半椭圆工件渐进折弯非均匀回弹翘曲形成机理

半椭圆工件渐进折弯非均匀回弹翘曲形成机理

多通道板的渐进式折叠形成方法是一种柔性的板材料形成工艺。将工作表面上的工艺表面切分化，将工作表面上的几何信息转换为一系列单通道的弯曲参数，并通过计算机数字控制每条指令的进给量和凸模的加压位移参数来渐进式制造高精度工作表。然而，在每个角度的弯曲形成中，不可避免地会出现弯曲变形的现象，反射角的变形是不均匀的。不可避免地，这些工作场所不可避免地会出现弯曲变形的缺陷。在这项研究中，作者使用了基于神经网络预测、量纲分析和矩阵闭合环控制的迭代补偿补偿方法，建立了基于不同形状的修正方法，如凸模型半径、模型间隔、凹模型开口、凸模型下的位移、板料和模型材料的特性等。然而，上述模型仅适用于工作台弯曲的均匀性，并且上述许多形状参数对旋转后板的不均匀迁移率的影响没有进一步探讨。目前，国内外关于非均匀板弯曲回波的研究很少。因此，在本研究中，最重要的任务是对行业内不同数量的弯曲和变形进行非均匀迁移率。工件的翘曲变形是板材多道次渐进折弯成形中最难控制的一种成形缺陷,因为工件翘曲变形不仅涉及到折弯板材整体不均的力学性能因素,而且主要与每一道次折弯处出现不均匀回弹有关.可见如何有效控制不均匀回弹对消除工件翘曲缺陷来说是最为重要的一环.由于大尺度工件实验成本太高,故用传统的“试错”迭代法来消除翘曲变形将受到限制.因此,为了减小实际成形的实验次数、及有效消除工件翘曲变形缺陷,本文尝试建立基于ABAQUS有限元分析平台的大尺度U形工件的多道次渐进折弯成形有限元模型,数值模拟板料每一道次折弯非均匀回弹全过程.并通过与实验相结合研究,找寻消除非均匀回弹翘曲变形缺陷的有效方法,达到高品质高精度成形制造大尺度U形板材零件的目的.1数值模拟理论1.1abaqus/op-本构模型的模拟板料折弯回弹是凸模卸载后,未参与塑性变形板材的弹性回复,可以把回弹过程假想成没有模具参与的过程,不考虑模具与板料间的非线性接触;基于回弹过程变形量相对成形过程要小得多,由大位移、大转动和大变形引起的几何非线性也明显减弱,所有这些为隐式算法在回弹计算中的应用提供了必要的条件.为此采用适合动态和非线性分析的ABAQUS/Explicit显式模块模拟板料成形过程,适合静态和稳态分析的ABAQUS/Standard隐式模块模拟板料的回弹翘曲过程.由于ABAQUS/Explicit运行中任何时间点的成形结果皆能被当作初始条件导入到ABAQUS/Standard中继续进行计算、分析其回弹结果,反之亦然.因此ABAQUS算法非常适合非均匀回弹的非线性累加所致的工件成形缺陷数值模拟.1.2材料的屈服准则有限元模拟的准确性很大程度上取决于材料的本构关系能否真实地反映材料的真实特性.因此,使用恰当的材料模型和真实的材料力学特性参数,是回弹模拟准确与否的重要因素.由于本文研究的大幅面金属板材具有明显的各向异性,目前有限元软件中一般采用Hill48和Barlat89各向异性屈服准则.Hill48各向异性屈服准则在描述ˉrr¯(各向异性系数)值较大(ˉr>1)(r¯>1)的金属钢板的各向异性行为时比较准确,而Barlat各向异性屈服准则能精确描述ˉrr¯较小(ˉr<1)(r¯<1)的铝合金板料的屈服行为.遵循上述规则,本文数值模拟采用Hill各向异性屈服准则.Hill50提出了用一个二次屈服函数来描述各向异性材料的塑性行为.其屈服函数如下:ψ(σij)=F(σyy-σzz)2+G(σzz-σxx)2+Η(σxx-σyy)22Lτ2yz+2Μτ2zx+2Ντ2xy=2ˉσe2.(1)ψ(σij)=F(σyy−σzz)2+G(σzz−σxx)2+H(σxx−σyy)22Lτ2yz+2Mτ2zx+2Nτ2xy=2σ¯e2.(1)式中:F,G,H,L,M,N表示为各向异性瞬态特征参数;σxx,σyy,σzz分别为正交对称应力轴(x、y、z)上的单向拉伸屈服应力;τyz,τzx,τxy分别为yz-,zx-,xy-坐标平面上的剪切屈服应力;ˉσeσ¯e是等效应力.要完整描述一个单元体中的各向异性状态,就需要知道各主轴的方位以及六个互相独立的屈服应力值.迄今还不能把屈服应力与微观结构(如择优方位的程度)联系起来,因此,只能通过实验来确定材料各向异性系数.经拉伸试验可得到材料各向异性系数(ˉr)‚r0、r45、r90分别为相对于冷轧方向0°、45°、90°的各向异性参数,其关系式为ˉr=r0+2r45+r904.(2)根据式(1),省去高价项和忽略剪切效应的影响,Hill各向异性理论的屈服条件与各向异性系数(ˉr)之间的关系可表示为ψ(σij)=σ2xx+σ2yy-2ˉr1+ˉrσxxσyy+21+ˉr(σ2zz-σxxσzz-σyyσzz)-ˉσe2=0.(3)1.2.1应变率的形式对于板料折弯成形过程,如采用平面应力假设,即σzz=0,简化上式得到σ2xx+σ2yy-2ˉr1+ˉrσxxσyy-ˉσe2=0.(4)依据如上屈服准则、ˉσe为一常量,得到率形式的本构方程⋅εpii=∂ˉσe∂σii⋅εpei=x,y.(5)⋅εpii是塑性应变率分量,⋅εpe是等效塑性应变率,并且有⋅εpe=(1Et-1E)ˉσe.(6)式中:Et为切向模量,E为弹性模量.1.2.2材料本构方程对于板料折弯成形过程,如采用平面应变假设,即εxx=0,使得dεxx=dλ∂ψ(σij)∂σxx=0(dλ是一系数).与式(3)组合求解得到ˉσe,其表示为ˉσe=√1+2ˉr|σxx-σyy|,(7)ˉσe=√1+2ˉr1+ˉr|σyy-σzz|.(8)根据塑性功公式,等效应变可由下式表示:ˉεe=1+ˉr√1+2ˉr|εyy|.(9)根据非线性随动硬化模型,等效应力与等效应变的关系表示为ˉσe=Κ(ˉε0+ˉεe)n.(10)式中:ˉε0为初始应变,ˉεe为等效应变.将式(9)和式(10)代入式(7)和式(8),可求解σyy,σzz,ˉσe和ˉεe.上述材料本构方程乃大幅面钢板渐进折弯成形模拟的理论基础.由于本文研究的折弯工件长达12m,类似于窄长的水坝,可视为平面应变问题.因此,随后的大尺度工件成形缺陷数值模拟拟采取基于平面应变的Hill屈服准则.2工艺鼓的倾斜变形2.1实验模拟验证图1工件(长11716mm、高765mm,其截面半椭圆长轴为755mm、短半轴为325mm)是由表1编号1的折弯模具及工艺方法成形的,工件出现鼓形翘曲.从理论分析可知,工件折弯时需加载凸模冲压力,冲压力越大机床床身变形就越大.依据URSVKEN2200-t型折弯机用户手册,冲压力按下式计算:F=k×t2×σ×L/W.(11)式中:F为折弯力(N),t为板厚(mm),σ为抗折强度(N/mm2),L为折弯长度(mm),W为凹模开口(mm),K是折弯系数.K系数根据设备用户手册选取,如表2所示.很显然,表1编号1中因凹模小开口就需要大的折弯冲压力,而大折弯力会引起机床床身在纵深方向有程度不一的变形,因此机床变形是工件鼓形翘曲的主要原因.下面用工件成形实验与精确模拟两方面加以论证.首先实测板材每道次折弯时折弯机床身的变形量,用三个百分表固定在折弯机独立的静止不动的板材后架平台,检测点位于折弯机床身长度方向三等分处,如图2所示.连续记录23道折弯的床身变形量,取其平均值.图2中三个均布百分表的测量值只能近似描述折弯机床身长度方向的变形状况,需通过实验测量值结合应变场模拟绘制出接近真实的折弯机床身变形曲线图.应变场模拟是在ANSYS/Workbench分析平台上进行,均布的折弯冲压载荷由表3板材参数、表1中编号1的模具参数及式(11)求解.为提高模拟精度,采用六面体单元对床身凹模进行网格划分,材料特性按折弯机手册要求选用Cr12MoV模具钢,并依凹模装配的实际情况进行边界条件约束,变形模拟结果如图3所示.图3中A、B、C三点位置与图2中三个百分表的测量点位置是一致的,A、B、C三点位置的模拟变形量(1.95mm、1.16mm、1.15mm)与百分表实测数值(1.97mm、1.13mm、1.14mm)几乎相同.因此可取凹模几何中心线上有限元节点的变形值绘制变形曲线,构建实际折弯冲压情况下的凹模模型,用于随后工件的成形缺陷数值模拟.2.2形貌结构模型的模拟结果选取牌号为WELDOX900的金属钢板,表3为其材料力学性能.在有限元模型中,板材壳单元为ABAQUStypeCPE8R,称为八节点四边形降阶减缩积分平面应变单元,板材为变形体.凸凹模为解析刚体.金属板与凸凹模接触条件遵循主从面搜寻算法、罚函数接触力算法及库仑摩擦定律,板材与凸模之间及板材与凹模之间的摩擦系数设置为0.12.板材成形采用基于平面应变假设的Hill各向异性屈服准则材料模型.图4是采用实测的变形凹模成形工件后工件鼓形翘曲缺陷的模拟结果,经检测与实际成形工件的平均误差为+0.785/-0.693mm,非常接近实际工件的鼓形翘曲变形情况.接下来采用数值模拟和理论研究相结合的方法,研究板材渐进折弯成形过程中鼓形翘曲的形成机理.图5所示为工件鼓形翘曲模拟过程中第三道次折弯的应力分布,图6显示的是第三道次折弯过程中的应变分布.图5中板材两端F、G区域的残余应力很大,而中部E区域残余应力很小.表明两头比中部的应力释放要小得多,显然两头比中部的弹性回复要小得多.此外,板料H区域也有未释放的残余应力分布,这正是板料两头回弹释放小、中部回弹释放大时挤压弯曲造成的.图6中板材两端O、Q区域的等效应变很大,而中部P区域应变很小.表明两头的塑性应变大、弹性回复小,中部塑性应变小、弹性回复大.如此每一道次折弯后,工件两头产生的永久塑性变形比中部区域要大,经多道次折弯累加后就形成两头窄中间鼓的翘曲现象.综上所述,工件鼓形翘曲的主要原因是折弯机床身变形后引起的折弯处板料不均匀回弹造成的.3实验模拟与结果分析在上章节已经通过工件成形实验及数值模拟论证了成形冲压力造成折弯机床身变形是工件鼓形翘曲的根本原因.故传统的小凸模、凹模小开口、多道次的加工方法因使折弯机床身变形过大而不便采用,取而代之的是采用使折弯机床身变形减小的大凸模、凹模大开口、少道次的成形方法.按这一思路,本文依据工件尺度大小及成形设备的许可条件,规划设计了表1编号2的成形工艺.在实验基础上,研究一种非常实用有效的工件鼓形翘曲变形消除方法.折弯机床身凹模变形模拟采用ANSYS/Workbench平台,均布的折弯冲压载荷由表3板材参数、表1中编号2的模具参数及式(11)求解,模拟方法同2.1章节.取凹模几何中心线上有限元节点的变形值绘制变形曲线,并通过镜像得到相反的变形补偿曲线,用于实际工件成形时凹模的挠度补偿.如图7所示,图中17个点是床身凹模挠度补偿油缸所在位置,17个油缸的顶起的位移值由变形补偿曲线获取.图8是经凹模挠度补偿后在URSVKEN2200-t型折弯机上成形加工的一半椭圆U形工件,该工件长11638mm、高655mm,其截面半椭圆长轴为705mm、短半轴为315mm.图中显示工件平直、成形表面光滑、翘曲变形完成消除.取该成形工件长500mm段经Atos-II型三维激光扫描仪测量得到的点云模型与目标工件的CAD模型导入到GeomagicQualify软件中进行配准,结果显示工件的平均误差为+0.573/-0.493mm,如图9所示.制造结果表明,工件的成形误差完全满足形位精度要求.4大尺度工件成