s u r ea n dr a d i a lh y d r a u l i cp r e s s u r e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tv e r i f i e dt h a tt h e h y d r o d y n a m i cd e e pd r a w i n gt e c h n o l o g yq u a l i t yf o r m i n gah i g h - l e v e rc o n c a v e b o t t o mp i e c eo ff e a s i b i l i t ya n da c h i e v i n gh i g hq u a l i t yf o r m i n gp a r t s k e y w o r d sh y d r o d y n a m i cd e e pd r a w i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o n c a v eb o t t o m c y l i n d r i c a lp a n s ，b u l g i n gp r e s s u r e ，r a d i a lh y d r a u l i cp r e s s u r e 呛尔滨理t 人学t 学硕i j 学化论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 目前，生产力不断发展，生产国际化，产品升级换代快，产品生产周期短 等对制造业提出了更高的要求，小批量、多种类，逐渐成为生产的主导。在航 空、航天领域，零器件使用条件的特殊性对器件的材料、性能、精度等要求更 为严格。作为板材加工制造业，如何发展我国的航空、航天事业，如何实现柔 性化的塑性加工已成为当今加工制造业领域研究的重要课题。为此，一种新工 艺只有符合技术发展的总趋势时才能得到迅猛的发展，冲压工艺j 下符合这种发 展趋势，即向着发展省力、易实现的趋势。 近年来，以流体为传力介质并以计算机技术为基础的板材充液成形工艺， 在国内外得到快速发展【2 1 。充液拉深成形( h y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n g ，h d d ) 是上世纪发展起来一种新型的先进的冲压成形技术，主要分为板材充液成形和 管材充液成形，其中板材充液成形应用较为广泛【3 ”1 。 现代液压成形技术是指2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的并在工业生产中得 到广泛应用的几种液压成形新技术，与传统的液压成形技术相比，它的主要特 点主要表现在以下几个方面：一是液体作为传力介质，通过计算机控制系统和 液压闭环伺服系统，可以按设计规定的曲线使其精确地控制压力，具有实时可 控性，确保工艺参数在设定的数值内，并且随时问可变可调，实现数控加载成 形。二是仅需要凹模或凸模，液体介质相应地作为凸模或凹模，省去一半模具 费用和加工时间。三是成形的零件形状复杂。四是形状和尺寸精度高，通过在 成形最后阶段增加压力整形保证零件形状和尺寸精度，尤其是能够保证局部特 殊形状【5 。7 】。 充液拉深技术历经三十多年的改进与创新，此项技术的优点受到众多领域 的瞩目。随着人们环境保护意识的提高，生产重量轻，耗油少的环保型汽车日 益成为一种趋势，因此，液压成形技术广泛应用于汽车制造业。在国外工业发 达国家已经大量应用到航空、航天、汽车以及家用电器制造中，这与此项技术 所具有的优点是分不开的。目 j i ，该技术已在欧洲、美国、韩国、日本等发达 国家和地区得到广泛的研究和应用，已经大量应用到航空航天领域，汽车制造 领域以及家电制造领域中【8 4 1 。 哈t “j - q 一i 理t 人学丁学顾i j 学化论文 1 2 板料液压成形技术和数值模拟技术的发展 1 2 1板料液压成形技术的国外发展 液压成形技术早在2 0 世纪4 0 年代就被应用于汽车制造业，汽车的发明仅 是简单的代步工具，随着社会生产力的快速发展，它逐渐发展成高速度、低排 放、多功能等综合型现代高科技产品 t s - t 9 】。 美国、德国等发达国家相继在2 0 世纪5 0 、6 0 年代开发出了橡皮囊板材液 压成形技术，此项技术最早应用于航空航天工业。它是利用橡皮囊作为弹性凹 模或者凸模，用油作为传压介质。这种工艺压边力不易控制，橡皮囊易损坏， 生产效率低，操作困难等诸多问题，因而没被普及和推广。 上世纪7 0 年代中期以后，针对板材充液成形工艺，日本学者进行了较为 细致的研究，并且提出了一些抑制成形缺陷的措施，首次提出在周向加压的充 液拉深方法。它是将充液拉深的模具略加改动，密封住坯料外周的敞口，并设 置通液孔，使充液室的液体压力作用于坯料外周，该径向压力改善变形区受力 情况，降低传力区的载荷，从而增大了允许的变形程度。 液压拉深技术是依靠凸模的作用使板料成形的工艺，当遇到直径较大的板 料时，在成形过程中，法兰部分变形阻力大大增加，板料在凸模圆角附近易发 生破裂，拉深极限受到限制，为解决这一技术难题，人们在板料径向施加压 力，以抵消径向过大的拉应力。径向加压的充液拉深成形工艺是将高压液体引 至法兰边缘，由此所产生的径向力推动板料向凹模腔内流动，同时各接触面问 形成双面流体润滑，降低摩擦，使零件的成形极限得到进一步提高。 2 0 世纪9 0 年代，德国学者提出液压成对成形这一新工艺。成形原理：首 先将两块叠放的平板毛坯放置在上下凹模中间，然后压边，使毛坯充液预胀成 形，切去毛坯边缘，用激光焊接技术将边缘焊上。在两板间进行充液加压，最 终校形。此工艺适用于成形舱体零件。成形过程中，两板料直接接触，法兰区 两板料间存在摩擦，任意板的拉入都会对另一板料产生影响，影响的大小取决 于两板间的摩擦大小。当两板料成形形状和厚度不同时，可以较自由地成形。 德国学者为解决复杂的充液机构设置问题又提出了将压板置于中间的无焊 缝对胀成形新工艺。 近些年来，美国学者提出v p f 技术，即粘性介质压力成形。它是一种板 料柔模成形技术。此技术与薄板的液压成形技术相比，它是用具有应变速率敏 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 感性的粘性介质代替半边刚模e 2 0 - 2 6 】。 1 2 2 板料液压成形技术的国内发展 相对国外，我国的板材液压成形技术起步较晚，追溯到上世纪7 0 年代我 国才开始介绍该项技术，并开始研究。随后我国其它各研究所和院校开始对该 项技术进行研究和讨论，该技术主要应用在薄板加工业中。 山东工业大学赵振铎、于艳秋等人【2 7 】讨论了汽车车灯反光罩的常规拉深工 艺和充液拉深工艺特点及板料变形规律。东北重型机械学院于清莲、杨煜生f 2 3 l 初步研究了一般自然增压式对向液压拉深法适用于法兰很小或没有法兰的简形 件，带初压的自然增压式对向拉深法适于拉深较复杂、较深的带法兰零件，强 制增压法可成形最复杂的深拉伸零件。关明、李保庆、马福剖2 9 l 通过研究球形 件液压拉深过程，说明液压力行程曲线是液压拉深工艺的重要参数之一，并用 实验验证其符合实际拉深过程。太原重型机械学院关明、李天佑与深圳中华自 行车股份有限公司林华合作【3 0 】用内点罚函数的方法设计优化程序，对液压拉深 工艺参数进行优化研究，并采用径向加压的方法研究球形件的成形效果。北京 第一通用机械厂胡顺、陈斌f 3 l 】用充液拉深技术一次拉深出空气压缩机上的油底 壳，模具设计与制造以及加工工艺都得到了简化，成本显著降低。西安交通大 学联合机械工程学院模具与塑性加工研究所【3 2 1 提出新型充液反拉深模具结构， 将模拟与实验相结合，论证轴向推力对反拉成功的决定性作用。南昌航空工业 学院刘志和、孙玉和1 3 3 】研究液压二次拉深，指出液压二次拉深的变形程度随一 次拉深变形程度而异。即若一次拉深变形程度小，则二次拉深变形程度大。反 之，一次拉深变形程度大，则二次拉深变形程度小。西北工业大学吴建军口4 】主 要讨论了液压拉深成形中，不同特征尺寸的阶梯型内凹筒形件液压反力的上下 成形极限，指出了液压反力的工作区域，以及变化规律，并对不同的破坏模式 进行了讨论。 哈尔滨工业大学康昌达等人 3 5 - 3 7 1 提出正向充液变薄拉深方法，进行工艺试 验研究并从理论上推导出变薄成形过程中传力区拉应力的计算式，并得出大量 的有价值的工艺参数。中国科学院金属研究所许沂等人【3 8 】提出可移动凹模技 术，实现拉深与胀形的复合液压成形，此方法可抑制已变形区再度变形，使零 件成形更加均匀，变形上实现顺序控制，及大地提高了板材的成形极限。 通过数值模拟技术与工艺实验，对平底筒形件、方盒形件、抛物线形件、 球底筒形件、圆锥形筒形件等的成形进行了系统的研究，从中积累了许多实际 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 经验，诸如提高成形极限方面和避免成形缺陷方面，为我国生产实际中的应用 奠定扎实基础【3 9 , 4 0 。 1 2 课题研究的内容 内凹底零件在现代生活中是很常见的，例如太空杯，电磁炉，烧炭火锅 等，传统工艺需要多道次拉深，每次拉深都会产生材料不同程度的硬化，影响 了产品的使用寿命，降低了使用性能。对于在高压，高温条件下使用的器件， 例如航空航天领域，不但要求抗冲击性能要好，表面质量要好，耐高温，还要 求使用寿命要高。传统的拉深工艺很难达到要求，液压拉深工艺可使特殊要求 的零件一次成形，并且表面质量好，已成为加工工业的主要发展趋势。 针对铝合金板材部件在航天领域的需求，采用有限元数值模拟技术可对成 形过程中模具参数和工艺参数对成形质量的影响进行分析，还可以查看板料在 拉深成形过程中任意阶段的变形和流动的详细过程，观察并分析板料的应变分 布、厚度变化等的形成过程。在充液拉深成形过程中的大部分问题都能通过数 值模拟发现解决，从而进一步优化相应的模具参数和工艺参数。 本课题以内凹底简形件为研究对象，进行一次拉深成形过程数值模拟及实验 研究。其主要的研究内容为： 1 在板料成形有限元分析软件d y n a f o r m 5 6 中建立模拟模型，对成形工 艺参数进行研究。研究内容包括：径向压力、液室压力、预成型初始压力等参 数对成形工艺的影响，并对成形过程中板料的破裂、起皱、减薄等缺陷进行分 析。 。 2 采用主动径向液压成形技术，对大拉深比内凹底筒形件进行成形模拟。 讨论主动径向力和液室压力对内凹底筒形件底部成形的影响以及合理的匹配关 系。 3 进行内凹底筒形件实验，对比模拟结果和实验结果，得到此类零件的成 形规律。 哈尔滨理丁人学t 学硕i ! 学位论文 第2 章薄板有限元单元模拟理论 2 1 材料的屈服理论 初期的冲压仿真过程中，多数人认为冲压件材料是各向同性的，故采用 v o n m i s e s 屈服准则。其表达式为： ；：、昙i h 一吒) 2 + p ：一c r 3 ) 2 + ( 吧一q ) 2 】 ! ： ( 2 一1 ) ，_ - _ _ _ - _ _ _ - o _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。o o o o o o 。o 。o 。o o o o o 。一 、一一， ：、告k q ) 2 + o y 一吒) 2 + p ：一吒) 2 + 6 h + r y ：+ ) 】= c 式中：o r j 、o r y 、仃：分别为x 、y 、z 方向上的j 下应力，、_ r 弦、r 甜为该点的 x 、y 、z 方向上的切应力。 在平面应力状态下，v o nm is e s 屈服准则可表示为： 一2 o r = o r j 2 + 仃y 2 一盯。2 盯y 2 + 3 r 删2 ( 2 2 ) 1 9 8 4 年，h i l l 提出一个二次屈服函数，来描述在实际的冲压成型过程中， 冲压件材料的各向异性。h i l l 假设材料在每一个质点上存在三个各向异性的平 面，其平面的相交线构成三个相交的主轴1 ，2 ，3 ，相应的屈服函数为： f ( o r 2 2 0 3 3 ) 2 一g p 3 3 一仃1 1 ) + 日b l l 一仃2 2 ) + 2 l o r 2 2 2 + 2 肋3 1 2 + 2 1 2 2 1 = 0 ( 2 。3 ) 式中：f ，g ，h ，l ，m ，n 是决定于材料在三个方向的拉伸屈服应力和剪切 屈服应力常数。在平面应力状态下，此屈服准则可表示为： 1 2 r 2 ( 2 r + 1 ) - f 2 矽之仃，( 2 - 4 ) b a r l a t 等人为了更准确地并有效地分析多晶体材料，于1 9 9 1 年提出了一种 能够描述多晶体材料的屈服准则，平面应力下屈服准则可表述为： f = a l k 。+ 七：i 啊+ a l k 。- k ：l m + ( 2 - a 1 2 k ：l 朋= 2 0 ( 2 - 5 ) 热耻等等；铲f 霜荔m ； 哈尔滨理t 犬学t 学顽f j 学f t 论文 a = 2 - 2；h = x 表示板材轧制方向，y 表示与轧制方向垂直的方向，a ，h ，p 表示描述塑 性各向异性的材料系数，仃表示沿轧制方向的等效应力，对于晶体结构为体心 立方结构的材料，指数m 取6 ；对于晶体结构是面心立方结构的材料，m 取 8 ；r o ，r 4 5 ，1 9 0 为各向异性材料在与轧制方向成0 0 ，4 5 0 ，9 0 0 时的各向异性值。 当r ：l 时，方程( 2 2 ) 和( 2 一) 为同一种形式，即为各向同性材料屈服条 件；当r o = “5 = r g o = l ，m = 2 时，方程( 2 5 ) 也与方程( 2 2 ) 为同一种形式，即各向同 性材料屈服条件【4 。 2 2 有限元网格优化 一般地，初始网格都存在不规则的节点和畸形的单元，这对有限元分析的 精确度和正确性有着直接的影响，所以要对进行优化。 网格优化方法通常有两种：一是拓扑关系的调整；二是节点位置的调整。 拓扑关系是指网格节点的连接关系，是节点关系的变更，包括增加节点和删除 节点。对于节点位置的调整，应用最广的和最简单的是l a p l a c i a n 算法，它用 迭代法将每一个内部非固定节点移至由其邻接节点构成的多边形形心。此种方 法简单可靠，计算效率高，但对于一些特别的情况，如凹域，会产生失效的有 限元单元，对于严重畸变的有限元单元，效果也不明显1 4 2 4 3 】。 2 3 板料成形缺陷分析 概括的来说，板料充液拉深成形的缺陷形式主要为破裂和起皱两种。普通 拉深产生的破裂，通常发生在拉深成形初期的凸模圆角处。充液拉深产生的破 裂和起皱，受液室压力和凸、凹模圆角半径等因素的影响，破裂会在不同位置 和不同阶段产生 4 4 , 4 5 1 。 2 3 1起皱 在薄板成形中，起皱是压缩失稳的主要表现。因为板料在厚度方向的尺寸 比轴向尺寸和径向尺寸小得多，因此厚度方向是不稳定的。所谓压缩失稳是当 板料厚度方向的压应力达到失稳极限时，板料所产生的失稳。板料拉深成形时 产生的起皱大致有如图2 1 所示的四种，即分别为压缩力、剪切力、不均匀拉 深力以及板平面内弯曲力。 哈尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论文 上 上 t + 卜一 t 图2 - 1 板料起皱类型 f i g 2 - 1t h et y p eo fs h e e tm e t a lw r i n k l i n g 充液拉深成形的起皱形式主要有法兰区起皱、悬空区起皱、棱边拐角起 皱。法兰区起皱是拉深成形普遍的一种缺陷形式，主要是压边力较低所致，可 通过增大压边力来避免该类缺陷。悬空区起皱主要处于成形曲面的中上部，该 区域液室压力较小，坯料没有贴模的条件下，切向压应力的作用所致，可以通 过增大液室压力及压边力来避免该类缺陷。 2 3 2破裂 在薄板冲压成形中，破裂是拉深失稳的主要表现。板料在拉深成形过程 中，随着变形的发展，板料的应变强化效应随板料承载面积的减小而逐渐增 加。当应变强化效应的增加大于或等于承载面积的缩减时，变形稳定；当应变 强化效应的增加小于承载面积的缩减时，板料的变形将首先发生在承载能力弱 的位置，发生缩颈，最终导致破裂。 凸模圆角区的破裂主要发生在成形初期，通常由于液室压力过低，不能建 立有效的有益摩擦和流体润滑，或者液室压力出现较大波动使凸模圆角区坯料 的拉应力超过材料的强度极限；凸模圆角过小也是导致拉深零件破裂的原因。 避免该类缺陷的方法是在成形初期通过液压泵或者是增压器强制增加液室压 力；加装溢流阀实时控制液室压力，防止产生较大波动；适当增大凸模圆角半 径，减小拉应力。凹模圆角处的破类主要发生在中后期，其原因是液室压力过 高致使凹模圆角附近反胀减薄；凹模圆角过小，也易在成形后期发生破类。解 决该类缺陷的方法是适当降低液室压力，减小凹模圆角附近坯料反胀减薄量， 适当增大凹模圆角半径。 2 4 本章小结 本章主要从薄板有限元单元模拟理论上对薄板冲压成形进行分析，为后续 的论述提供必要的专业理论基础。 1 介绍了v o n m i s e s 屈服准则，h i l l 屈服准则和b a r l a t 屈服准则 2 简洁地介绍了优化网格的必要性以及两种优化方法，即拓扑关系的调整 、 一 = 一 1 1 哈尔滨理t 大学t 学顾i j 学9 论丈 和节点位置的调整 3 详细介绍了板料成形的两大主要缺陷，即起皱和破裂。充液拉深成形的 起皱形式主要有法兰区起皱、悬空区起皱、棱边拐角起皱；破裂受液室压力等 因素的影响，会在不同位置和不同阶段产生。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 第3 章铝合金内凹底筒形件的成形模拟 传统的拉深零件，需要多道次拉深且成形极限低。充液拉深不但能提高零 件质量，提高零件精度，还能将拉深比提高，用数值模拟的方法达到减少或避 免用反复试验来获得所需的参数，缩短模具的设计制造周期，降低成本，增强 企业的竞争力。 充液拉深技术，主要依靠液室压力产生的作用来增加板材与拉深凸模之间 有益摩擦和建立流体润滑，来提高板材零件的成形极限。目前，板料充液拉深 研究主要针对平底筒形件，球底筒形件，锥底筒形件等形状的零件，应用数值 模拟与实验相结合的方法，研究此类零件的成形工艺参数和影响各类零件成形 的影响因素。针对内凹底深筒形件的研究，国内还没有深入地展开，而内凹底 筒形件在汽车及航空等行业都已有应用。 本文采用有限元数值模拟的手段，研究反胀压力和液室压力对内凹底筒形 件充液拉深成形的影响，分析主要参数对板料成形性能的影响，找到合理的液 压加载区间，实现内凹底筒形件的一次高质量的成形。 3 1 模型的建立 以铝为基的合金被称为铝合金。它的主要元素包括铜、硅、镁、锌、锰， 次要元素包括钛、铬、锂、镍、铁等。纯铝的密度为2 7 9 m 3 约是铁的 1 3 ，熔点低( 6 6 0 ) ，铝具有很高的塑性( 6 ：3 2 4 0 ，w 7 0 9 0 ) ，易于 加工，可制成各种板材、型材等。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低， 退火状态值约为8 k g f m m 2 ，故不宜作结构材料。添加一定元素形成的合 金，在保持纯铝质轻等优点的同时，还能具有较高的强度，退火状态值分 别可达2 4 - - 6 0 k g f m m 2 。这样使得其“比强度 胜过很多合金钢，成为理 想的结构材料，广泛用于动力机械、机械制造及运输工业等方面，为减轻 自重，实现轻型化，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造。采用 铝合金代替钢板材料，可达到轻型化、节约资源的目的，其重量可减轻达 一半以上。 本研究板料选取毛坯直径为1 4 4 m m ，厚度为l m m 的5 a 0 6 铝合金，其它板 料参数如表3 1 所示。 本论文中，模拟材料选3 7 号h i l l 屈服模型。板料单元采用b e l y t s c h k o t s a y ( b t ) 壳单元，凸模、凹模及压边圈视为刚性体，凸模半径为3 0 m m ，凹模 哈尔演理t 人学t 学硕f j 学位论艾 半径为3 1 1 m m ，凹模圆角半径为8 m m 。采用库仑摩擦定律的摩擦模型，板料 和凸模之间的摩擦系数为o 1 4 ，板料和凹模之间的摩擦系数为0 0 4 ，板料和压 边圈之间的摩擦系数为0 0 4 。凸模模拟冲压速度为l m s 。选取成形单向面一面 接触的接触类型。采用仿真模拟软件d y n a f o r m 5 6 对铝合金内凹底筒形件的充 液拉深成形过程进行有限元数值模拟。因为筒形件具有对称性，所以只需选取 有限元模型的1 4 进行模拟，在设置的过程中不勾选“网格细划分，以减少 模拟的计算量和求解时间。 表3 1 材料力学性能 t a b l e3 - 1t h ep a r a m e t e r so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 屈服强度盯j m p al 延伸率l 硬化指数刀 i 厚向异性系数， 1 6 0 i 1 80 2 60 8 5 3 1 1 板坯的建立 由于拉深件形状的特殊性，在内凹底处的受力与其它部分的受力不同，因 此板料的网格尺寸也应不同。在d y n a f o r m 5 6 软件中不能满足网格要求，为提 高模拟质量，使模拟更加真实，故应用h y p e r m e s h 网格划分专用软件，由于此 零件具有轴对称性，故取1 4 模型，板料半径7 2 m m ，用h a s 格式将已画好的 图形导入到d y n a f o r m 5 6 模拟软件中划分网格如图3 1 所示。 皂 、 x 入 厶 豸 队 k ， | 惶 j l l a ) h y p e r m e s h 建模b ) d y n a f o r m 建模 图3 1 板料模型 f i g 3 1b l a n km o d e l 从上面的对照中，可以看出图3 1 中a ) 网格符合要求，在零件结构变换 处，即零件内凹底部分，网格尺寸变小，力的传递受到阻滞，不会在底部中心 哈尔滨理1 i 人学1 _ 学颂i ：学位论文 出现较大的拉延力，有利于内凹底处的成形。图b ) 是用d y n a f o r m 软件中坯料 网格划分出来的，网格尺寸一致，以致于力的传递快，不同结构处受力相同， 此种网格不适合结构有特殊变换的零件。板坯模型建立完以后，以n a s 格式导 出，并导入到d y n a f o r m 5 6 板料专用模拟软件中，并保存为d f 文件。 3 1 2工具的建立 由于凸模是从凹模上截取的一部分，压边圈是由凹模偏置得到，因此只需 建立出凹模即可。凹模模型可以用u g 、p r o e 等三维软件建立出，以i g s 格式 导入到d y n a f o r m 软件中，也可以由d y n a f o r m 软件直接建立。在d y n a f o r m 软 件中建立模型的具体做法是，在前处理模块中用点线命令，绘制出凹模外轮 廓线，用曲面命令将曲面生成，但要注意只生成1 4 的面，再用单元命令生成 凹模单元，用模型检查修补命令对生成的单元进行网格质量的检查，对不合 格单元进行修补。凹模建立完后，进入自动设置，将其它工具模型建立出来， 最终，内凹底筒形件有限元模型如图3 2 所示。 板料 图3 2 内凹底筒形件有限元模型 f i g 3 2f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc o n c a v eb o r o mc u p 3 2 普通充液拉深 本课题中采用的a u t o s e t u p 自动设置模块来加载液室压力。在a u t o s e t u p 中 哈尔滨理t 人学t 学倾i j 学位论文 很容易实现板料的充液拉深，其过程是在p r o c e s s 选项卡中选中h y d r o m e c h 选 项，l o a dm a s k 可以定义一条封闭的曲线，只有板料单元流入封闭曲线的 时候才施加压力。而后点击p r e s s u r e 按钮来设置液室压力一时f i j j 曲线，随后选 择施压方向，在作用区域中选中上述设置的封闭曲线。这使得模拟充液拉深的 过程更加准确和简单。 零件形状和尺寸如图3 3 所示，从图中可以看卜n ，此零件从外部轮廓上 看，类似于一般筒形件，是轴对称零件，但在零件底部有一内凹处，是反胀成 形，内凹高度6 m m ，内凹直径6 0 m m 。 在普通充液拉深中，内凹底筒形件的成形是在液室压力的作用下完成的， 零件成形极限图如图3 4 所示。在内凹底中心区域出现内皱，说明在液室压力 的作用下，液室压力恒定值较大时零件底部板料变形不充分，受力不均匀，产 生内皱，并且内凹口处和凸模圆角附近有破裂趋势。从图中还可以看出，内凹 底处变形不充分，内凹高度不够，内凹圆角没有完全贴模。说明在普通充液拉 深技术下，不能实现内凹底筒形件的一次成形还。 西j。 出妨 图3 3 零件二维图 f i g 3 3t w o - d i m e n s i o n a lm a p o fp a r t r a l 瞒h 0 f c r c k s f e 簪聋 w f u 憎l e缓 t e n d e n c y 缀 n 嗣n 眦e 咖瀣 删籀 i i n i s l j f f k i e n t s t i 芒t c h 图3 _ 4 普通充液拉深下的成形极限图 f i g 3 - 4f l d o fo r d i n a r yh y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n g 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 3 3 带有反胀压力充液拉深 为解决一次拉深出内凹底筒形件的技术难题，本论文采用带反胀压力的充 液拉深工艺，它的原理是在凸模运动前，即还未接触板料前，通过增压器使液 室建立初始液压，坯料悬空部分形成一定反胀，产生一定的预变形后，凸模再 向下运动进行拉深运动。由于反胀压力的作用，使坯料反向贴模。如图3 5 所 示。 a ) 成形初期b ) 成形后期 图3 5 带有反胀压力的充液拉深 f i g 3 5t h eh y d r o d y n a m i cd e e pd r a w i n gw i t ha n t i - i n f l a t i o np r e s s u r e 从上图可以看出，带有反胀压力的充液拉深在成形初期，由于反胀压力的 作用，板料紧贴凸模，胀起一定的高度，同时也起到了预变形的作用，为后期 的变形降低了板料的各向异性；变形后期，板料在液室的作用下，保证了零件 的成形。 3 3 1 反胀压力的加载曲线的设计 拉深件反胀的实现可通过采取一定的反胀压力和反胀高度。设计在不同反 胀高度下，反胀压力加载路径如图3 - 6 所示。为研究反胀压力对零件成形的影 响，反胀压力加载时间为o o l s ，随后加载的液室压力均为3 0 m p a ，加载路径 设计为2 m p a ，4 m p a ，6 m p a ，8 m p a ，i o m p a ，1 2 m p a ，1 4 m p a ，1 6 m p a ；反 胀高度分别为o m m ，2 m m ，4 m m ，6 m m ，8 m m ；液室压力为一定值即为 3 0 m p a 。零件成形极限图如图3 7 所示。 在图3 7 中，反胀高度为o , 一4 m m 时，反胀压力2 1 6 m p a 下，最小壁厚值 均在0 7 0 m m 以上，厚度减薄率低于3 0 ，均为安全变形，并且壁厚无明显变 化，故零件均能成形。其中在反胀高度为0 m m 时，图中黑线所示，壁厚变化 哈尔滨理t 人学t ! 学硕j j 学位论支 波动最小，曲线趋于水平，从而说明反胀高度为0 m m 时，板料成形最佳；反 胀高度在6 - 8 m m 之间时，曲线变化较大，但在反胀压力为6 m p a 时，均有一 最大壁厚，随着反胀压力的增大，壁厚减薄逐渐增大，反胀压力1 4 m p a 时， 在零件内凹口处出现破裂。 再 山 羔 r 鹾 釜 呕 ， e 昱 吐 刘 蟠 x 充液时间s 图3 - 6 反胀压力加载曲线 f i g 3 6a n t i - i n f l a t i o n a r yp r e s s u r el o a d i n gc u r v e 图3 7 不同反胀高度下的零件壁厚变化图 f i g 3 7d i f f e r e n th e i g h to fb u l g i n gp a r tw a l lt h i c k n e s s 哈尔滨耻t 人学t 学硕j j 学位论文 从图3 8 中i 叮以看出，在反胀高度为0 m m ，反胀压力为1 0 m p a 时零件可 一次成形。此时零件内凹底处完全成形，并且质量较好。 t i n t f 亿e d s t e p3 7i i i w b 0 0 7 0 0 0 f l o 帽啪 图3 - 8 反胀高度o m m ，反胀压力1 0 m p a 时零什成形极限图 f i g 3 - 8t h ef l do fp a r tw h e nt h eb u l g i n gh e i g h ti s0 m m a n dt h et d g i n g m s a r ei s10 m p a 3 3 2 液室压力的加载曲线的设计 在反胀压力的作用下，内凹底处初步成形，即可完成内凹底的成形，在随 凸模的运动下，板料进入凹模腔。在凹模腔内，在液室压力的作用下，板料完 全贴靠凸模，最终成形。基于前面的分析，反胀高度0 m m ，反胀压力 1 0 m p a ，零件内凹底处成形最佳。为得到一次拉深较好的最终成形件，设计液 室压力加载曲线如图3 - 9 所示。液室压力曲线分别为1 0 m p a ，15 m p a ， 2 0 m p a ，2 5 m p a ，3 0 m p a ，3 5 m p a ，4 0 m p a ，4 5 m p a ，5 0 m p a 。 图3 - 9 液室压力加载曲线 f i g 3 - 9c u r v e so f t h ec h a m b e r p r e s s u r e 哈尔滨理t 人! 学l j 学f 欢i j 学位论义 上述液压加载曲线是在反胀高度o m m ，反胀压力1o m p a 的基础上设计的 8 条加载曲线。通过后处理观察，液室压力1 0 m p a 时，也就是说，在总行程 内，液室压力没有变化，零件底部没有贴模，并在凸模圆角附近破裂，如图3 1 0 所示，分析原因：液室压力太小，没有形成较好的摩擦保持效果，形成了 较人的径向拉应力致使在零件凸模网角区发生破裂；当液室压力达到1 5 2 5 m p a 时 模圆角附近破裂消失，但内凹底部没有成形，图3 1 1 是液室压力 1 5 m p a 下，零件的成形极限图。 u n t i t l e d s t e p3 6t i m e ：