柱形件在边角受压下的三向起皱行为.pdf

第 4 7卷第 1 6 期 2 0 l 1 年8 月 机械工程学报 J OUR NAL 0F M ECHANI CAL E NGI NEE R I NG V0 1 47 Au g NO 16 2 0 1 1 DoI 1 O 3 9 0 1 J M E 2 0 1 1 1 6 0 3 5 柱形件在边角受压下的三向起皱行为木 何伶荣 2 张 坤 王明星 陈光南 1 中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室北京 1 0 0 1 9 0 2 中国科学院研究生院北京1 0 0 1 9 0 摘要 塑性失稳 分叉引起的起皱是材料加工和成形工艺中的常见现象 起皱的出现将影响零部件的成形质量和性能 已有 的工作主要集中在一维和二维的起皱行为 为对开模挤压成形初期以及某些低刚度零件的装配过程中出现的三向起皱现象有 更深的认识 设计一种通过改变锥模角度以获得皱曲特征的试验方案 得到局部应力集中下的三 向皱 曲形貌 描述各个方向 起皱的特点 系统地分析锥模角度和试样晶粒大小对皱曲的影响 结果表明 柱面凸起高度 凸起距离和起皱波延伸距离随 挤压角度的增大而增大 端面凸起高度和起皱波长 延伸距离均随着挤压角度的增大先增加后减小 凸起距离随角度增大单 调减小 波长越长时对应起皱延伸越远 试样表面层晶粒越大 起皱波长和延伸距离越大 起皱形貌越明显 关键词 柱形件挤压应力集中塑性变形起皱 中图分类号 T B1 2 5 Thr e e di m e ns i o na l W r i n k l i n g o f Cy l i n de r s u n de r Ed g e Co mp r e s s i o n HE Li n g r o n g ZHANG Ku n NG M i n g x i n g CHEN Gu a n g na n 1 Ke y La b o f Me ch a n i cs i n Ad v a n ce d Ma n u f a ct u r i n g I n s t i t u t e o f Me ch a n i cs C h i n e s e Aca d e my o f S ci e n ce s B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 2 G r a d u a t e U n i v e r s i t y C h i n e s e Aca d e my o f S ci e n ce s B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 Ab s t r a ct Wr i n k l i n g ca u s e d b y p l a s t i c i n s t a b i l i t y a n d b i f u r ca t i o n i s a co mmo n p h e n o me n o n i n t h e ma t e ria l f o r mi n g p r o ce s s wh i ch C an a ffe ct t h e f o r mi n g q u a l i ty a n d p e r f o r man ce o f t h e p a r t s Ex i s ti n g wo r k ma i n l y f o cu s e s o n o n e o r t wo d i me n s i o n a l wr i n k l i n g Act u a l l y t h r e e d i me n s i o n a l wr i nk l in g wi l l b e f o u n d i n t h e e a r l y s t a g e o f o p e n e x t r u s i o n p r o ce s s o r a s s e mb l i n g p r o ce s s f o r s o me l o w s t i f f n e s s ma t e ria l s Co mb i n ing the f e a t u r e o f d r a wi n g an d e x t r u s i o n a n e w e x p e ri me n t p r o g r a m i s p r o p o s e d t o d e t e ct wr i nk l ing ch ara ct e ri s t i c t h r o u g h ch ang i n g the mo u l d a n g l e Th e wr i n k l i n g f e a t u r e s in e a ch d i r e ct i o n are d e s crib e d and t h e i n f l u e n ce s o f t h e a n g l e o f co n i ca l d i e a n d the g r a i n s i z e o f s p e ci me n o n t h e wr i n k l i n g are an a l y z e d s y s t e ma t i ca l l y T h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e h e i g h t an d d i s t a n ce o f p r o t rus i o n o n the cy l i n d r i ca l s u r f a ce a n d the e x t e n s i o n l e n g t h o f wr i nk l i n g wa v e a l l incr e a s e wi th the i n cr e a s e o f e x t r u s i o n an g l e Di ffe r e n t f r o m tha t wh e n the ang l e g o e s u p the h e i g h t o f p r o t r u s i o n t h e wa v e l e n g t h an d the e x t e n s i o n l e n g t h o f the wr i nk l i n g o n the b o t t o m s u r f a ce fir s t i n cr e a s e a n d the n d e cr e a s e a n d the p r o t r u s i o n dis t a n ce o n t h a t s u rfa ce o n l y d e cr e a s e s Th e l o n g e r the wa v e l e n g t h i s t h e f a r t h e r the co r r e s p o n din g wr i n k l i n g e x t e n s i o n wi l l b e T h e l a r g e r the gra i n s i z e o f s p e ci me n s u r f a ce i s the gre a t e r the wr i n k l i n g wa v e l e n g t h and the e x t e n s i o n d i s t ance and the mo r e o b v i o u s t h e wr i n k l i n g mo r p h o l o g y wi l l b e Ke y wo r d s C y l i n d e r s E x t r u s i o n S t r e s s co n ce n tra ti o n P l a s t i c d e f o rm ati o n Wr i n k l i n g 0 前言 在材料加工和成形工艺中存在塑性失稳现象 即当材料所受载荷达到某一临界值后 即使载荷下 降 塑性变形还会继续 压缩引起 的塑性失稳主要 表现为坯料的弯 曲和起皱 起皱 的出现将影响零部 件的残余应力分布 从而影响其成形质量和性能 许多学者对成形过程中的起皱现象进行了研 国家 自然科学基金 5 O 9 O 1 0 8 4 和 中国博士后科学基金 2 0 0 9 0 4 6 0 5 3 7 资 助项 目 2 0 1 0 0 9 2 9收到初稿 2 0 1 1 0 3 3 1 收到修改稿 究 1 李恒等 1 1 总结了薄壁件在塑性成形过程中常 见的起皱现象 DE MAG AL I L E S等 2 4 J 分别研究 了 深拉成形 板带受压 内高压成形时构件的整体起 皱现象 已有研究表 明起皱特征 的影响因素是多方 面的 如几何参数 边界条件 材料 的刚度参数 弹性模量和屈服强度等 除了试验研究 还可以通过数值计算方法建立 合理的有限元模型 有效地模拟起皱行为 5 7 在理 论分析方面 黄涛等L8 指出 韧性材料在大塑性变 形后出现的起皱现象是由于材料发生分叉导致的 此外 C E R D A等 从能量的角度统一分析了自然界 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 3 6 机械工程学报 第 4 7卷第 1 6期 中常见的起皱现象 包括塑性成形中板料 管材等 薄壁 结构的整体起 皱 以及热障涂层粘结层 的皱 曲 苹果表面 由于果肉干燥引起 的皱缩 皮肤的 皱褶 9 等当基体厚度较大时只发生在表面的起皱现 象 给出了起皱波长 振幅与有效弹性基体刚度的 关系 已有 的研究工 作主要集 中在一维应力场 的皱 曲如板料单向压缩引起的起皱以及剪切等二维应力 场引起的起皱现象 9 事实上 在开模挤压成形 1 1 初期 以及某些低刚度零件的装配过程 中 在边角处 都有可能发生较大塑性变形和三 向皱 曲 而这种特 征有可能被随后的材料流动大变形所掩盖 在挤压 工艺初期 起皱还可能出现在死 区且受临界锥角的 影响 1 因此 为了对三向起皱的特点有更清晰的 认识 本文通过试验考察 了圆柱形样件在三 向压应 力状态下 圆周边角 由于应力集 中引起的变形特征 分析 了在特定压入距离和不同锥模角度下 的三向皱 曲现象 1 试验方法 试验装置如 图 1 所示 基座为硬质合金的锥模 锥角 2 6 c 的值从 3 0 到 1 5 0 变化 锥模上方的圆盘起 固定作用 以免试样在受载时滑动 圆柱试样为半 径 8 I T l l n 高 1 2 r n l T l的 L Y1 2铝合金 底面圆周与 锥模接触 图 1 试 验装置示意图 座 采用材料表 面形貌性 能联合测试 系统进 行挤 压试验 以 0 0 5 m m min 的速度加载至位移为 5 0 0 g m 保持 2 0 S 然后以 0 0 1 mm mi n的速度卸 载 考察在圆柱上表面受均匀压力 压入深度 5 0 0 岬的情况下挤压边角的变形特征以及锥模角度和 晶粒大小对变形的影响 典型的载荷位移曲线如图2 所示 当锥角为3 0 时 残余深度最大 这是因为角度越小 塑性变形 行为更接近于塑性成形的挤压现象 随角度增加 残余深度变小 当锥角为 1 8 0 时 为墩粗行为 最 大载荷达到 2 0 k N 时残余塑性变形仍然很小 2 0 1 5 慕 m 5 0 深度 iz m 图 2 不同挤压角下压入载荷 与深度 h关系的试验曲线 2 凸起形貌 试样在受压后 局部起 皱形貌的 出现 与试样端 面和柱面的凸起特征密不可分 试验观察得知 皱 曲均发生在凸起区域 当柱面或端面内凹时没有明 显起皱特征 这是因为当柱面凸起时 凸起局部区 域在 Y向受到的压应力远大于当其 内凹时受到的作 用力 端面 凸起 时 向压应力亦远大于 当其 内凹 时的力 而起皱是局部压应力作用下产生屈 曲并出 现后屈曲大变形的外部宏观表现 只有压应力达 到塑性失稳临界值才可能出现 因此 当应力集 中的 边角内凹时压应力较小 起皱特征不明显 如 图 3所示 定义在卸载 以后试样柱面或端面 被挤出的最高点相对于平面部分的高度为凸起高 度 从最高点到平面与凸起 的过渡点的距离为凸起 距离 试验结果显示 试样端面凸起高度随着挤压 角度的增大先增加后减小 柱面则是单调增加后趋 向于平衡 这是因为对于试样端面 当挤压角度较 小时 接触面与柱面接近平行 端面上的局部应力 集中效应不明显 随着角度 的增大 挤压力在端面 半径 方向的分量先增大后减小 锥角为 6 0 o 时试 样端面产生了明显的塑性凸起 当角度大于 7 5 o 时 随着压入的深入 试样端部与模具接触面积增大 凸起因受到抑制而减弱 锥角为 1 8 0 o 时试样端面与 模具密实接触 接触端部不会有凸起形貌 对于试 样的柱面 同样随着挤压角度的增大柱面的接触面 逐渐减小 材料在柱面的塑性流动得到逐步的释放 凸起幅度增大 当挤压角度为 6 0 时 试样柱面也 会出现明显的塑性凸起 锥角为 1 8 0 时短柱整体受 压 为墩粗行为 试样中间鼓肚 因此柱面凸起不 会随着挤压角度的增大而无 限制增加 最后将趋于 平衡 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 1 年 8月 何伶荣等 柱形件在边角受压下的三向起皱行为 3 9 L I He n g YANG He ZHAN M e i e t a 1 A r e v ie w o f t h e r e s e a r ch o n wri n k l in g in t h in wa l l e d p a r t s p l a s t ic f o r min g p r o ce s s e s J Me ch a n i ca l S ci e n ce a n d T e chno l o g y 2 0 0 4 2 3 7 8 2 7 8 4 2 2 C O R R E I A J P D M F E R R ON G Wri nkl in g o f a n is o t r o p i c me t a l s h e e t s u n d e r d e e p d r a win g An a l y t i ca l and n u me ri ca l s t u d y J J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o ce s s i n g T e ch n o l o g y 2 0 0 4 1 5 5 1 5 6 1 6 0 4 1 61 0 3 冯榈 杨合 孙朝阳 等 板带不均匀压下面内弯 曲过 程失稳起皱 的研究 J 机械工程学报 2 0 0 5 4 1 4 l 89 1 9 4 F ENG LU YANG He S UN Ch a o y an g e t a 1 Re s e ar ch o n a un ifi e d cri t e ri o n o f i n t e r n a l a n d e x t e r n a l wr ink l in g o f s t r ip me t a l in p l ane b e n d in g un d e r un e q u a l co mp r e s s i n g J C h i n e s e J o u r n a l o f Me ch anica l E n g i n e e ri n g 2 0 0 5 4 1 4 1 8 9 1 9 4 4 汤泽军 何祝斌 苑世剑 内高压成形过程塑性失稳 起皱分析 J 机械工程学报 2 0 0 8 4 4 5 3 4 3 8 T A NG Z e j un HE Z h u b i n Y UAN S h i j ia n A n a l y s is o f p l a s t i c wri nk l in g b e h a v i o r i n t u b e h y d r o f o r min g p r o ce s s J C h in e s e J o u r n a l o f Me ch anica l E n g i n e e ri n g 2 0 0 8 4 4 5 3 4 3 8 5 邢忠文 赵立红 杨玉英 回弹对柱面扁壳类覆盖件 刚度 的影响机 制 J I机械工程学报 2 0 0 8 4 4 5 2 2 6 2 3 0 XI NG Z h o n g we n Z HAO Li h o n g YANG Yu y i n g Me ch a n is m o f s p r in g b a ck i n flu e n ce o n s t i ffn e s s o f a u t o mo t i v e cy l i n d r ica l s h a l l o w p ane l s J C h i n e s e J o u r n a l o f Me ch a n ica l E n g i n e e rin g 2 0 0 8 4 4 5 2 2 6 2 3 0 6 夏琴香 尚越 张帅斌 等 倾斜管件多道次缩径旋压 成形 的数值 模拟及试 验 J 机械工 程学报 2 0 0 8 4 4 8 7 8 8 4 X Q in x ia n g S HA NG Y u e Z H AN G S h u a ib i n e t a 1 Nu me ri ca l s imu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l in v e s t ig a t i o n o n t h e mu l t i p a s s n e ck s p in n i n g o f n o n a x is y mme t r ic o b l i q u e tub e J C h i n e s e J o u r n a l o f Me ch anica l E n g i n e e rin g 2 0 0 8 4 4 8 7 8 8 4 7 孙刚 李明哲 邓玉山 等 柔性压边和刚性压边技术 在薄板类件多点成形中的对比分析 J 机械工程学报 2 0 0 8 4 4 5 1 4 7 1 5 1 S UN Ga n g L I M in g z h e DE NG Y u s h an e t a 1 An a l y s is o n fl e x i b l e an d ri g id b l a n k h o l d e r s t e ch n o l o gy a p p l y i n g o n t h i n s h e e t me t a l in mu l t i p o i n t f o r min g J C h in e s e J o u r n a l o f Me ch anica l E n g i n e e rin g 2 0 0 8 4 4 5 1 4 7 1 5 1 8 黄涛 李 国琛 洪友士 等 材料分叉的数值分析 J 力学学报 1 9 9 6 2 8 2 1 6 4 1 7 0 HUANG T a o L I Gu o ch e n HONG Y o u s h i e t a 1 Nu me ri ca l ana l y s