基于多步展开法的复杂级进模冲压件毛坯设计与成形预测

1、 基于多步展开法的复杂级进模冲压件毛坯设计与成形预测Zhang Zhibing, Liu Yuqi, Du Ting, Li ZhigangState Key Lab of Material Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science & Technology,Wunan, Hubei 430074, China摘要一步展开法（MSUM）即板料的开发设计和。该方法，是一个有限元模型的逆方法（在一个局部区域的逆方法），根据冲压工艺，在局部区域的基准面上展开中间形状。不仅受连接、压边力和

2、摩擦的影响，也有影响不同曲率半径的应变中性层在局部区域的偏移，在模型中考虑，每一步都提高了毛坯形状的计算精度。关键是中间毛坯形状和初始坯料形状可生成逆序列中的多次使用方法。最佳坯料形状也可根据成形件的成形性设计。MSUM的说明对一个渐进式冲模零件的毛坯设计，并与实验和其他数值结果进行了比较。©2007 Elsevier公司保留所有权利1. 简介 大量的汽车车身零件变形通过冲压完成，有时零件也具有非常复杂的冲压特点。为了提高产品的质量和EF效率，许多地方都使用级进模成型过程。与简单的工具比较，级进模是具有高质量、高效率的款产品，特别适合大批量在短时间内生产。然而，级进模设计具有不同的排

3、样设计，只有具有丰富经验的人和技术工程师才有能力做好。首先，在带状布图设计中，冲压工艺的顺序是根据零件特征、经验及理论公式设计的。其次，每一步设计过程的序列和所有形状被组装成一条带状。模具的工序结构后带板的设计是非常重要的带状布局设计，但实际生产的模具结构条件存在缺陷。这必需修改带状布局和模具结构的设计，直到缺陷被删除。这是一个最佳的带状布局，但是这个任务相当困难。如果最佳坯料的形状和尺寸在每一步成形性预测的设计阶段，这将大大减少整个级进模设计试验的时间。然而，在带状布局的设计阶段，中间过程的形状和边界条件是未知的。它是无法使用有限元增量的方法来模拟板料（Jian et al.，2002）。设

4、计师最重要的设计是计算后期的中间形状和预测成形性，从零件的初始形状到最终形状，采用逆向的方法解决问题。但逆向只可以计算初始形状，没有NAL考虑中间形成的复杂形状的过程，这是一个漏洞，特别是在折弯或弯边条件下。 许多作者预测若使用初始坯料形状的一部分，对工艺简单的冲压件来说它将是一种有效的方法。但对于复杂形式的冲压件，中间的一部分或进行冲压件的成形过程对初始坯料的形状都有很大的影响，这使不同地方设置的边界条件形成完全展开的区域。这是一个可行的方法，并在一定程度上避免了弯边条件。 在金属板材成形模拟系统FASTAMP中，一步展开法（MSUM）是采用开发辅助进模设计。首先，一个逆方法元模型的开发，根

5、据冲压工艺在本地区域与中间形状成反比展开，最终形成在每一步的参考面上。在计算模型中参考表面可以根据过程生成特征面。冲压工艺的影响也被认为是作为连接，空白保持力，摩擦和应变中性层与不同半径的补偿在局部区域的曲率。然后这些形状被组装成一条带状布局。成形缺陷可以预测的数值结果和最佳的空白形状，也可以使用展开方法生成。2.在有限元方面的一些MSUMMSUM的有限元模型是基于IA。该有限元配方的细节可以在报纸上找到（Guo et al.，1990，2000；naceur et al.，2001）。DKT混合元素类型（batoz et al.，1980），DKQ（batoz et al.，2000）弯曲效

6、应用于分析模型，提高计算精度。这个处理（奇和俊华，2006）的边界条件是置换约束和外部节点从压边力、摩擦力和总的抑制力来改善切线刚度矩阵。在本地区使用MSUM，削弱条件与实际冲压方向会变弱，切线矩阵的调理将提高收敛速度。图1 最后一部分3. MSUM的程序 一个典型的渐进式模具零件（图1）和带状布置图（图2）设计级进模向导（PDW）在UG NX软件。在工艺设计阶段，只有最终形状是已知的，中间的形状应该根据工艺要求和形状特点来设计。例如，有必要在中间切薄片作为中间参考面，然后在设计翻边法兰。如果有翻边面积较大的变形，精确和预先计算的切削线是必要的。此外，如果在当地有一个大的变形地区，如拉伸、翻边

7、、胀形，预先估计成形性和检查工艺条件是非常有用的，这是有帮助的，以避免形成缺陷，如破裂和严重起皱。因此，进行模具设计的过程是一个令人崇拜的复杂的任务。一个MSUM基于逆算法，提出了反对级进模设计的不同难度。是中间形状和切割线计算的过程，形状特征的成形性也可以根据数值结果估计。该方法主要包括以下几个详细技术： 图2 条形图 3.1 中间基准面在计算模型中，大多数的中间参考表面可以根据形状特征自动计算局部成形区域。例如，参考表面可以在沿边界的切线方向产生形成区。如果成形过程更为复杂，表面也可以手动生成。然而，这是困难的设计，每个中间的形状的处理步骤NAL是初始坯料形状的相反步骤，特别是复杂形状的形

8、成过程。设计时，在当前阶段，参考表面应产生的形状预测，以往的步骤和成形性的验证应当避免缺陷。有时不仅形状和形成过程在当前步骤中，还必须将前几步的形状拟出。在级进模冲压件设计阶段，设计工程师可以用相对容易的方法-利用基准面与CAD软件，如UG和CATIA。这是困难的但准确预测的方法。到现在为止，虽然有许多作者试图优化形状，同时优化中间参考面，但该算法只适用于特定形状的部分，且优化时间太长，这是不符合应用要求的。目前的方法中间参考面是由设计师计算中间形状使用的。3.2 工艺条件在有限元模型，许多工艺条件可以考虑。例如，固定限制将被添加在节点处，如果相对位移是非常小的连接区域。考虑压边力和摩擦系数的

9、影响在弯曲和翻边区域模拟金属板材的变形。大变形在局部地区形成的条件是不同的，如深拉深与胀形。如果成形过程是鼓鼓的，克制力和压边力在法兰面积很大，板材的材料几乎是僵硬，甚至固定限制。如果成形过程是深拉伸，则在翻边面积约束力和压边力的关系较小，材料可以在翻边区域流动。在翻边区域若鼓胀变形应在“约束”或“大空白保持架”力的作用下加入节点，和适当的空白保持力将被添加到相应的节点。3.3 应变中性层偏移如图3所示，应变中性层（SNL）（元因俊，2002）将从几何中性层偏移（GNL）沿径向方向的内层。中性层偏移是空白形状大小有很大的影响的，特别是当曲率半径与曲率半径之间的关系更大。 图3应变中性层3.4

10、MSUM程序正如我们所知，金属板材的材料将以不同的方式流动不同的冲压工艺，以及最终的成形部分也不同。研究院的序列必须满足具有实际冲压工艺要求。因此，冲压工艺设计必须首先根据几何特征和工艺要求该NAL部分。其次，中间形状将被校准，评估成形性避免裂纹和起皱等缺陷。参考表面和边界条件是ED，直到成形性是完美的。有时表面应该ED，再从前面的步骤计算条形布局的全视图。最后，最佳的条带在冲压工艺改进后可获得。3.5 成形性分析各种物理量的分布和变形的信息可计算。成形性的预测，可以协助冲压工艺的设计。3.6 局限性在展开的过程中，整形和回弹的影响被忽略时，对于壳单元的选择并有错误的仿真结果，它不能精确的模拟

11、变形和回弹。4.实例4.1 例1：条形布局的辅助设计如图4所示（一），占主导地位的形成过程中的一个连续模的成型部分包括胀、弯曲、翻边和重燃。带状布局是用六个关键帧调解的形状（图2）和其他辅助形状。作为显示在图4（bg），msum是六步操作。为表演图4（a），（nal配套带形状是17步布局（图2）。作为显示在图4（a）。在连接区域和固定约束将被添加的节点。这部分的材料是初始厚度0.75毫米的SPCC。图4中间形状。（a）最后的形状，（b）第一步，（c）第二步,（d）第三步，（e）第四步,（f）第五步，和(g)第六步。第一步。如图4（b），弯曲区域（图4（a），三维区域）将展开。形状是对手条形布局

12、。在这一地区之前，一切挺线将计算，然后弯曲板材。因此，当展开的局部弯曲区域，中间在基准面（面面上的形状将被投影按当前步骤）在前一步。应变补偿中性层计算。在局部区域，弯曲半径是1.5毫米，抵消的大小是0.03毫米的理论公式（shuobeng et al.，2002）。大小之间的误差与补偿的切削线和实验结果是相对少。第二步。如图4所示（C）、翻边区域（图4（a），、电子区域）将展开。对应的形状是第十三步的带状布局。当翻边的面积展开，参考表面自动计算先前展开形状的表面。一般来说，参考表面是从边界曲线（特征曲线）挤压在特征曲面的切线方向。如图所示图5、翻边包含压缩变形拉伸成形，它是确定切割线三维参考面

13、。 图5 中间基准面和修整线 许多物理量可以得到的结果，如应力、应变、厚度、形态分布等ING基线图（FLD）。如图6所示，拉伸变形区，较大的分布厚度壁厚减薄率在is10.7成形表明性能是良好的，在压缩时，较大的厚度应变为10.7%变形区带小。 图6厚度应变分布在翻边区域 第三步。如图4（3），弯曲区域（图4）（图1），面积）将展开。对应的形状是第十一条形布局。展开的操作同第一步。然而，由于较大的弯曲率弯曲处的曲率半径和厚度弯曲半径为63.5毫米，中性层的偏移可以忽略。 第四步。如图4（4），弯曲区域（图4）（图1）面积）将展开。对应的形状是带状布局的第九步。展开的操作同第三步骤，可被忽略。第五

14、步。如图4（5），隆起区（图4）（图），克地区）将展开。对应的形状是第二图10与实验数值结果。（一）数值和实验结果的轮廓，和（二）详细的比较，在C区。条带布局和参考面是平面。在切割后对于胀形的过程，变形只在空白夹持力和摩擦力下的局部区域。在固定的有限元模型，胀形区节点增加了空白支架和摩擦力。在较远的地区，将节点添加在固定约束。作为图7所示，最大厚度减薄到达超过30%，过稀和破裂风险。这可能是一个良好的选择，以减少压边力，避免破裂风险。 图7 在凸起区域的厚度应变分布（g）第六步。如图4（6），凸起的区域（图4）（图1）面积）将展开。对应的形状是第一步条形布局。展开的操作同第五步。如图8所示，最

15、大厚度减薄约为20%，具有良好的成形性。 图8在凸起区域的厚度应变分布六个步骤的形状，关键的空白形状15，13，11，9，2和1的设计可以推定冲压工艺。余下的一步包括切割和重燃的过程，这是独立设计的毛坯。4.2 例2：阳离子与数值验证实验结果如图9所示，汽车的级进模部分展现使用MSUM。展开的操作例如1 图9冲压件如图10所示（一），使用MSUM FASTAMP软件比较初始轮廓在实验形状AL结果和fastform三维软件模拟结果，在局部区域的细节中有小的差异（图10），C区域）。 图10与实验和数值结果。（a）数值和实验结果的轮廓，和（b）详细比较5. 结论一步展开法（MSUM）开发的空白复杂

16、渐进式的设计与成形预测模具冲压件以辅助工艺设计。在该方法中，在局部地区根据冲压工艺建立了有限元模型的反演方法。这中间的形状将展开参考表面的局部区域，能与表面和冲压工艺特征自动生成。不仅是连接、压边力和摩擦的影响，而且还考虑了不同曲率半径的应变中性层的偏移对其的影响，从而提高了每一步的计算精度。关键中间坯的形状和初始坯料形状可以产生与该方法在一个序列相反的过程序列。根据冲压件的成形性，设计了最佳坯料形状。参考文献1 Batoz, J.L., Bathe, K.J., Ho, L.W., 1980. A study of three-node triangular plate bending el

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