拉深筋结构参数对变形及阻力的影响

1、第15卷第2期2008年4月塑性工程学报J OU RNAL OF PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol 115No 12Apr 12008拉深筋结构参数对变形及阻力的影响3(燕山大学机械学院,秦皇岛066004金淼郭宝峰李群摘要:文章通过数值模拟与实验相结合的方法,以A5757铝合金板材为对象,系统地研究了拉深筋的主要结构参数对拉深筋阻力及通过拉深筋后板厚减薄量的影响,从力能特性及变形两个方面对拉深筋进行了对比分析。研究结果表明,拉深筋结构参数对拉深筋阻力及板厚减薄量的影响趋势相同,而拉深筋圆角半径对板厚减薄量的影响远大于对拉深筋阻力的影响。并以此为基础,对拉深筋的设计

2、调整策略进行了讨论,为拉深筋的设计调整提供了理论依据和实验数据。关键词:拉深筋;变形;阻力;板料成形中图分类号:T G 38613文献标识码:A 文章编号:100722012(2008022*The effect of dra wbead dimension parameters on thereduction in thickness and DBRFJ IN Miao GUO Bao 2feng L I Qun(College of Mechanical Engineering ,Yanshan University ,Qinhuangdao 066004China Abstract :T

3、he drawbead restricting force (DBRF and the reduction of thickness of sheet through drawbead affected by main di 2mension parameters of drawbead is studied by FEM simulations and experiments with A5757A 2alloy sheet.And drawbead is dis 2cussed in terms of DBRF characters and deforming.The results sh

4、ow that the influence tendency of DBRF and the reduction of thickness with drawbead dimension parameters are consistent.However ,the effect of changing corner radius of the drawbead on the reduction in thickness is much larger than that on DBRF.Then the adjusting strategies of drawbead dimension par

5、ameters are discussed that provide the theoretic analysis and experiment data for drawbead design and adjustment.K ey w ords :drawbead ;deforming ;DBRF ;sheet forming3国家自然科学基金资助项目(50305031。金淼E 2mail :jmiao ysu 1edu 1cn作者简介:金淼,男,1968年生,浙江省嘉兴市人,燕山大学,教授,博士,主要从事板料成形方面的研究工作收稿日期:2007209212引言拉深筋是拉深模具的重要组成部

6、分,是复杂及难成形零件拉深工艺的主要控制手段,在实际生产中广泛应用,是大型模具设计和制造中的关键技术。有关拉深筋的研究工作正日益受到工业及学术界的重视。设置拉深筋的目的在于利用拉深筋的阻力来控制板料成形时的边界条件,获得适当的拉深筋阻力是拉深筋设计和调整的核心工作,因此对于拉深筋的研究工作也主要集中在这一方面123。目前对拉深筋阻力、夹持力等关键力能参数的形成机理、构成及影响因素等方面的研究工作已较为系统,并开始对拉深筋的现代设计方法进行探讨426。由于板料在拉深筋中的变形较为复杂,存在多次反复的弯曲和反弯曲变形,板料通过拉深筋后其板厚会有较大的减薄,材料的塑性性能也会有相应的变化,这些因素同

7、样会对拉深成形工艺产生较大的影响。而有关这一方面的研究现较为薄弱,尚处在起步阶段728。本文利用数值模拟与实验相结合的方法对A5757铝合金板通过拉深筋的过程进行了系统的研究,详细分析了拉深筋的主要结构参数对拉深筋阻力及板料通过拉深筋后板厚减薄量的影响规律,以期加深对此物理过程的认识,从变形和力能参数两个方面为拉深筋的设计与调整提供理论依据及基础实验数据。1实验方案及数值模拟模型本文采用的实验装置如图1所示,拉深筋及凹槽圆角均采用镶块结构,可以方便地更换。该套装置可测试不同尺寸参数下的拉深筋阻力和夹持力。实验中采用定间隙刚性压边,机油润滑。实验用的材料为A5757铝合金板,性能如表1所示,试件

8、尺寸为400mm ×50mm ×1mm 。图1实验装置简图12底座;22板料;32垫块;42副压头;52应变片;62上模座72主压头;82垫块;92拉深筋;102凹槽圆角;112凹槽座Fig 11Experiment fixture of drawbead表1板材性能Tab 11Plate mechanics performance材料s /MPab /MPa/%n rA575711022619013140153数值模拟模型如图2所示,在数值计算中采用平面应变大变形弹塑性有限元模型,其中板料为弹塑性变形体,压边圈、拉深筋及凹槽视为刚性体。板料与模具之间采用库仑摩擦定律计算摩

9、擦力,摩擦系数取为011。图2模拟计算模型12板料;22压边圈;32凹槽前圆角r 142拉深筋圆角R ;52凹槽后圆角r 2Fig 12Simulation model of circle drawbead2拉深筋尺寸参数的影响为使所得结果更具有普遍性,将拉深筋阻力换算为阻力系数Z F ,其确定方法如下Z F =F ZA ×b(1式中Z F 拉深筋阻力系数A 板材的截面积b 板材的强度极限拉深筋的高度采用拉深筋高度系数C h 表示3,圆角半径采用相对圆角半径(即圆角半径与板厚的比来表示C h =Hmax r 1,r 2+R +t(2式中H 拉深筋高度R ,r 1,r 2拉深筋各圆角半

10、径(见图2t 板厚211拉深筋高度的影响图3和图4是通过实测和数值模拟两种方法获得的拉深筋阻力系数及板厚减薄量与拉深筋高度系数间的关系。实线和虚线分别为实验数据和模拟结果的拟合线(下同。实验和模拟结果均表明,拉深筋阻力及板厚减薄量与拉深筋高度之间均存在着较好的线性关系,而且变化趋势相同。当筋高系数C h 由0155增大至110时(增大了8118%,实验所得拉深筋阻力系数由01295增大至01402,增大了3613%,而板厚减薄量则由715%增大至1115%,增大了5313%;数值模拟结果为拉深筋阻力系数由01283增大至01355,增大了2515%,而板厚减薄量则由8101%增大至11101%

11、,增大了3715%。图3拉深筋阻力与筋高的关系Fig 13Relation between DBRF coefficientand drawbead height显然,随着拉深筋高度的增加,拉深筋阻力会增大,但板料通过拉深筋后的减薄量也会同步增大。值得注意的是,板厚减薄量随拉深筋高度的增加幅度大于拉深筋阻力的增大幅度,前者是后者的1135倍。可见筋高对板厚减薄量的影响大于对拉深筋阻力的影响。601塑性工程学报第15卷 图4板厚减薄量与筋高的关系Fig14Relation between reduction in thicknessand height of drawbead212拉深筋圆角半径

12、的影响图5和图6是通过实测和数值模拟两种方法获得的拉深筋阻力系数及板厚减薄量与各圆角半径间的关系曲线。拉深筋各圆角半径变化对拉深筋阻力及板厚减薄量的影响趋势是相同的,均可用式(3所示的负幂指数函数较好的进行拟合。图5拉深筋阻力与圆角半径的关系Fig15Relation between DBRF coefficientand corner radius of drawbead图6板厚减薄量与圆角半径的关系Fig16Relation between reduction in thicknessand corner radius of drawbeadF(x=ax-e(3式中F(x拉深筋阻力系数或板

13、厚减薄量a,e拟合系数x圆角半径表2列出了实验和模拟所得各圆角半径对拉深筋阻力系数及板厚减薄量影响规律拟合曲线的拟合系数。表2拟合系数表Tab12Curve fitting coefficients拉深筋阻力系数板厚减薄量实验结果模拟结果实验结果模拟结果a e a e a e a e上述图表和数据显示,拉深筋各圆角对拉深筋阻力及板厚减薄量的影响大体相当,当相对圆角半701第2期金淼等:拉深筋结构参数对变形及阻力的影响径由10减小至2时,拉深筋阻力系数的变化范围大约为0129501469之间,变化幅度为5819%。而板厚减薄量的变化范围约为7158%18168%时,变化范围约为14616%。可见

14、拉深筋圆角半径对拉深筋阻力及板厚的影响较筋高大,同时其对板厚的影响远大于对拉深筋阻力的影响。由于圆角半径对拉深筋阻力及板厚减薄的影响是非线性的,圆角半径越小则影响越大。当相对圆角半径由5减小至2时,拉深筋阻力系数约由01355增大至01469,占总变化量的6514%;而板厚减薄量则由11101%增大至18168%,占总变化量的6910%。该结果表明,拉深筋圆角对阻力及板厚的影响在相对圆角半径小于5时十分显著,大于5后影响力明显降低。尽管拉深筋的3个圆角对拉深筋阻力及板厚减薄的影响趋势及幅度基本相当,但它们间又有一定的区别。从对拉深筋阻力的影响上看,r1圆角较其他两个圆角略大,而r2圆角的影响最

15、小。从对板厚减薄量的影响上看,r1的作用相对略小,R与r2圆角的影响程度基本相当。3半圆形拉深筋的设计和调整策略由上述实验和模拟结果可知,拉深筋高度与拉深筋阻力之间存在较好的线性关系,且其对拉深筋阻力的影响幅度也较大,可达到35%以上,尽管增大筋高也会导致板厚减薄量的加大,但与圆角半径相比其影响较小。同时在覆盖件模具中拉深筋多采用镶嵌结构,调整筋高也较为方便易行。因此,利用筋高在较大范围内调整拉深筋的阻力,是拉深筋阻力调整时的首选方案。由于组成半圆形拉深筋的3个圆角对拉深筋阻力及板厚减薄量的影响趋势与程度大致相当,因此修正任一圆角对板料成形工艺的影响效果相差不大,可根据实际情况选择较为方便易行

16、的圆角进行修正。由于圆角半径对拉深筋阻力及板厚减薄量的影响是非线性的,近似于负幂指数分布。选用较小的圆角半径,固然可以获得较大的拉深筋阻力,但应当注意到,其是以板厚减薄量急剧加大为代价的,这一点在设计和调整拉深筋时,应当予以充分考虑。4结论1拉深筋阻力及板厚减薄量与拉深筋高度之间存在着较好的线性关系,与各圆角半径间呈负幂指数关系。2拉深筋的主要结构参数,对板厚减薄量的影响均大于对拉深筋阻力的影响。3增大拉深筋阻力时,应首先考虑增大拉深筋高度;减小拉深筋阻力时,应首先考虑增大组成拉深筋的各圆角半径。参考文献1余海燕,陈关龙,张卫刚等.板料成形技术中拉深筋的研究进展J.塑性工程学报,2004.11(3:772812丁国,王志恒.环形拉深筋阻力计算及影响因素分析J.塑性工程学报,2000.7(4:452483金淼,郭宝峰,李硕本等.半圆形拉深筋尺寸参数对其阻力的影响J.塑性工程学报,2003.10(1:32235 4郑刚,李光耀,孙光永等.基于近似模