（材料加工工程专业论文）变截面板方盒形件拉深成形性研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 变截面板成形技术是今后汽车轻量化用材发展的一个重要方向，是一种先进 的制造技术。具有减少生产成本、降低油耗、提高整体性能等优势，其应用必将 促进汽车产业的巨大进步。与拼焊板相比，变截面板有诸如生产加工过程更短、 板厚过渡位置不存在应力峰值、工作零件磨损更小、不会因为焊缝的存在而影响 外观等优势，但是变截面板因板厚不同存在厚度过渡区会给冲压工序带来一系列 问题，如压边圈的改型、冲头的磨损、厚度过渡区移动的控制等问题。 在生产实际中如何解决这些工艺问题，是变截面技术发展和应用的关键。本 文基于大型通用有限元软件a b a q u s 运用数值模拟技术研究各项工艺参数对变截面 板成形性能的影响做初步的研究，试图找到变截面板方盒形件成形时工艺参数对 成形性的影响规律，为变截面板在汽车工业的应用提供理论指导。研究主要内容 有： 1 对变截面板拉深成形的原理和特点以及盒形件的变形特点进行了阐述，针 对变截面板拉深盒形件变形过程中的不同部位进行应力应变状态进行了分析。 2 利用大型通用有限元软件a b a q s u 分析了造成变截面板成形缺陷的主要影响 因素一压边力、板厚比、摩擦系数、模具间隙及凸、凹模圆角半径对变截面方盒 形件成形的影响。 3 分析了不同工艺参数对厚度过渡区移动的影响，通过对模拟数据的分析和 对比发现，模具间隙、凸模圆角半径对厚度过渡区移动的影响很小，通过调节压 边力、板厚比、摩擦系数、凹模圆角半径可以达到控制厚度过渡区移动的目的。 4 通过对大量模拟数据的研究发现，随着压边力、摩擦系数的增大，盒形件 的底部圆角厚度值在逐渐减小；而随着薄、厚板厚度差值和凹模圆角半径的增大， 盒形件的底部圆角厚度值在逐渐增大。随着凸模圆角半径的增大，底部圆角厚度 值先是增大后又有所减小。模具间隙对底部圆角厚度值的影响不大。 关键词：变截面板，厚度过渡区，工艺参数，数值模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 越l o rr o l l e db l 觚l ( s ( n m ) p l a y s 锄i m p o r t a n t l ei i lt l l el i g l l 铆e i 曲t i n g t e c h n o l o g yo f 卸t o m o b i l ei n d u s 仃y 锄di t sa p p l i c a t i o 嬲咖a d e r a t em ed e v e l o p m e n t o fm ea u t o m o b i l ei n d u s 仃y ，f o ri t s 锄a d v 锄c e dt e c h n i q u cw i t l ln l ea d v 锄t a g eo fc u t t i n g d o w nm 锄u f a 曲嘶n gc o s t ，r e d u d n gw e i g h to ft l i ec a r 锄di r l l p m v i n gs a f e t y c t c i i l c o m p a r i nt 0t a i l o rw e l d e db l 觚l ( s ( t 、b ) ，t r bh a v e 廿l ef o l l o 晰n ga d v 锄t a g 鹳跚c h 勰 a h 嘶p r o d u 甜0 np r 0 s s 、d 0n o th a v es 仃懿sp 铋l ( si i im et l l i c k n 铭s 破m s i t i o i i t l l e a b 戚v e 泐1w e 龃i sl o w 谢n ln l ea b s o fw e l d i n gs e 锄姆i eb l a i l l ( s u m 啪i s t n c g a 虹v c l ye 位c t e d 锄d o n b u tm e 他a 佗a l s o m ed i s a d v a n t a g e so ft i mi i l c o m p 面s o nt 0t w b ，蛐c h 鹪b l a n kh o l d 盯r e 昀f i t t i n g p u n c hw e 屿“c k n 鹤s 衄塔i t i o n m 0 v 锄锄te f t c 1 kk e yt 0n 圮印p l i c a t i o n 舭dd e v e l o p m e n to fn mi sh o wt or e l v et 1 1 e t ec ：h n i c a l 呻b l e m s 1 1 l i sp a p 盯憾铭al a r g e3 c a l c 霉贺a lf i i l i t ce l e m e n t 觚a l y s i s f t 、a 坞a b a q u st 0i r l i t i a l 锄a l y z en l ei 1 1 f l u o fp c 骼s i n gp a r 锄e t e 璐o n 廿l e 如咖a b i l 时o f l l 沿，锄dt l l e 他g i l l 盯p a n 锄i s 戗p e c t e dt 0s e e _ k 伽t t op r 晰d i n gc 鲥a i n 廿l 硎c a lg i l i d 锄f o rm e 印p l i c a t i o no ft r bi i i 跚t 锄0 b i l ci n d l l s 咄1 1 1 ep 血n a d ， c o n t 印to f t l l e 删e c t 勰f 0 1 l o w s ： 1 1 k 砸n c i p l ea n dc h 鲫l c t e r i s t i 鹪o ft i 国觚ds q 瑚c u pd e 印d r a w i n gw e 他 d i 吣s e dm e o r e t i c a l l y 觚dt h es 缸a i l ls t a t e 肌ds 廿e 鹳s t a l ei nd i f l 6 啪tr e g i o 嬲o f 廿l e s q u a c u pi s 觚a l y z e di l lm ep r o c e 船o fd e 叩l r a w i l l g 鹏i n gt l m 2 s u b s e q u t l y n 圮m a i l li n f l u o nt l l ef 0 肌a b i l i t ) ，o ft l m 驰c h 鹋b l a i l l ch o l d e r f b 麟n l i c l 【i l e s s 僦o ，伍商o nf a c 栅；d i eg a p ，d i ep r o f i l e 珊d i 鹏锄dp 嘶c hp r o f i l e 硼i 瑚h a y cb ns 印a r a t e l y 髓a j y z e d 吐l r o u g hf i n i t ee l 锄舶tp m 伊锄暗- a b a q u s 3 t h ee 侬娥so fd i a 研tp r o c 鹪sp 蹦啪吼i e 璐o nt l l i c l ( i l 鹤st r a m i t i o nm o v e m e n th a v e b 嘲觚a l y z e d ，m r o u g l lm ec o m p a r i n 锄d 锄a l 埘so fd a t 嗣i b a w ec 雒f i n dm a t ： l l i ee f f t so fd i eg a p 觚dp u n c hp r o f i l er a d i 鹏0 nt l l i d 【n 骼s 砸m s i t i o nm o v 锄舶t 眦 t0 b v i o 岫；t h em o v 啪to ft l l i c l ( i l e s sh 彻s i t i o nm a yb cc o n 呐l l e db ya d j 邯t i n g b l 锄kh o l d 盯f o r c e ，m i c l ( i l e 鹤r a t i o ，衔c t i o nf a a t o r d i ep m 6 l cr a d i 峭 1 变截面板方盒形件成形性研究 4 t h r o u g l lac o n s i d 骶l b l e 锄。岫to fd a l a b 嬲e i tc o n c l u d et l l a t t l l ev a l u eo fm e t h j 加髓tr e 西o no ns q 眦ec u pd e c r e 鹤i n gm ea l o n gw i ii n c r e 勰i n go fb l a n kh o l d e r f 0 哟觚d 衔c t i o nf a c t o r ；a l o n gw i 也l ei n 仃e 鹊i n go ft l l et l l i c h e 豁d i 彘r 锄to fm e b i 锄1 【s 锄dd i ep r o f i l em d i 憾，t l l e 砌u eo f 廿l em i 胁e s tr 昭i o no ns q u a r cc u p i n c 陀舔髓黟a d u a l l y 舡t l l ep 哪c hp r 0 6 l er a d i 邺i n 锹獭i n 吕t l l ev a l u eo ft h e l i 彻懿t r e g i o no ns q u a r ec u pi n c r e 私懿f i r s t l y 锄dd e c r c a s 懿a r e r w 矾s t h ee f i e c t so fd i e g a po nm ev 札eo fm em i n i l e s tr e 舀o no ns q u a r ec u pi sn o tp r o n o u n c e d k e y w o r d s ：1 撕l o rr o l l e db l 锄l 【s ( ，r r b ) ，l i c l 【l l 髓s n 锄s i t i o nz o n e ( t t z ) ，p m c c 鹦 p 猢e t e r n u m e r i c a ls i i i l u l 撕0 n 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着我国经济的发展，汽车工业现在已经成为我国国民经济的重要支柱产业，我国 现在已成为世界第二的汽车生产大国。但国民在享受汽车带来的便利和舒适的同时，也 因此产生了许多负面的影响，最值得关注的是我国环境污染和能源短缺现已成为当今社 会越来越严重的问题，为了应对日益严格的环保挑战，世界汽车业正积极行动起来，大 力研制环境友好型的汽车，例如欧洲的e u c a r ，美国的p n g v 项目等就是具体的例证。环 境友好型汽车【i 】的重要标志是油耗低、排放少，而降低油耗、减少排放的重要措施就是 减轻车体的重量。有关机构的研究表明【2 1 ：若汽车质量减轻1 0 9 6 ，则油耗减少4 5 。然 而，在过去的汽车发展历程中，人们为了追求舒适、安全、高速等性能要求，在不同程 度上导致了汽车质量的增加，这在环境污染、国际油价上涨及能源短缺的今天是不合适 的。 当前汽车轻量化主要有两大途径，一是优化汽车结构，二是使用轻量化材料【3 】。据 统计，汽车车身、底盘( 含悬挂系统) 、发动机三大件约占一辆轿车总质量的6 5 以上， 其中车身内、外覆盖件的重量又居首位。所以，减少白车身质量可以明显降低汽车总质 量进而降低油耗【4 】，这为汽车轻量化指明了一个重要方向。基于轻量化结构用材，提出 了一种显著减轻车身质量的新型薄板连续变截面板。用于车身轻量化制造的变截面 薄板分为两种，一种是拼焊板( t a i l o rw e l d e db 1 a n k s ，t 耶) ，是将2 块或2 块以上不 同厚度或不同材质的板料焊接在一起【5 1 ，然后进行冲压成形，以满足不同的性能要求， 减轻车身质量但是，t w b 在拼接处存在板料厚度的突变、母材承载能力差异和焊缝及其 热影响区的硬化等【6 】，因而在成形过程中会诱发下列问题：( 1 ) 板料厚度在焊缝两侧的 突变使成形时压边力大小不一致，冲压过程中薄板会因压应变过大而起皱；( 2 ) 焊缝两 侧材料承载能力不一致，材料流动和变形会不均匀，这样就会引起焊缝的移动，加剧应 变集中，使整块板的成形性能降低；( 3 ) 焊缝及其热影响区的硬化作用导致整块板成形 性能降低，成形困难。 另一种是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面板( t a i l o rr 0 1 1 e db 1 a n k s ，t r b ) i 刀， 是在钢板轧制过程中，通过计算机对轧机的实时控制来自动和连续地调整轧辊的间距， 获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板料，它存在一个厚度过渡区( t l l i c l ( i i s l 变截面板方盒形件拉深成形性研究 缸a l l s i t i z o n e ，i r z ) ，是一种新的轧制技术生产的板，本文中所指的变截面板就是通过 这种工艺生产的t r b 。 与t w b 相比，t r b 有以下优势【8 1 ： ( 1 ) 生产加工过程更短； ( 2 ) 生产成本与厚度变化区的数目无关； ( 3 ) t 鹏的焊缝位置需要认真布置，而t r b 的厚度梯度可选的范围很大，它的位 置也跟后续的拉深成形过程关系不大； ( 4 ) t r b 的板厚过渡位置不存在应力峰值； ( 5 ) 工作零件磨损更小： ( 6 ) 不会因为焊缝的存在而影响外观。 变截面板的应用提高了产品质量，明显的降低产品重量和成本。更有效的提高了 稳定性，提高原料的利用率，尤其是该技术在汽车车身上的应用，大大减少了零部件的 冲压模具【9 j ，产品整体质量得到提高，对减轻汽车重量、减少加工工序、降低成本、提 高生产效率、减少材料消耗都有十分重要的作用。 但是变截面板因板厚不同会给冲压工序带来一系列问题，如压边圈的改型、冲头 的磨损、厚度过渡区移动的控制等问题。本文通过数值模拟技术研究各项工艺参数对 变截面板成形性能的影响做初步的研究，为变截面板在汽车工业的应用提供理论指导。 1 2 变截面板 1 2 1 变截面板技术 变截面板由德国亚琛工业大学金属成形研究所( i n s t i t u t eo fm e t a lf o 瑚i n g ，i b f ) 开发出来【埘，是一种基于新材料加工技术的轻量化结构用材。其生产工艺是利用柔性 轧制技术，通过计算机的实时调控使轧辊的间距得以自动和连续地变化，使板料的厚 度沿轧制方向按预先设定的曲线变化。参见图1 1 、1 2 。 图1 1 珊形状图 f i g 1 11 1 s h a p eo f l l m 2 江苏人学硕十学位论文 图1 2t 髓的轧制模型 f i g 1 2r d l l i i i gm o d e lo f t i 国 采用变截面板制成的汽车零部件能显著减轻汽车的重量，从而达到节能减排的目的 【】，变截面板的生产工艺也决定了其能克服或减少拼焊板在应用上存在的问题，从而为 汽车工业的发展做出贡献。 t r b 有以下几个方面的特点： ( 1 ) 减重效果好。以等厚度薄板为参照，假定由等厚板、拼焊板和变截面板三种 形式的板材制成同样刚度的结构件，则减重效果如图1 3 所示，如图所示，变截面板制 成的梁的减重效果最好，达到4 0 ，这主要得益于变截面板连续变化的截面形状，可以 用最少的材料达到与其它两种板料相同的刚度要求。 嘭多钐燃、 l f z 佃露 蠢t 撕 1 f m 擒 疆t 似 图1 3 同样刚度不同截面薄板的减重效果 f i g 1 3l 0 s c - w e i g h te d 如to fv 撕a b l e 蛳t i o nt l i i c k i i 鼬b l 眦k smi n 慨i c 矗g i d i t y ( 2 ) 变截面板的板厚过渡位置不存在应力峰值，机械性能好。拼焊板是由焊缝把 两块不同材料或厚度的刚性连接起来的，且焊料与母材在性能上存在差异，所以在拼焊 板的硬度沿长度方向必然发生跳跃式变化，如图1 4 ( a ) 所示，这为后续的加工成型带来 不利的影响，而且拼焊板焊缝处的不平整性是无法采取措施掩盖的，这就决定了拼焊板 不能用于汽车覆盖件的应用而只能用于汽车内饰的结构件，这就限制了它的用途【1 2 】。而 变截面板沿轧制方向硬度变化比较平缓，如图1 4 ( b ) 所示，机械性能好，有利于后期成 = l 变截面板方盒形件拉深成形性研究 型，并且变截面板厚度是连续变化的，不存在焊缝这样的缝隙，可以制作各种车身的覆 盖件。 眩冱冱乙签圆匠z z z z z z z 刁 世 雕 ( a ) 板料长度方向 趔 蹦 板料初始轧制方向 ( b ) 图1 4t 肥与t 髓硬度沿板料长度方向变化的比较 ( 8 ) 拼焊板( b ) 变截面板 f i g 1 4c o m p a r i s 0 no f h a r d n 韶sv 撕a t i o nb e m e 朗t 、7 忸a n dt r ba l o n g l o n 印鼯so fs h e c tm a t e r i 2 l l s ( 3 ) 生产加工过程短。拼焊板是由两块或两块以上不同材质或厚度的板料采用焊 接的方法拼在一起【1 3 】，因而会形成一段热影响区，为了消除热影响区的不利影响，常常 增加一道热处理工序来消除局部硬化效应，而且多块板料焊在一起的话还要增加焊缝道 数，从而使生产周期变长。变截面板只需向计算机输入特定程序来实时调节轧辊之间的 自j 隙就可以一次成型多种厚度组合的板料，且厚度过渡区没有硬化效应，生产周期明显 变短1 1 4 l 。 ( 4 ) 工件磨损更小。由于拼焊板焊缝的存在，焊缝的不平整性会使冲压时凹模侧 壁、压边圈底部、凸模底部局部磨损加剧【阍，这在凸凹模间隙较小时更加明显。变截面 板的表面平整、厚度过渡区变化平缓，不会对工件表面造成局部磨损。 4 江苏大学硕十学位论文 1 2 2 变截面的国内外应用现状 - 管r 尹商 黧一 闭髑一 加强筋( 前部) 翻 图1 5 由变截面板制成的车辆部件 f i g 1 5r a n g eo fv c h l c l cb o d yp a n sm a d e0 f t r b 变截面板自从由德国亚琛工业大学金属成形研究所开发出来以后，开始逐渐在汽 车工业正应用开来，如图1 5 所示，但是变截面板的概念从提出至今也不过l o 年左右 的时间，其生产技术还不是十分成熟【1 6 1 。以汽车覆盖件为例，普通等厚度板料冲压成 型的车身覆盖件模具的设计已经是复杂程度和难度相当高的工作，更何况是变截面薄 板的冲压成型模具设计。这是因为对于变截面薄板来说，原来基于等厚度板材所建立 的力学本征模型、数值仿真模型以及三维几何模型都不再适用了。需要花大力气重建 这些模型，并针对变截面薄板的具体特征来重新设计车身覆盖件的冲压模具。仅在一 些汽车制造强国( 如德国) ，变截面板才开始投入汽车工业的实际应用之中【1 7 】。图 1 6 ( a ) 所示为一个用在“奔驰 e 级轿车上的变截面板原型零件。这个由变截面板冲 压成型的搿侧框”位于轿车后部，左右对称。前端板料厚度为o 8 8 i n m ，与左右侧围相 接，后端板料厚度为1 1 5 姗，恰是汽车追尾时的敏感部位，其中间区域板料厚度均匀 过渡。 变截面板方盒形件拉深成形性研究 3 吣 ( a ) 后左( 右) 侧框( b ) “克莱斯勒”轿车车身横梁 ( c ) “火众”轿车车身边梁 图1 6 用t r b 冲压成型的车身零部件 f i g 1 6a u 幻呐p a n so f s t 锄p i i i gi i it r b 图1 6 ( b ) 和图1 6 ( c ) 所示为另外两个t r b 在汽车车身零部件制造中的应用实例。 图1 6 ( b ) 所示的零件是“克莱斯勒 轿车上的一个横梁，用变截面板代替原来的等厚 度板料，零件重量减轻2 5 ，而且承载性能得到了提高。图1 6 ( c ) 所示是“大众 轿 车上的一个边梁，其承受较大载荷的弯曲部位的板料厚度为3 0 m m ，而两端的板料厚 度仅分别为2 0 m m 和1 5 m m ，减重幅度达到4 5 。 图1 7 为用变截面板冲压的车身覆盖件组装的白车身整车，注意到其前部发动机盖 板的两侧要求有足够好的刚性，板料厚度为1 2 5 n 嘲，中间部位几乎不承受任何外力， 仅需防止高速行驶中可能出现的颤振即可，板料厚度为0 8 8 姗；两侧到中部为连续、 光滑过渡，保证了车身的美观和良好的空气动力学特性。 图1 7 _ h jt 髓冲压的车身覆盖件组装的白车身整车 f i g 1 7b o d y i n r h j t ef h uv c h i c l e 嚣s c i i l b l e d 、i t l la u t i d b o d yp a 鹏lm a d co fs 锄n p i i i gn m 1 2 3 变截面的国内外研究现状 变截面板作为基于新材料加工技术的轻量化结构用材，由德国亚琛工业大学金属成 形研究所开发出来。但已有的研究主要集中在变截面板的成形性方面【1 8 】，对于具体应用 方面的研究还比较少，在此方面研究颇多的i b f 也未将其研究的核心成果公开，变截面 6 江苏大学硕士学位论文 板轧制技术仍属于高度机密，i b f 在全球只出售变截面板生产设备，不出售生产技术。 因此，进行变截面板的冲压成形及其成形规律的研究对于汽车覆盖件以及未来汽车的发 展有着重要的理论和现实意义【1 9 】。 目前，变截面板的研究在国内才刚刚起步，江苏大学的姜银方教授f 2 0 】以变截面板 方盒形件作为研究对象，得出板料厚度比、毛坯形状与尺寸、压边力和凹模圆角半径四 因素对变截面板方盒形件成形结果的影响从强到弱依次为：板料厚度比最强，板料形状 及尺寸次之，其次为凹模圆角半径，最弱为压边力。并得到最优的成形方案为：压边力 为1 2 0 k n 、圆形板料半径为r 1 2 0 咖、凹模圆角半径为r 1 2 m m 板料厚度比为1 0 0 8 。 严有琪【2 i 】采用分块压边圈对变截面板方盒形件的成形性做了研究，得出分块压边圈可以 提高变截面板方盒形件的成形深度，合适的压边力组合可以使得变截面板方盒形件获得 更加的厚度分布。上海理工大学机械工程学院的李艳华【2 2 】通过对正交试验的分析发现： 从最大减薄率考虑，厚度过渡区的长度对矩形件成形的影响最大，过渡区的位置次之， 厚度比的影响最小。从最大节约率考虑，顺序相反，在t r b 成形中，厚度过渡区放在凸模 圆角附近并且大的过渡区长度条件下，可以减少破裂的危险。杜继涮2 3 l 研究了变截面板 的轧制模型以及厚度过渡区位于不同位置时四种模型的成形仿真，研究了它们的最大 m i s e 应力和最大等效应变，得出过渡区位置在凹模圆角外的布置方式最有利于成形，还 初步研究了变截面板在车身制造中的应用。任灏宇1 2 4 1 等人对变截面板轧制控制模型进行 了研究，提出依据传递函数框图，利用m a t l a b 语言进行仿真，就可以模拟轧机辊缝控制 实际输入和输出之间的动态响应关系。重庆大学的温彤【2 5 】通过实验与仿真的对比研究发 现随着厚度差的增大，拉深试验中连续变截面板的伸长率有所降低，但仍具有较高的延 伸性，且随着厚度差进一步增加会出现二次断裂现象；拉深试验中连续变截面板的极限 拉深比随厚度差的增大呈先增大后减小的趋势，而最小压边力增大，最大工作载荷减小。 目前，国外变截面板的研究主要在i b f 和与i b f 有联合研究课题的研究机构进行。 德国亚琛工业大学金属成形研究所( i n s t i t u t eo fm e t a lf o r m i n g ，i b f ) 的a m e y e r 等 通过对比0 7 m m 1 2 m m 0 7 m m 的变截面板和1 2 姗厚的普通钢板得出在良好的拉深 条件下变截面板的最大拉深深度可以增加1 9 ，重量可以减轻9 。德国亚琛工业大学i b f 的m u r b a n 等人研究了变截面板充液拉深的影响因素，并对覆盖件的厚度分布和梁在 重量限制下的结构进行优化。a e b e r t 对具有两个厚度过渡区的变截面板作了拉深试验 研究，采用刚性压边和弹性压边两种方式，发现采用合适的弹性压边后，变截面板拉深 过程中出现的皱曲现象有明显的改善，r 1 ( r u x 研究变截面板在结构件上的高压成形特 7 变截面板方盒形件拉深成形性研究 性。 1 3 本课题的提出 我国变截面板处于研究的起步阶段，还没有自主的成形技术在我国推广应用，但变 截面板技术的优势符合汽车行业发展的要求，因此将会被广泛地应用【2 9 】。在实际的变 截面板成形过程中还有很多问题急需要解决，冲压成形时采用变截面板比采用均匀板的 成形性下降很多，因此，变截面板在拉深成形过程中仍然存在厚度过渡区移动和严重破 裂问题，以致造成产品的最终报废，变截面板在成形时所引起的厚度过渡区移动和成形 能力的下降阻碍了变截面板的应用。变截面板的使用加大了冲压成形的难度，特别是厚 度过渡区在塑性变形过程中会产生不均匀移动，导致板料局部过量减薄变形。由于变截 面板存在厚度差异，在使用普通平底压边圈拉深时会导致薄、厚板两侧受到的压边力分 布不均，薄板受力不足【3 0 1 ，两侧板料流入凹模的速度也不同，这不但容易引起板料破裂 和起皱，而且成形后的工件容易产生厚度不均匀现象。所以一些对于成形等厚板件的工 艺方法不一定能有助于变截面板的成形，为避免这些问题，应采取最佳工艺措施或最佳 工艺参数有效控制厚度过渡区的移动。由于变截面成形方面的研究在国除了在上海理工 大学、江苏大学和上海交大等院校的少数人研究过之外鲜有研究，所以本人经过查阅多 方面的资料，通过理论分析研究，在确定变截面板成形性的研究确实具有可行性和实际 应用价值的基础上，针对变截面板的上述问题，以方盒形件为例，对变截面板方盒形件 拉深的过程做了理论分析和数值模拟。 1 4 本课研究的内容、目的及意义 变截面板成形性的研究在国内涉及的人比较少，因此本课题无论在科研方面还是在 实际生产方面都将具有重要意义，这势必推动变截面板成形的研究工作进展。本论文的 主要研究内容和预期达到的目标如下： 1 变截面板方盒形件拉深成形基本理论的分析与研究 主要分析和研究变截面板方盒形件拉深成形的基本特点，并总结出影响变截面板方 盒形件拉深成形的主要因素。 2 变截面板方盒形件拉深成形有限元模拟 结合变截面板冲压成形有限元模拟的关键技术，用功能强大的有限元模拟软件 a b a q u s 对变截面板方盒形的冲压过程进行数值仿真，并确定和分析模型中单元类型、材 r 江苏大学硕士学位论文 料参数、摩擦系数等，采用a b a q u s e x p l i c i t 显示求解器来分析变截面板方盒形的成形 性能。 3 变截面板方盒形件成形性能的关键因素 在其它因素一定的条件下，利用a b a q u s 对影响变截面板冲压成形的关键因素如压 边力、厚度过渡区位置、厚度比、凹模圆角半径等进行单因素的模拟分析，总结出这些 因素对变截面板成形过程的影响规律。 本课题的提出旨在应用数值模拟实验解决变截面板成形过程中出现的诸如起皱、拉 裂、厚度过渡区移动过大等缺陷，以提高变截面板的成形性，实现变截面板的广泛应用。 解决和提高变截面板可成形性的前提，就是要明确变截面板在实际拉深过程中的影响因 素及控制方法。采用数值仿真技术对不同因素对变截面板成形性的影响进行数值模拟， 并以厚度过渡区移动量、材料厚度变化、拉深极限为研究指标，借助有限元模拟方法， 分析和解决变截面板成形过程中产生的拉裂、起皱和厚度过渡区移动等问题，得出影响 变截面板成形性的规律及最佳工艺参数，为实际生产提供有用的理论指导和参考。 1 5 本章小结 本章首先介绍了变截面板技术的优势以及其研究应用的发展历史，并对其成形中存 在的问题进行阐述；其次详细介绍了变截面板在国内外应用及研究现状及其最新发展趋 势，最后提出了本文研究的主要内容及目的。 9 变截面板方盒形件拉深成形性研究 2 1 引言 第二章变截面板方盒形件拉深的理论基础 方盒形件是最常见、几何形状相对比较规则，应用也比较广泛的一类冲压件，在非 轴对称零件中具有一定的代表性，也是薄板金属冲压件中较难成形的一类零件。对于变 截面板方盒形件来说，其拉深与普通匀质等厚板盒形件拉深基本类似，都是在模具的作 用下，毛坯凸缘变形区在切向压应力和径向拉应力共同作用下1 3 i l ，产生切向压缩和径向 拉伸的“一压一拉 变形，使毛坯拉入凹模型腔内，完成成形过程。与匀质等厚板盒形 件拉深最大的差异是由于变截面板厚度不同，使变形毛坯的机械性能在宏观上产生了方 向性，导致毛坯横向和纵向金属流动更加不均匀，更易出现制耳现象，使制件壁厚不均 匀现象更加突出，影响了制件的使用性能。本章以变截面板方盒形件为研究对象，首先 用网格法对变截面板方盒形件拉深的基本原理进行阐述，给变截面板方盒形件拉深成形 的理论分析奠定基础。 2 2 变截面板方盒形件拉深成形的理论分析 2 2 1 变截面板方盒形件拉深的基本原理 图2 1 变截面板方盒形件拉深变形特点 f i g 2 1q 瞰a m e r i s 6 璐o f d e f 0 i m a t i i ns q 岫传c l l pm a d eo f l r b 血聊吨 变截面板方盒形件同普通等厚板盒形件一样，都可以认为是由圆角部分和直壁部分 l o 江苏大学硕士学位论文 组成的【3 2 1 ，其拉深变形可以近似地认为：圆角部分相当于圆筒形零件的拉深，而其直角 部分相当于简单的弯曲。但由于直壁部分和圆角部分不是截然分开而是连在一块的整 体，因而相互受到牵制。但是由于板厚的差异，使其在变形过程中金属的流动发生了变 化。 如图2 1 所示，为说明毛坯的变形过程及毛坯各区域质点的流动趋势，将毛坯的圆 角部分画成径向放射线与同心圆弧所组成的网格，而在直边部分画成由相互垂直的等距 离平行线组成的网格，薄、厚板的过渡区用粗实线表示。拉深后网格发生了明显的变化： ( 1 )o f e g 区域的平分线o e 向图2 1 所示的方向发生了偏移。凸缘上o f e g 区域是变 形时的大变形区，此处材料在拉深时会沿切向和径向流动，沿切向的流动对直边部分材 料产生压应力，在毛坯为等厚板的情况下，两边的压应力相等，材料向两直边流动的趋 势是一样的，平分线o e 在拉深后不发生偏移；变截面板存在厚度差，薄板侧强度小于 厚板侧强度，所以o f e g 区域的材料发生切向流动时向薄板侧流动的难度比向厚板侧的 小，所以此处材料向薄板侧流动的多一些，这样就会使拉深后o f e g 区域的平分线0 e 向 薄板侧也即图示方向发生偏移。另外，塑性变形时凸缘处材料的切向流动也使过渡区发 生了偏移，偏移量的大小与切向压应力的大小有关，假设同一变形瞬间变形区内各点的 变形抗力相同，等于平均变形抗力，变形区的切向压应力为： l ， - 1 1 ( 1 n 等一1 ) ， ( o ) ( 2 2 ) n 式中，尺所求径向应力处的半径 尺毛坯初始半径 d ， 从式( 2 1 ) 可知，在凸缘处越靠近外缘，r 越大，l i l 鲁越小。切向压应力的绝对值越大， 其薄厚两侧差值也越大，过渡区移动也越大。 ( 2 )o f e g 区域材料变形时，材料被挤入两直边部分，使直边部分材料受到挤压，这种 挤压作用离此区域愈远愈弱，故横向间距缩小了，而且愈靠近角部缩小愈多，即 ，d ， b i b 2 b 3 由式( 2 1 ) 可知，足越大，l r i 舍越小，切向压应力的绝对值越大， 所以，从盒形件与凸模圆角接触的区域往上的高度方向上，越靠近盒形件口部，压应力 越大，o f e g 区域材料对直边部分的挤压作用越强，所以说侧壁处的过渡区越往口部偏移 变截面板方盒形件拉深成形性研究 越多。 ( 3 ) 拉深时凸缘处材料受拉应力作用被拉入凹模型腔，在拉应力的作用下，侧壁处材料 发生少量的纵向伸长应变，故拉深后纵向问距增大，而且愈往上，问距增大愈多，即 ttt a i a 2 a 3 c l a 2 ， ， c 3 a 3 。 2 2 2 盒形件拉深的应力应变状态 l 一底部区域2 一盒形件侧壁区3 一凹模圆角区4 一凸缘区5 凸模圆角区 图2 2 板料在拉深时的变形特点 f i g 2 2d e 向瑚撕f h t u r 嚣o f b l a n 】【d i l 血gd o 印d r a w i n g 由盒形件在拉深中的变形特点可知，在实际拉深过程中盒形件各区域的厚度变化是 不一致的【3 3 】：底部略微有点减薄，但基本等于板料原始的厚度；盒形件壁部上段增厚， 越靠上缘增厚越大；壁部下段变薄，越靠近底部变薄越多；在底部圆角稍上处，会出现 严重变薄甚至破裂。此外，沿高度方向，盒形件各部分的硬度也不相同，越靠近上缘硬 度越高。这些都说明在拉深中板料各部分的应力应变状态是不一样的，为了更加深刻地 认识盒形件拉深变形过程，以便于分析拉深过程中出现的工艺问题和质量问题，有必要 深入探讨盒形件拉深过程中材料各部分的应力应变状态。 如图2 2 所示为盒形件拉深过程的示意图，凸模将拉深力作用在盒形件的底部，通 过壁部传到凸缘，使凸缘部分的毛坯拉入凸、凹模间隙中。根据毛坯在变形过程中各部 1 2 江苏大学硕士学位论文 位的应力应变状态的不同，将毛坯分为五个不同的应力、应变区域，每个区域在拉深变 形过程的应力应变状态如表2 1 所示： 表2 1 拉深时各区应力应变状态 t a b l e2 1s n 髓8 s 仃a i n 嘲瑚瑚l o f c hp a n “n gc o n v t i a ld 埘i n g 底部区凸模圆角区盒形件侧壁区凹模圆角区5 卜面凸缘区 拉深 厨务卣厨白 应力 状态 应变 彦奇奇彦彦 状态 ( 1 ) 底部区域( 小变形区)该区在拉深过程中始终与板料接触，受到由拉深力引起 的径向拉应力和切向应力c r r 、，产生平面方向的拉应变、知以及厚度方向的压应 变e 但由于盒形件底部板料受到凸模的摩擦作用产生的摩擦阻力阻碍了厚度方向的变 薄量，这个区域变薄很小，一般只有1 3 ，可以忽略不计。 ( 2 ) 盒形件侧壁区( 传力区)材料流动到这里，塑性变形已结束，不再发生大的变 形。该区域把盒形件底部传递的作用力传递到凸缘部分【3 4 1 ，侧壁直边上作用有引起拉深 变形的径向拉应力盯，在其作用下，盒形件侧壁发生少量的纵向伸长应变占，和厚向压 缩( 变薄) 应变仉。 ( 3 ) 凹模圆角区这里属于过渡区，材料变形比较复杂，除有与平面凸缘部分相同的 特点外，还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用而产生的压应力。 ( 4 ) 凸缘区( 主要变形区)这是材料由扇形网格变为矩形的区域，是拉深时的主要 变形区【3 5 1 。拉深过程中径向拉应力o ，作用，其分布是不均匀的。在圆角部分最大，直 边部分最小。即使在角部，平均拉应力o ，也远小于相应的圆筒形件的拉应力。因此，就 危险断面处的载荷来说，矩形盒拉深时要小得多；对于相同材料，矩形盒拉深的最大成 形高度要大于相同半径的圆筒形零件拉深时的最大成形相对高度。由于直边和圆角变形 变截面板方盒形件拉深成形性研究 区内的材料的受力情况不同，直边处材料向凹模流动的阻力要远小于圆角处，并且，直 边处材料的径向伸长变形小而圆角处材料的径向变形大，使变形区内直边处材料的位移 量大于圆角处的位移量。由此引起两处位移速度差，必然诱发出切应力( 图2 3 所示) ， 以协调直边与圆角处的变形。在板料外围周边上，切向压应力的分布也是不均匀的。 从角部到中间直边部位，压应力的数值逐渐减小。通常情况下，起皱都发生在角部， 但是起皱的趋势要小于拉深相应的圆筒形零件的情况。 ( 5 ) 凸模圆角区( 过渡区)该区是盒形件侧壁和底部过渡的区域。它承受径向和切 向拉应力矿，和，在厚度方向由于受到凸模的压力和弯曲作用而受到压应力q ，板料 在圆角区域在受到双向拉伸与弯曲所产生的拉力共同作用下产生压应变占，使圆角区的 板料厚度减小，该区是拉深变形时最危险的部位，容易被拉裂，该处的承载能力决定了 拉深变形的成形极限。 图2 3 变形区的应力状态 f i g2 3s 缸e s 8s 眦o f d e f o l m a n 功 2 2 变截面板方盒形件拉深成形工艺 图2 2 所示为变截面板拉深过程示意图，由于变截面板存在厚度过渡区，这就使得 拉深时模具结构比等厚板的要复杂：如果在拉深过程中过渡区与凸模接触，则凸模底部 需要做成阶梯状，为保证薄、厚板之间压边力不同分布，压边圈采用分块压边圈。图2 4 两种典型的变截面板毛坯示意图。 变截面板方盒形件基本工艺流程为： 1 将变截面板毛坯正确地放置在凹模上； 1 4 江苏大学硕十学位论文 2 压边圈对变截面板毛坯施加不同的压边力； 3 凸模下行，留在凹模端面上的毛坯外缘不断缩小，毛坯逐渐被拉进凸、凹模间 的间隙中形成直壁，而处于凸模下面的材料则成为方盒形件的底部，当毛坯全部进入凸、 凹模的间隙后，完成变截面板毛坯的成形。 ( a ) 两个过渡区，中间厚两边薄( b ) 一个过渡区 图2 4t r b 毛坯示意图 f i g 2 4s c h 锄1 o f t r bb l a n l c 2 3 变截面板方盒形件在拉深中的变形特点 方盒形件圆角部分应力和应变特点与圆筒形件的拉深是相似的，但由于直边部分的 存在，圆角部分的材料可以向直边流动，与相同圆角半径的圆筒形零件相比就减轻了圆 角部分材料的变形程度。圆角与直边相互影响的大小随着盒形件形状的不同而不同，主 要由盒形件的圆角半径r 与宽度b 的比值r b 的大小决定。r b 越小，直边部分对圆角部分 的变形影响越显著，圆角部分的变形和圆筒形件的差别越大，反之，r b 越大，直壁部 分对圆角部分的影响越小，当r b = 0 5 时，盒形件就成为圆筒形件了。但是因为变截面 板厚度差的存在，在拉深过程中材料沿切向流动发生很大变化，导致变截面板在成形时 还有不同于一般盒形件的特点。由于变截面板种类很多，我们现取两种最简单但有比较 典型的种类来阐述。 1 具有两个过渡区的变截面板，如图2 4 ( a ) 所示。 方盒形件和毛坯的具体尺寸见图5 1 所示。图2 5 所示为薄、厚板在相同单位压边 力和相同凹模圆角半径时凸缘变形区金属切向流动示意图。图中i 、i i 、m 、四个 变形区域拉深时一部分材料被拉入到侧壁圆角，一部分材料被挤压到到直壁处。箭头 所示为材料沿切向的流动方向，由于图中所示变截面板为轴对称，故只拿i 区来分析。 在拉深过程中，当毛坯是匀质等厚板时，i 区材料被挤压到两直壁的趋势是相等的， 以图2 5 中虚线段4 9 为分界线；但由于变形区凸缘处毛坯厚度的差异，厚板侧毛坯强度 大，薄板侧毛坯强度小，在拉深时薄板侧先于厚板侧拉入凹模型腔，但由于摩擦的因 素，圆角处凸缘材料被压入薄板侧的阻力要比厚板侧大，使薄板侧增厚受到比厚板更 l s 变截面板方盒形件拉深成形性研究 大的阻力，综合结果是i 区向薄板流动的材料会多一点，大致如图2 5 中所示的实线4 8 为界。在图2 5 中，设板料上点7 距离y 轴的距离为l ，点l 距离x 轴的距离为l 拉深i j l 产l 。，由于材料向薄板侧流动的多，拉深结束时l 。 l 7 。并且凸缘处材料向厚板的移动 造成了过渡区在凸缘和侧壁处向厚板偏移，且过渡区在凸缘处越向外移动量越大。i 、 i l 、四个区域向的材料向薄、厚板侧的流动造成了薄、厚板不同程度的增厚， 据以上分析可知，凸缘最大增厚处应在该薄板侧的a 点或b 点附近( 由于毛坯对称，a 、 b 两点分别为薄侧毛坯边缘与x 轴的交点，且a 、b 两点处的材料增厚率是一样的) 。另外， 变截面板沿x 轴和y 轴方向上的机械性能不一样，即存在板平面方向性，沿y 轴方向的 抗拉性能强于沿x 轴方向的，这样就会产生类似制耳的现象。c 点是厚板凸缘边缘与y 轴的交点，b 点是薄板凸缘边缘与x 轴的交点，那么在拉深结束时，凸缘上c 点距离圆心 o 的距离应该大于b 点距离圆心o 的距离，即b l b 。说明薄板侧先予厚板拉入凹模。图2 6 所示为此类变截面板方盒形件成形件仿真图。 图2 5 毛坯凸缘区金属切向流动示意图 f i g 2 5 g d a ln o wo f m 咖li n 姆n 柚萨 1 6 变截面板方盒形件拉深成形性研究 一 厚板侧向薄板侧流动，所以增厚率最大处应在薄板侧，如图2 7 所示的a 点( a 点为薄板 侧凸缘最外侧与x 轴的交点) 。图2 8 所示为厚度分布图以及过渡区移动图。 群黪嬲li 薛：摆；：器i 醣溅l 卜_ + 。lo ? 峨鬻孙 图2 7 毛坯凸缘区金属切向流动示意图 f i g 2 7t a n g d a lf l o wo f m 叫i nt h en a n g e j 。j 一- ，_ ( a ) 厚度分布图 ( b ) 侧壁过渡区移动 图2 8 具有一个的过渡区的变截面板方盒形件 f i g 2 8s q l 舭伽p b e 删i d e o f l r i m 诵t l l e 1 r z 2 4 影响变截面板成形的主要因素 2 4 1 板料厚度比 变截面板的板厚差异越大，两边的力学性能差异越大。这里我们把板厚比定义为薄 板侧厚度厚板侧厚度，上海理工大学的李艳华等研究发现随着板厚比的增大，厚度过 渡区