方形垫片落料冲孔复合冲压模具设计谐振窗参考设计
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冲压成型拉延壁起皱分析F.-K.陈， Y.-C.廖机械工程部，台湾大学，台北, 中国台湾在冲压台阶方盒形件、锥形方盒形件中发生的褶皱现象（的原因）已经被调查出。两种褶皱的共同特点是褶皱都出现在悬空的拉延壁上。冲压锥形方盒形件时，工艺参数如凸凹模间隙和压边力等对产生褶皱的影响可以用有限元分析检查出来。（有限元分析的）仿真结果显示凸凹模间隙越大，褶皱就越严重, 并且这种褶皱不能通过增加压边力来消减。在对冲压台阶方盒形件中产生的褶皱分析中, 对一个有相似结构 ( 台阶结构) 的实际生产中的零件进行检查。在拉延壁上发现的褶皱归因于在冲头和台阶之间的金属板材受到的拉延力的不平衡。通过有限元分析能够确定最合理的可以减小褶皱的模具设计。仿真结果和对不发生褶皱产品的观察结果的吻合验证了有限元分析的精确性, 并且证明了对冲压模具设计进行有限元分析的优势所在。关键词：拉延壁起皱；冲压模具；阶梯方盒形件；锥形方盒形件。1.介绍 起皱是在金属板料成型中常见的失效形式之一。 由于功能的和视觉效果的原因, 起皱通常不能为零件制品所接受。在金属板料成型加工中通常存在三种类型的起皱现象：法兰起皱，侧壁起皱，和由于残余压应力在未变形区产生的弹性变形。在冲压复杂形状之间时，拉延壁起皱就是在模具型腔中形成的起皱。由于金属板料在拉延壁区域内悬空，因此消除拉延壁起皱比抑制法兰边起皱要难得多。我们知道在悬空的拉延壁区域中材料的外力拉延可以防止起皱，这可以在实践中通过增加压边力而实现，但是运用过大的拉延力会引起破裂失效。因此，压边力必须控制在一定的范围内，一方面增抑制起皱，另一方面防止破裂。合适的压边力范围是很难决定的。因为起皱在冲压零件的中心位置以一个复杂的形状形成，甚至不存在一个合适的压边力范围。 为了研究冲压件褶皱的形成，Yoshida等人1做了一个实验，就是用一个不规则的金属板沿着其中一条对角线进行拉伸试验。他们提出一个理想模型，起皱现象从横向压力在不规则应力场中形成弹性屈服开始。Yu 等人2,3对起皱的问题进行了实验性和分析性的研究。根据理论分析，他们发现起皱能产生两条圆周形波纹，而实验的结果显示有4到6条的皱纹。Narayanasamy和Sowerby 4 用平底和半球形冲头通过拉模研究金属板料起皱。他们还尝试将能抑制冲压件起皱的冲头分类。这些结果集中体现在简单形状冲压件例如圆盒形件的起皱问题的研究中。90年代初，成功应用三维动态/精确有限元方法使得分析复杂形状钣金成型中的起皱问题变为可能。现在利用三维有限元方法研究冲压锥形方盒形件和阶梯方盒形件过程中拉延壁由金属流动引起的起皱现象。锥形方盒形件如图1(a)所示，每面都有倾斜的拉延壁，与锥形圆盒形件的拉延壁相似。在冲压过程中，金属板料拉延壁相对不被支撑，因此可能出现起皱现象。目前已经研究过不同的过程参数对起皱的影响效果。就阶梯方盒形件而言，如图1（b）所示，可以观察到另一类型的起皱。为了评测此分析的效果，对一个有相似结构(台阶结构)的实际生产中的零件进行检查。运用有限元分析确定了起皱的原因，而且确定最合理的可以减小褶皱的模具的设计。对实际生产中的零件的检查验证了运用有限元分析设计的模具的合理性。图1.（a）.锥形方盒 （b）.阶梯方盒2有限元模拟用 CAD 软件PRO/ENGINEER设计工具的几何形状,包括冲头，模具和压边圈。 采用相同的CAD软件对上述的构件划分三节点和四节点板壳单元网格系统。对于有限元模拟，要严格考虑构件形状，相应的网格只是用于几何形状分析而不是应力分析。用相同的CAD软件对板料建立四节点板壳单元网格系统。图2表示锥形方盒形件冲压加工中工具和板料的网格系统。由于对称条件，只有四分之一的方形盒件用于分析。在仿真中，板料靠着压边圈并被压边圈和模具夹紧。冲头向上移动使板料压进凹模。图2.有限元网格为了执行精确的有限元分析，要求输入金属板料的实际应力-应变关系数据。现在研究金属板料拉延仿真。拉延试验沿着试样剖面轧制方向(0)与轧制方向成45和90 的方向。平均应力用关系式计算，图3表示真实应力-应变关系，用来对锥形方盒形件和阶梯方盒形件冲压加工进行仿真。这些仿真都是用有限元分析软件PAM-STAMP在SGI Indigo 2工作站上运行。为了完成仿真必须输入一些数据，设定冲头速度为10 m s 、库仑摩擦系数为0.1。图3.板料真实应力-应变关系3锥行方盒起皱图1（a）表示锥形方盒的一些相关维数，从图1（a）可以看出,方形冲头的长度（2Wp)，凹模（2Wd)，拉深高度（H）被认为是影响起皱的重要维数。在目前的研究中，凹模和冲头尺寸的部分差异决定了模具间隙的大小，即G= WdWp。拉延壁中相对无支撑金属片的范围大致由模具间隙决定。通过增加压边力的方法，也可以抑制起皱。与在冲压锥形方盒产生的起皱相关的凹凸模间隙和压边力的效用将在下面的部分进行研究。图4.锥形方盒起皱31.凹凸模间隙效用为了检测模具间隙对起皱的影响，对锥形方盒形件进行了三中不同的模拟测试，分别是20毫米的模具间隙，30毫米的模具间隙和50毫米的模具间隙。每次模拟中，模具的凹模边长定为200毫米，高度均为100毫米。三次模拟所用的金属板料形状都是380mm380mm的正方形，厚0.7毫米。图3显示该材料的受到压力时的曲线。模拟结果表明在所有的三个锥形方盒中都产生起皱，50mm的拉深盒模拟形凹凸模间隙在图4中显示。从图4中看出起皱是分布在拉深壁上的，在拉深壁的附近的转角是最明显的。据称，在冲压过程中，拉延壁大面积的悬空区域导致了起皱，而且，由于模具间隙的影响，冲头和凹模的边长也有所不同。由于弯曲压力的存在，冲头和凹模间拉延的金属板料变得不稳定。在压缩过程中金属板料的不受约束的拉延看起来是拉延壁起皱的主要原因。为了对比三种不同模具的结果，引入了两种应力的比例，当 和 分别为主要应力和次要压力时，/,。Hosford和Caddell已指出如果的绝对值大于临界值，那么就有可能会起皱。绝对值越大，起皱的可能性就越大。图4已标出不同模具间隙的三种模拟形状中同一拉延高度MN交叉部分的值，而图5则对其进行划分。从图5可以注意到一点，三种不同模具缝隙的拉延壁上，角落区域起皱相对严重，而中间区域相对少。还留意到，模具缝隙越大，绝对值也就越大。因此，增加模具间隙将会增大锥形方盒形件拉延壁起皱的可能性。图5. 同一拉延高度MN交叉部分的值32压边力效用我们知道，在冲压过程中增加压边力有助于避免起皱。为了研究增加压边力的效果，选一个有50mm凹模的，和上面相同形状并与严重起皱有联系的冲压锥形方盒，通过施加不同的压边力进行模拟。压边力从100KN增加到600KN，分别产生了0.33MPa和1.98MPa的应力。其余的模拟所需的条件和前面部分所阐述的一样。模拟中也使用压边力为300KN的压边圈。模拟的结果显示，增加压边圈的力度并不能消除拉延壁的起皱。当冲压过程中压边力为100KN和600KN时，图4所标的交叉部分MN的值相比，值一致。为了检测两种不同压边圈的力度所引起的起皱形状的不同，图4标出了不同高度的拉延壁从底线到MN线的5个交叉部分，而图6则对这两种情况进行了划分。从图6可以注意到两种情况下的交叉部分的曲线相似。这表明压边力并不影响锥形方盒形件冲压过程中起皱的出现，因为起皱的形成主要归因于一点，就是拉延壁大面积的悬空区域，存在着大量的横向压应力。压边力不影响冲头和凹模侧壁之间材料的不稳定性。图6.压边力（a）100kN ，（b）600kN4阶梯方盒在冲压阶梯方盒时，在拉延壁甚至是凹凸模之间发生的起皱都不是那么明显。图1表示一个用来冲压阶梯方盒的冲头形状，接着是拉延壁C和台阶部分D-E。现在研究一个包含有这种几何因素的实际零件。这种零件的材料厚度为0.7mm，应力应变关系从图3所示的拉伸测试中获得。在冲压生产零件的冲床中存在一个修整后深入拉延的工序。在深入的拉延过程中，不在压料面使用拉延筋来阻碍金属材料流动。然而，由于冲头的转角半径和复杂几何形状，在冲头的顶部边缘会产生裂缝，在实际零件的拉延壁上会产生起皱，如图7所示。从图7中可以看出起皱分布在拉延壁上，但更多的是在台阶部分的转角边缘，如图1（b）所标出的A-D和B-E。沿着整个冲头顶部边缘的金属裂开，就形成了裂缝，如图7所示。图7.实际零件的褶皱为了进一步了解压边圈变形的原因，进行有限元模拟。图8表示模拟零件的形状，从图8可以看出在主要延伸部分在顶部边缘，拉延壁起皱的分布与实际拉延情况类似。冲头圆角半径是引起拉延壁破裂的主要因素，如图1（b）中标出的A-B边的圆角半径和冲头转角A的半径。然而，从有限元模拟结果看出，可以通过增加圆角半径的方法来避免出现破裂。这个设想已经由制造更大的圆角半径的零件证实。图8.模拟零件的褶皱尝试用一些方法避免起皱。其中一种是将压边力增加到初始值的两倍，然而，正如先前对锥形方盒进行拉延的研究一样，压边力对防止起皱的效果并不明显。同样的结果也可以从增加摩擦力和增加板料宽度的方法中观察到，我们断定这种起皱不能通过增加压边力的方法来排除。起皱的形成是由于板料局部区域受到很大的压缩力而有过度的金属流动。一个排除起皱的简单方法就是在起皱区域吸收多余的材料，必须在起皱位置上平行的布置拉延筋使多余的金属能有效的被吸收。基于这个设想，两个拉延筋都布置在起皱位置的拉延壁上，如图9所示。模拟的结果显示，正如所预期的一样，台阶转角处的皱纹别吸收了，而其余的拉延壁仍出现一些褶皱。这就需要在拉延壁上布置更多的拉延筋，但从零件设计的角度来考虑是不允许的。图9.在拉延壁上设置拉延筋对冲压过程运用有限元的研究的优点就是板料成形缺陷可以在冲压过程中观察到，而这在实际生产中是不可能的。板料成形过程中，板料被冲头压入凹模而还没出现起皱时在图1（b）中D-E边缘部分做记号，那起皱情况会在图10中显示出来。这就能给改进模具设计提供了有价值的信息。图10.板料接触台阶边缘时起皱引起起皱的原因最初的推测是在冲头圆角半径A和台阶圆角半径D之间不均匀的拉伸板料，可在图1（b）中观察。因此，在模具设计时在加工台阶圆角部分进行改进，如图11所示，为了能改善拉延条件，允许通过增加台阶边缘来施加更多的拉延。然而，在拉延壁仍然出现起皱现象。这个结果意味着起皱的成因是在冲头和台阶所有边缘之间进行了不均匀的拉延，并不是在冲头转角和台阶转角之间。为了证实这个观点，用两种方法改变模具形状：一是除去所有台阶，另一个是增加拉延次数，也就是用两次拉延成形操作来冲压想得到的形状。模拟成形的方法如图12所示，由于切除了低台阶，拉延过程就与拉延一个方盒的过程相似。从图中可以看出那样就可以防止起皱了。图11.台阶转角的工艺切口图12. 模拟成形在第二种拉延成形操作中，先对深层的接替金属板料进行拉延，如图13（a）所示，接着，在第二部分成形操作中拉延低层台阶，即可获得理想的形状，如图13（b）所示。从图中可以清楚地看到，通过两个拉延成形步骤制造阶梯方盒就不会起皱。但必须注意到，在两个拉延成形步骤中，如果次序相反，也就是说先拉延低层台阶再拉延深层台阶，如图1（b）所示的深层台阶的边缘就可能会破裂，因为金属难于顺利从低层台阶流入凹模。图13.（a）为第一种操作成形过程，（b）为第二种操作成形过程有限元模拟已经显示，用一次拉延的操作方法对冲压阶梯方盒的设计来说是难于实现的。然而，修改模具的加工成本要比有限元开发设计成本高，为了取得较低的制造成本，零件设计工程师应适当改变零件形状，依照图12所示的切除低层阶梯的方法有限元模拟的结果来改进模具设计。随着设计的改进，实际制造出的模具在零件生产中能避免起皱，如图14所示。零件的适合形状也可从有限元模拟中获得。为了进一步验证有限元模拟的结果，从图14中有限元模拟结果与实际生产的零件比较可知沿着横截面G-H的厚度分布，比较关系如图15所示。从图15可以看出通过有限元模拟预测厚度分布，与实际生产测量到的位置吻合，这个方案证实了有限元分析是有效的。图14.实际制造出的零件图15.模拟结果中沿G-H的厚度分布5.结论有限元分析验证了在冲压过程中产生的两种类型的起皱，测试了起皱的原因，探讨了避免起皱的方法。第一种起皱类型出现在冲压锥形方盒拉延壁上。起皱的原因是凹模侧壁长度和冲头侧壁长度不同而存在的凹凸居间隙，当金属被压入凹模时，凹凸模间
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