（机械设计及理论专业论文）曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置.pdf

-1，1 j 厂一一 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在l 月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名：至牟日 导师签名： 日 期：型! ：竺：2 飙斟 j 化设置摘要 摘要 近年来，能源的短缺和日益严重的环境问题使得汽车的节能减重成为国内外 汽车行业发展的主要目标之一。拼焊板( t w b ) 成形作为汽车轻量化的重要技术之 一，已在汽车制造行业得到广泛的关注和应用。以往关于拼焊板成形性的研究大 多停留于直线焊缝拼焊板。事实上，相比于直线焊缝拼焊板，曲线焊缝拼焊板在 焊缝的布置上更加灵活，在减轻板料重量、提高拼焊板的成形性能上更具优势。 曲线焊缝拼焊板的焊缝形状，板料材质，厚度比，压边力等都是影响拼焊板 成形的重要因素，在研究上述因素对其成形性影响的基础上，本文以典型的方盒 形零件为研究对象，用有限元软件d y n a f o r m 对三种不同类型的曲线焊缝拼焊板盒 形件进行了数值模拟，重点分析了焊缝形状、拼焊板厚度比对其成形性的影响， 研究了在这些因素影响下的曲线焊缝拼焊板极限成形高度以及焊缝移动量的改 变。对三种类型的曲线焊缝拼焊板中成形性相对较好的拼焊板施加了不同类型的 恒压边力以及变压边力组合模式进行模拟，对比其成形性，从而选择出了最优的 变压边力布置方案。 研究结果表明，焊缝形状以及厚度比对不同类型的曲线焊缝拼焊板成形性的 影响程度明显不同。不同类型的曲线焊缝拼焊板变压边力的最优设置模式也不同， 变压边力的优化设置可以在一定程度下提高曲线焊缝拼焊板的成形性。本文的研 究内容对曲线焊缝拼焊板的成形性优化及其在工业生产中的合理选择与应用有重 要的理论指导意义。 关键词：曲线焊缝拼焊板极限成形高度焊缝移动量变压边力 作者：王晖 指导教师：卫瑞元 a b s t r a c tr e s e a r c ho f c u r v i l i n e a r - w e l d - l i n et w bs t a m p i n gf o r m i n ga n dv b h fo p t i m i z i n g r e s e a r c ho fc u r v i l i n e a r 1 d - l i n et w b s t a m p i n g f o r m i n g a n dv b h f o p t i m i z i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo fe n e r g ys h o r t a g ea n di n c r e a s i n g l ys e r i o u se n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s ，w e i g h tr e d u c t i o na n df u e le c o n o m yb e c o m e so n eo ft h em a i no b j e c t i v e so f t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yi na n da b r o a d a sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ho ft h el i g h t - w e i g h t i n g t e c h n o l o g y , t a i l o r e d - w e l d e db l a n k ( t w b ) h a sb e e nw i d e l yc o n c e m e da n db r o a d l yu s e d i nt h ea u t o m o t i v em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y p r e v i o u sr e s o l u t i o n so nt h ef o r m a b i l i t yo f t a i l o r e d - w e l d e db l a n k sa r em o s t l ys t a y e di nl i n e a r - w e l d - l i n et w b s i nf a c t ，c o m p a r e dt o t h el i n e a r - w e l d - l i n et w b ，c u r v i l i n e a r - w e l d - l i n et w bi sm o r ef l e x i b l eo nt h el a y o u to f t h ew e l d l i n e ，a n da l s oi th a sm o r ea d v a n t a g e so nt h es h e e tw e i g h tr e d u c t i o na n dt w b s t a m p i n gc a p a b i l i t y m a n yp a r a m e t e r sp l a yv e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h e s t a m p i n gp r o c e s s o f c u r v i l i n e a r - w e l d - l i n et w b ，s u c ha sw e l d - l i n es h a p e ，d i f f e r e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s h e e tm e t a lt h a tc o m p o s et w b ，t h i c k n e s sr a t i o ，b l a n k h o l d e rf o r c ea n ds oo n o nt h e b a s i so ft h er e s e a r c ha b o u tt h e s ep a r a m e t e r si m p a c to nt h ef o r m a b i l i t yo ft w b ，a s q u a r e - b o x i sc h o s e na st h er e s e a r c h o b j e c t ，t h r e e d i f f e r e n t t y p e s o f c u r v i l i n e a r - w e l d - l i n et w bs q u a r e - - b o x e sa r en u m e r i c f l l ys i m u l a t e db yd y n a f o r m s o f t w a r e ，w e l d - l i n es h a p ea n dt h i c k n e s sr a t i ot h a ta f f e c tt h et w l 3f o r m a b i l i t ya l e a n a l y z e d ，t h ed o m eh e i g h ta n dw e l d - l i n em o v e m e n to fc u r v i l i n e a r - w e l d - l i n et w ba r e s t u d i e du n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r s d i f f e r e n tt y p e so fc o n s t a n tb l a n k - h o l d e r f o r c e sa n dv a r i a b l eb l a n k h o l d e rf o r c e so nt h ec u r v i l i n e a r - w e l d 1 i n et w b sw h i c hh a v e b e t t e rf o r m a b i l i t yw e r es i m u l a t e d ，t h eo p t i m u ml a y o u t a p p r o a c h e so f v a r i a b l e b l a n k h o l d e rf o r c e sa r es e l e c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc h a n g e so fw e l d l i n e s h a p ea n dt h i c k n e s s r a t i oh a v e i i 11，l j111j i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：c u r v i l i n e a r - w e l d l i n et w b d o m eh e i g h tw e l d - l i n em o v e m e n t v a r i a b l eb l a n k h o l d e rf o r c e i i i w r i t t e n b y ： w a n gh u i s u p e r v i s e db y ： w e ir u i y u a n 1 2 1 拼焊板技术的发展及应用“3 1 2 2 拼焊板成形性影响因素的研究5 1 2 3 拼焊板成形变压边力技术“6 1 2 4 拼焊板成形的数值模拟研究一7 1 3 主要研究内容9 第二章拼焊板盒形件的成形性研究”1 0 2 1 盒形件成形性“1 0 2 1 1 盒形件成形特点”1 0 2 1 2 盒形件成形机理1 2 2 1 3 盒形件成形主要缺陷及其形成机理”1 2 2 2 拼焊板盒形件的成形性1 4 2 2 1 拼焊板成形性能及特点”1 4 2 2 2 拼焊板盒形件的成形工艺”1 5 2 3 影响拼焊板成形的因素1 6 2 3 1 板厚比值对拼焊板成形的影响“1 6 2 3 2 不同母材对拼焊板成形的影响1 7 2 3 3 焊缝形状对拼焊板成形的影响1 7 2 4 变压边力对拼焊板成形的影响1 8 2 5 本章小结1 9 第三章有限元理论与数值模拟软件d y n a f o r m 2 0 3 1 金属板料成形过程简述2 0 3 2 有限元理论2 0 3 2 1 有限元算法2 1 1 1 2 j 3 2 2 弹塑性有限元的本构关系2 4 3 3 有限元仿真模拟软件d y n a f o r m 2 9 3 3 1d y n a f o r m 软件简介2 9 3 3 2d y n a f o r m 模拟步骤3 0 3 4 拼焊板盒形件的仿真模型3 0 3 4 1 几何模型3 2 3 4 2 有限元模型3 3 3 4 3 材料模型3 4 3 5 本章小结”3 5 第四章曲线焊缝拼焊板的数值模拟分析”3 6 4 1 不同焊缝形状的拼焊板冲压模拟分析一3 6 4 1 1a 型焊缝拼焊板模拟分析3 6 4 1 2b 型焊缝拼焊板模拟分析3 8 4 1 3c 型焊缝拼焊板模拟分析4 1 4 1 4 实例分析4 3 4 2 不同板厚比的曲线焊缝拼焊板数值模拟4 4 4 2 1 不同厚度比a 型焊缝拼焊板的模拟分析4 5 4 2 2 不同厚度比b 型焊缝拼焊板的模拟分析4 6 4 2 3 不同厚度比c 型焊缝拼焊板的模拟分析4 7 4 3 本章小结? 4 9 第五章曲线焊缝拼焊板的变压边力的优化设置”5 0 5 1a i 型焊缝拼焊板压边力研究5 0 5 1 1 恒压边力加载模式下的a i 型焊缝拼焊板成形分析5 0 5 1 2 变压边力加载模式下的优化“5 2 5 2 b i 型焊缝拼焊板压边力研究5 3 5 2 1 恒压边力加载模式下的b i 型焊缝拼焊板成形分析5 3 5 2 2 变压边力加载模式下的优化- 5 5 5 3c i 型焊缝拼焊板压边力研究”5 6 5 3 1 恒压边力加载模式下的c i 型焊缝拼焊板成形分析5 6 5 3 2 变压边力加载模式下的优化- 5 7 5 4 本章小结5 8 第六章结论与展望6 0 6 1 结论“6 0 6 2 展望6l 参考文献6 2 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文6 6 致谢6 7 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 拼焊板( t w b ) 冲压是指将不同厚度、形状、成分、性能以及不同表面涂层 的板材拼焊在一起形成冲压成形前的毛坯，然后经冲压成形后获得高性能的冲压 件。 近年来，随着汽车工业的不断发展，环保、节能以及安全问题越来越受到人 们的重视。拼焊板成形作为汽车轻量化的重要技术之一，已在汽车制造行业得到 广泛的关注和应用。日本本田汽车公司自2 0 世纪6 0 年代开始将拼焊板技术引入 汽车工业。其后，北美和欧洲的汽车制造商也逐渐采用该技术【1 】。2 0 世纪9 0 年 代，美国钢铁协会和国际钢铁协会组织了一项由全球1 8 个国家3 5 家钢铁厂参与 的超轻钢车身计划( u l t r a l i g h ts t e e la u t ob o d yc o n s o r t i u m ，u l s a b ) ，内容涉及各种 汽车用钢新材料和设计制造技术等，激光拼焊板则是其中的一项主要课题。1 9 9 8 年3 月，该组织生产出第一辆样车，在该样车上共采用了1 6 个拼焊板冲压件，与 原来车身相比，零件数量减少约2 0 ，而质量却减轻2 5 1 2 j 。根据v i l 公司的预 测，目前世界范围内每年生产车辆大约5 0 0 0 万一6 0 0 0 万辆，若每辆车包含3 5 块拼焊板，在接下来的5 一lo 年里每年拼焊板需求量将达到1 5 亿张【3 】。将拼焊 板应用于汽车车身的设计与制造中，具有如下优势1 4 】： 1 降低车身的重量，从而提高燃料的利用率，使汽车的性能提高，同时降低 汽车尾气的排放，减少对环境的影响。 2 由于产品的不同零件在成形前即通过焊接工艺焊接在一起，因而提高了产 品的精度，大大降低了零部件的制造及装配公差。 3 在材料方面，使用拼焊板可以节约材料2 5 - - 4 0 ，提高设计废料的利用 率，降低成本；零件数量的减少，以及随之而来的生产设备和制造工艺简化，大 大提高了生产效率，降低整车制造及装配成本。 4 提高车辆的结构整体性和安全性，简化车辆的整体结构。 5 由于不再需要加强板，也没有搭接接缝，大大提高了装配件的抗腐蚀性能， 大大减少了密封措施的使用。 6 减少模具数量和零件装配数量，缩减模具处理和安装过程，从而简化生产 流程。 第一章绪论曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置 7 材料厚度的可变性以及其可靠的质量，保证了在对某些重要位置的强化改 进可以j , i 页n 进行。 拼焊板在冲压成形过程中易发生焊缝移动，成形质量不高等缺陷。由于拼焊 板的广泛应用，对拼焊板冲压成形性的研究以及缺陷控制变得尤为重要。 影响拼焊板冲压件成形性能的因素有很多，比如：焊接工艺参数、焊缝位置、 焊缝形状、板厚差异、材料性能差异等等。目前拼焊板在汽车行业的应用，主要 以直线焊缝的拼焊板为主，如汽车上的立柱强化板、减震箱、轮罩、发动机横梁、 保险杠、纵梁、地板、前后门内板、侧围、行李箱盖、中心立板等。随着对这些 零件使用要求的提高，所需要采用的拼焊板焊缝形状也必须发生改变，不能仅停 留于简单的直线焊缝形状。然而，采用曲线焊缝拼焊板替代原来的直线焊缝拼焊 板进行冲压成形效果如何，目前显见研究。事实上，直线焊缝拼焊板的研究和应 用已较为成熟，相比于直线焊缝拼焊板，曲线焊缝拼焊板在焊缝的位置布置上更 加灵活，在减轻板料重量、提高拼焊板成形性能上更具优势，因此有必要在拼焊 板中应用曲线焊缝，对曲线焊缝拼焊板进行更为深入地研究1 5 】。 另外，冲压件生产中能控制的过程变量主要有压边力、润滑和冲压速度。在 实际生产中往往把冲压速度设置为较大值，尽可能提高生产率，并且为了解决环 境污染的问题，目前的冲压生产主要朝着无润滑方向发展，所以压边力便成为冲 压成形操作中主要的可控制参数。另外，通过修改模具拉延筋、圆角及型面等方 式来改善成形质量时所耗费的模具成本高、生产周期较长【6 】。因此，通过调整压边 力来改善拼焊板冲压件的成形质量已成为主要方法之一。然而传统的恒压边力控 制措施难以达到冲压件所需的质量要求。变压边力技术则能够在较大的范围内改 善冲压件的工艺性能，对于提高冲压成形精度有着重要的意义。所谓变压边力， 即压边力在板材的各个部位不一致，并且随着拉深行程的改变而改变。目前，变 边力技术的研究多应用于普通光板的生产中。对于拼焊板冲压的变压边力研究 多停留于直线焊缝拼焊板压边力的分区控制上。在冲压过程中加载何种模式的 边力能够获得最优的冲压件目前也无共识。因此，针对曲线焊缝拼焊板的变压 力研究对于拼焊板技术的应用以及改善拼焊板冲压件的成形质量具有一定的理 指导意义。 2 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 拼焊板技术的发展及应用 拼焊板是2 0 世纪6 0 年代日本本田汽车公司利用边角料做车身内侧板而采用 的一项技术。2 0 世纪7 0 年代中期，美国福特汽车公司采用激光焊接技术进行车身 钢板的拼焊，但未商业化。2 0 世纪8 0 年初，欧洲沃尔沃、奔驰、大众等汽车厂首 批使用激光焊接的拼焊板制作卡车的前板、底板、加强柱等i 引。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着人们对环保、节省能源、提高驾驶速度和安全性能 的要求以及千瓦级连续c 0 2 激光器的出现，为汽车拼焊板的应用开辟了广阔的天 地。德国t h y s s e n 钢铁公司成为了欧洲较早大规模采用激光生产拼焊板的钢铁公 司。t h y s s e n 公司设计和建造的第一代拼焊板激光焊接生产线是光束移动、工件固 定的系统，并于2 0 世纪8 0 年代末又开发了工件移动、光束不动的第二代拼焊板 激光焊系统【7 - 羽。 日本丰田汽车公司自1 9 8 5 年起开始在汽车制造中应用拼焊板，每年用于6 0 个冲压件的拼焊板的消耗量为3 6 0 万张【9 】。 1 9 9 5 年，德国宝马公司开始大规模使用拼焊板，使德国的拼焊板产量骤升至 1 0 0 万张。1 9 9 3 年在欧洲大约有3 0 0 万张拼焊板被用于车身制造，2 0 0 0 年拼焊板 使用量已经达到5 0 0 0 万张埔j 。 美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司在1 9 9 4 1 9 9 7 年问使用拼焊板的情 况如图1 1 所示【1 0 】。 目前大多拼焊板冲压件在车身中的使用情况如图1 2 所示【l 。 我国的部分汽车生产企业也在开始采用拼焊板成形技术，长春一汽奥迪a 6 的 前底板使用了从德国大众原厂进口的拼焊板冲压成形件。一汽大众最早使用拼焊 板是为了获得宽度较大的薄板，目前己经发展到了使用非等厚拼焊板和非均质拼 焊板。上海大众的帕萨特( p a s s a t ) 和波罗( p o l o ) 等系列轿车的覆盖件零件也都 采用了德国蒂森( t h y s s e n ) 公司原厂出口的拼焊板材料。上海通用的别克( b u i c k ) 等车型的前门内板，广州本田的奥德赛( o d y s s e y ) 多功能轿车的前门内板等使用 了从国外进口的拼焊板进行冲压。上海宝山钢铁股份有限公司己经开展这方面的 研究，2 0 0 0 年由上海宝山钢铁股份有限公司试制的激光拼焊板试冲了小红旗底板 零件获得成功，填补了国内汽车用激光拼焊板的空白【1 2 】。 第一章绪论曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置 发 墨 娘 阻 旺 魁 醛 哎 簌 5 0 门内板侧围立柱门框横梁其它 图1 - 1通用、福特、克莱斯勒1 9 9 4 1 9 9 7 年拼焊板使用情况 a 桂加强掇b 立柱 率l 页加强摄 图1 2 拼焊板冲压件在车身中的使用情况 2 0 0 4 年7 月，攀钢钢研院、攀钢冷轧板厂、华中科技大学共同攻克了东风汽 车公司要求的“攀钢冷轧板激光拼焊及其应用技术研究”的课题，完成了攀钢首 批1 0 张超长( 2 7 0 0 m m ) 、超宽( 1 9 0 0 m m ) 冷轧钢板的激光拼焊和对其焊接接头 力学性能、冲压性能及耐磨蚀性能的试验，其结果表明各项性能完全能够满足用 户要求。在东风汽车公司特种车身厂，五张超长超宽经激光拼焊的攀钢冷轧钢板 经过剪切下料、冲压成型等工序后，成为两辆重型卡车的驾驶室顶盖，这是国产激 光拼焊板技术在国内首次正式应用。激光拼焊技术在重型车板料上的开发，既解决 4 5 0 5 0 5 0 5 0 ，鼍o口、l口、l l l 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置第一章绪论 了重型车大尺寸板材难题，又大大降低了采购成本，满足了生产和质量要求【1 2 1 。 1 2 2 拼焊板成形性影响因素的研究 拼焊板的成形能力较光板大有不同。板厚的差异，材质的不同均会使拼焊板 发生不均匀的变形从而导致其产生焊缝移动，局部起皱以及成形能力下降等缺陷。 影响拼焊板成形性的因素有很多，目前关于拼焊板成形影响因素的研究主要包括 板料的焊接、母板厚度或厚度差异、焊缝的初始位置、拉延筋的布置、压边力的 大小等。一些学者关于拼焊板成形影响因素及其成形性能的研究总结如下。 s h i f l 3 】等人公布了激光焊和滚压焊的焊接参数( 焊接电流、压力、材料搭边、辗 压焊接功率、焊接速度等) 对拼焊板成型性的影响规律。 文献 1 4 】对电阻焊5 0 5 2 铝合金拼焊板成形的性能进行了研究，通过分析焊缝 晶粒与平面应变条件下的极限应变的关系，表明要想提高极限应变率，焊缝晶粒 尺寸宜在l o l , t m 左右，过大或过小都会降低极限应变率，另外位错密度、亚晶界的 多少对焊缝强度、延伸率也有一定的影响i l 引。 韩国学者【1 5 】采用0 8m m 和1 6 m m 两种厚度板料焊接而成的差厚拼焊板拉延 盒形件的实验结果，起皱和焊缝移动现象都很明显，表明普通整板拉延工艺无法 对差厚拼焊板进行成形。 文献【1 6 】认为拼焊板的成形性能主要取决于焊缝移动距离、焊缝移动影响变形 方式、应变和破坏位置。焊缝移动主要取决于母材性能和边界约束力，通过减除 作用于母材上的力而计算得出作用于焊缝上的力【l6 。 s a u n d e r s 【1 7 】等人在拼焊板杯形件的成型中，将压边圈做成分瓣式，不同部分采 用氮气缸控制其压边力，在较强母材侧施加较小的压边力，允许更多的金属流入 凹模型腔，减小两侧母材成型能力的差异性，从而减小了焊缝移动，提高了拼焊 板的成型能力。 王磊【2 】在硕士论文中分析了不同板材以及不同厚度的拼焊板的成形情况，研究 了曲线焊缝对拼焊板成形性的影响，并且对焊缝的初始位置进行了优化。 罗列1 8 】在硕士论文中分别分析了压边力、焊缝位置、板厚比、凹模圆角半径 因素对拼焊板盒形件的影响。 宝钢蒋浩民【l9 】等人对典型汽车拼焊板零件一纵梁的拉延筋采用优化工艺发 现，不同拉延筋工艺条件下，成型零件的法兰部分焊缝移动量变化范围为4 卜1 1 8 m l n ，故合理设置拉延筋工艺参数可有效减小焊缝移动量。 第一章绪论曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置 压 边 力 s h i 掣4 之o 】通过研究焊缝位置对拼焊板横向成型能力的影响发现，在弱侧母材 占较大比例的情况下，焊缝离板料中心越远，其成型性能越好，且越接近于弱侧 母材；在焊缝处于板料中心或强侧母材占较大比例时，变形过程中会出现局部应 力分布不均而导致弱侧母材破裂失效的现象。 陈锡荣【2 l 】等以方盒成形为例，通过数值模拟方法研究了拼焊板焊缝移动规律 及其对成形性能的影响，提出了合理布置焊缝位置及采用加拉深筋和使用分块压 边板等工艺方法控制焊缝移动。 总之，关于影响拼焊板成形性能的各个因素，国内外学者都做了大量的相关 研究，得到的结果也是不尽相同的。 1 2 3 拼焊板成形变压边力技术 压边力( b h f ) 是影响拼焊板成形性能的重要因素，也是成形过程中较为灵活可 控的因素。传统的恒压边力技术已经不能满足拼焊板成形性能的需求。因此许多 学者提出了变压边力控制技术。在此之前，已有很多学者对变压边力应用于光板 成形做了大量的模拟以及实验研究，并且提出了很多变压边力优化方法，这些研 究应用于光板成形中已取得比较好的效果。因此，一些学者尝试将变压边力技术 应用于拼焊板成形中。事实上，变压边力控制技术己成为目前拼焊板成形工艺的 发展趋势。对于拼焊板的变压边力优化以及控制技术研究正在逐步深入。 目前最常见的随拉深行程变化的变压边力是将整个拉深行程中的压边力控制 在起皱与破裂极限压边力之间，加载模式有4 种，分别是渐增型，渐减型，先增 后减型以及先减后增型。如图1 3 所示。 图1 3 典型的四种压边力加载模式 吕盾【2 2 l 等人通过数值模拟的方式，对拼焊板盒形件加载了不同的压边力曲线 进行模拟，得出线性渐增变压边力与定常压边力相比增大了引起焊缝移动的薄侧 变形区域材料的长度，缓解了薄侧材料的应变集中，提高了拼焊板成形性能。 罗云【1 8 1 在硕士论文中采用了常见的四种随拉深行程变化的压边力模式对拼焊 6 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置第一章绪论 板盒形件进行了加载，通过数值模拟的方法得出渐增型以及先减后增型压边力比 较有利于提高拼焊板冲压成形性能，且渐增型压边力下拼焊板的焊缝移动量最小。 其后还运用了人工智能法对变压边力进行了预测。 而根据空间位置的不同来分布压边力的方式，对于般盒形件来说，其圆角 处与直边处的材料流动速度，受力情况是不一致的，因此，通常采用分块压边圈 在圆角与直边处分别提供不同的压边力。而对于拼焊板盒形件来说，焊缝两边的 材料及厚度不一致，造成其变形情况也是不一致的，通常的方式是在焊缝两边加 载不同的压边力。 s i j u nh e 2 3 】等人利用数值模拟的方法利用分瓣压边圈采用随位置变化的变压 边力，即在拼焊板的薄侧和厚侧施加不同的压边力，薄侧施加较大的压边力，结 果发现这种方法有效控制了不同板厚成形过程中的起皱，还可以控制拼焊板在成 形中的焊缝移动量。 姜银芳【2 4 】等采用数值模拟和实冲试验的方法，研究了不同压边力对拉深过程 中破裂危险点应变路径的影响规律；通过调整压边力的大小和分布，实现对拼焊 板方盒件薄板破裂危险点处应变路径的控制，从而提高拼焊板方盒件的冲压成形 性。研究表明：厚薄侧压边力的大小和分布对破裂危险点的应变路径和安全裕度 有很大的影响，合理的压边力分布可调节失效破裂的位置，提高成形极限深度。 王磊【1 2 】在硕士论文中对分区变压边力控制进行了数值模拟。压边力在一定的 临界区间内，对焊缝移动的影响较小，当压边力大于临界区间时，同样的成形条 件下，焊缝移动距离更大，成形极限更差，方盒件底部圆角区更容易出现开裂。 关于拼焊板的变压边力技术目前研究主要集中在对随行程和随位置变化的变 压边力的单独控制上，只满足了复杂拉深工艺需要的一个方面，不能满足复杂拉 深过程中压边力随行程和位置同时变化的要求。对随行程和随位置变化的变压边 力单独控制的研究也仅仅限于变化趋势和分布趋势上，没有对所需要的压边力进 行精确的描述，只能通过试验和数值模拟等试错的方法来确定。在随行程变化的 变压边力控制上，基于不同的理论控制曲线产生了不同的加载模式，带来了使用 和研究上的不便【2 引。 1 2 4 拼焊板成形的数值模拟研究 对于冲压成形过程中的板材成形性而言，很难仅凭经验估计成形缺陷，而模 具加工以后暴露出的问题又得通过较长的调试周期才能达到满意的效果。数值模 7 第一章绪论 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置 拟分析是解决这一问题的直接有效的手段。随着计算机和有限元方法研究的迅速 发展，采用数值模拟方法来研究拼焊板的成形及优化发挥着越来越重要的作用。 常用的数值模拟软件主要包括a n s y s 、a u t o f o r m 、p a m s t a m p 、k m a s 、 a b a q u s 、d y n a f o r m 等等。人们对拼焊板的实际应用件的仿真还很少，大多 集中在拼焊板成形性和焊缝偏移的仿真方面。焊缝的偏移是整体变形模式的重要 参考依据，各国学者对球拱顶高试验、方盒件、门内板、档泥板的焊缝偏移进行 了有限元仿真分析，包括对材料性质、厚度比、强度比值、焊缝位置、压边力等 影响焊缝偏移规律的仿真【2 6 1 。 葡萄牙学者a r i ar e i s 2 7 i 等人在分析拼焊板中焊缝对成形影响时，采用 a b a q u s 软件，板料和焊缝都采用s 4 r ( 四边形缩减壳单元) 和s 3 r ( 三角形缩减壳 单元) ，模具则采用刚体单元，研究了焊缝对板料成形中凸耳现象的影响，所得结 果与试验趋势相同，但过高预测了凸耳现象，而在模拟梁形件时，回弹后形状与 试验非常吻合。 美国俄亥俄州大学m u s t a f aa a h m e t o g l u 2 s 等人研究圆筒件拉深过程时，采用 p a m s t a m p 对拼焊板进行有限元模拟，指出因焊缝面积相对整个板料面积小，焊 缝对母材影响q l 曼d , ，所以忽略焊缝。 上海交大施玉良【2 9 】等人采用了4 种不同的有限元焊缝处理方式( 1 冈t j 性连接，节 点耦合，双层梁，实体单元) 进行仿真模拟，模拟结果表明焊缝建模方式的不同仅 对此种情况下的仿真结果造成相对轻微影响。 翁孟超【3 0 】等人以d y n a f o r m 为平台采用有限元模拟的方法研究拼焊板冲压成 形压边方法及其对模具受力、焊缝移动及工件成形质量的影响。 s u s h a n t ak u m a rp a n d a 3 1 1 对i f 钢拼焊板进行胀形模拟，忽略焊缝建模，研究认 为厚度对应变分布有很大影响，但表面涂层对应变分布没有太大影响。 吴晓锋【3 2 】等人采用a b a q u s e x p i i c i t 软件对典型的差厚拼焊板盒形件进行拉 深模拟，研究了焊缝性能和形状对有限元模拟结果的影响。拼焊板有限元模型采 用3 种焊缝处理方式：忽略焊缝，焊缝采用壳单元，焊缝采用实体单元，焊缝形 状简化为梯形，3 种模型中母材都为壳单元。比较3 种模型下材料流动和焊缝移动 量，并且与试验进行对比，最终得出焊缝性能对模拟结果影响t i e d , ，但焊缝形状 对模拟结果影响较大，考虑焊缝形状的拼焊板模型与试验能够较好地吻合。 国内外学者对拼焊板冲压的数值模拟很多都集中在焊缝模型、焊缝移动控制 8 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置第一章绪论 以及不同因素影响下的冲压成形性的研究上。而在拼焊板冲压成形过程中，影响 最终成形质量的因素有很多。很难利用数值模拟的手段全面的描述出来，对单个 因素的大量数值模拟研究为实际冲压过程中的各个冲压参数的设置提供了一定的 理论依据。 1 3 主要研究内容 如前所述：目前针对拼焊板的研究主要停留在对直线焊缝拼焊板成形性的研 究上，并且对于变压边力技术应用于改善拼焊板成形性的研究也大多局限于对随 行程或随位置变化的压边力的单独控制上。针对这些问题，本文选择方盒形件为 研究对象，借助数值模拟软件d y n a f o r m 为研究工具，对曲线焊缝拼焊板建立不同 的焊缝模型，在此基础上研究不同厚度的拼焊板的冲压成形性，并进一步通过随 行程和随位置联合变化的变压边力对曲线焊缝拼焊板方盒件进行成形性优化。 本文的主要研究内容如下： 1 拼焊板方盒形件的理论研究 主要研究盒形件的成形特点、成形机理，主要缺陷以及拼焊板方盒件的拉深 成形性，并且分别阐述影响拼焊板盒形件的主要因素。 2 拼焊板盒形件的数值模拟研究 分析板料成形的力学特点，阐述有限元的基本理论并介绍了有限元模拟软件 d y n a f o r m ，在此基础上拼焊板盒形件的仿真模型。 3 曲线焊缝拼焊板的数值模拟分析 利用d y n a f o r m 建立不同的曲线焊缝模型，在此基础上对不同焊缝类型，不同 厚度的拼焊板进行仿真模拟分析。总结不同曲线焊缝以及不同厚度影响下的拼焊 板成形性。 4 曲线焊缝拼焊板变压边力成形性优化研究 分析曲线焊缝拼焊板在恒压边力下的成形性能，对其加载不同的变压边力模 式，比较不同压边力模式下的曲线焊缝拼焊板成形性，并选出最优的变压边力加 载方式。 9 第二章拼焊板盒形件的成形性研究 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置 第二章拼焊板盒形件的成形性研究 盒形件是冲压成形中的典型拉深件。近年来，越来越多的研究者对拼焊板的 成形性做了研究，分析了不同影响因素控制下的拼焊板的成形情况。其中大多数 研究都是以盒形件作为研究对象。因此分析盒形件的成形特点以及成形机理，研 究其成形缺陷，对于研究拼焊板以及拼焊板盒形件的冲压成形性有一定的指导意 义。本文同样以拼焊板盒形件为研究对象，分析它的成形特点及影响因素，为仿 真分析提供理论指导。 2 1 盒形件成形性 2 1 1 盒形件成形特点 根据方盒形件的成形特点，可以将其侧壁分为长度为a 的四个直边部分和半 径为r 的四个圆角部分，如图2 1 所示。由平板毛坯拉成方形盒时，形成直壁部分 的毛坯不可能只产生弯曲变形，形成圆角侧壁的毛坯，其变形也与圆筒拉深不完 全一样。毛坯的这两部分是联系在一起的整体，变形时必然相互牵制，因此盒形 件成形有自己的拉深特点。如图2 1 所示，毛坯表面在拉深前划分的网格，在拉深 后零件侧壁上这些网格均发生了横向压缩和纵向伸长的变化，说明直边部分也是 拉深变形。但是与旋转体拉深不同，直边中间部位的网格横向压缩与纵向伸长的 拉深变形程度较小，但在圆角处，其拉深变形程度最大【3 3 】。盒形件成形与圆筒形 件的最大区别就是成形的不均匀性，这种不均匀性主要体现在以下几个方面： 1 受力分布不均匀性：盒形件拉深变形过程中，在法兰变形区，圆周部分的 正应力沿切向和径向的分布、直边部分正应力沿横向和纵向的分布都是不均匀的。 在已变形的直壁部分，直边区和圆周区所承受的单位载荷也是不同的。 从塑性力学的角度看盒形件的拉深特点，如图2 2 所示1 3 引，具体表现为：在 法兰变形区，内径向拉应力ul 的分布是不均匀的。在圆角部分最大，直边部分最 小。即使在角部，平均拉应力ul 也要远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，盒形件拉深时要小得多，对于相同的材料，盒形件拉 深的最大成形相对高度要大于相同半径的筒形零件拉深时的最大成形高度。由于 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置第二章拼焊板盒形件的成形性研究 2 变形分布不均匀性：盒形件成形过程中变形主要在法兰区进行，而冲头的 底部材料基本不变形或有少量的胀形部分。研究表明：法兰区平面内圆周区和直 边区的变形程度是不同的，直边处材料的径向伸长变形小而圆角处的径向变形大。 3 变形速度不均匀性：一般认为盒形件拉深成形时，直边部分的流动速度大 于圆周部分的流动速度。但是，直边区和圆周区是一连续的整体，因而其位移速 度场的分布也是连续的，不存在间断点。两区之间也不存在明确的分界线。由于 两处的位移速度差，因而必然诱发出切应力，以协调直边和圆角处的变形，如图 2 2 所示。 图2 - 1方盒形件拉深变形情况 a 3 一 i 伉 图2 2 方盒形件拉深受力情况 盒形件的最大应力出现在角部，因而破裂起皱的现象一般也出现在角部，远 离角部的直边部分一般不会出现起皱或破裂现象。盒形件圆角部分与直边部分的 相互影响的大小，取决于其相对角部圆角半径的比值r a 。f f a 越小，两者的相互 第_ 二章拼焊板盒形件的成形性研究曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置 影响越大，圆角区与直边区的变形情况差异也就越大。当r a = o 5 时，盒形件便成 为筒形件了。 2 1 2 盒形件成形机理 对于盒形件成形机理的研究，通常是从盒形件的变形特点入手。苏联学者罗 曼夫斯基将盒形件圆角区按拉深变形，直边区按简单的弯曲变形处理，给出了一 套工艺计算方法，为大多人所接受。但是实践证明使用这套方法的结果成形极限 低，工艺次数多，且不可靠。 日本一些学者认为，盒形件拉深时法兰直边区与圆角区金属流动速度不同， 从而会产生剪变形。但认为直边是简单的弯曲变形，也就是说直边流动速度是指 金属的刚性移动速度。名古屋大学的河谷望教授提出了“变形缓和效应”理论【3 4 】， 他把圆角和直边分成了五个区域。 另外还有一些学者提出了“位移速度差诱发剪应力 的观点，认为直边与圆 角区域内都存在着剪切变形。还有学者针对高盒形件的拉深提出了高盒形件多次 拉深成形的“均匀变形”理论。 国内的一些学者认为，盒形件拉深时，不仅在法兰直边部分的凹模圆角处产 生弯曲变形，而且在法兰直边区产生切向收缩，径向伸长的变形，与圆角区变形 性质相同。杨玉英吲对直壁盒形件成形机理进行了探讨。指出盒形件变形时，变 形区圆角处与直边处的金属由于位移速度不同而诱发的剪应力能降低圆角处传力 区的轴向拉应力；由于变形区直边处产生拉深变形，使圆角处变形区的变形抗力 得到降低。并由实验证明，盒形件拉深成形时直边产生的切向变形和剪应力的存 在，是盒形件成形极限提高的原因。她的这种观点已经为人们所接受。 2 1 3 盒形件成形主要缺陷及其形成机理 盒形件的成形情况比较复杂，圆角处不能单纯的考虑为圆筒形拉深，直边处 也不仅仅是简单的弯曲变形，圆角和直边处又存在着相互影响。因此，对于它的 工艺成形设计还存在一定的难度，成形过程中常产生许多缺陷，如起皱、破裂、 回弹、内凹等等。其中起皱和破裂是盒形件最为常见的成形缺陷。 1 起皱 起皱是压缩失稳在薄板成形中的主要表现形式。薄板冲压成形时，为使金属 产生塑性变形，模具对板材施加外力，在板内产生复杂的应力状态。由于板厚尺 寸与其他两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。当板料的内压应力 1 2 曲线焊缝拼焊板的冲压研究及其变压边力优化设置第二章拼焊板盒形件的成形性研究 使板厚方向达到失稳极限时，材料不能维持稳定变形而产生失稳，此种失稳称为 压缩失稳。起皱发生时，皱纹的走向与压应力垂直，但不能简单认为任何起皱都 是压应力引起的。在板料冲压成形时产生的起皱是各种各样的，大致可以分为压 缩力、剪切力、不均匀拉深力以及板平面内弯曲力四类，板料起皱的类型如图2 3 所示。 ( ) o 图2 3 板料起皱的四种类型 盒形件成形过程中，般会在法兰区、壁部、过度区以及凸模头部部分产生 皱褶。法兰区的皱褶也是其它部位产生皱褶的原因。法兰区的皱褶是由于板料在 成形过程中受到切向压应力和径向拉应力的作用，板料开始顺着凹模口的法线方 向向模腔延伸，法兰随着收缩变小，应力发生变化，多余的板料则相互挤压，切 应力过大，引起法兰失稳，产生皱褶。盒