基于數值模擬的拉深成形質量評價方法

雷曉燕，李 健內蒙古機電職業技術學院，內蒙古呼和浩特 010051

0 引言

針對板料拉深成形的有限元數值模擬技術已日趨成熟，模擬過程中的拉深件成形質量判據主要有3種，即拉深件表觀質量檢驗、網格畸變程度檢查和成形極限圖分析。拉深件表觀質量檢驗精度較差，且帶有明顯的主觀性；網格畸變程度檢查和成形極限圖分析均需復雜的數學處理，使用極為不便。鑒此，本文根據拉深成形的特點結合有限元分析方法，提出了一種更為簡單有效的評價方法，即采用板料的最大厚度與最小厚度差值Δt作為拉深成形質量好壞的評價指標。

1 厚度差 ⊿t的提出及其意義

板料拉深成形前和拉深成形后的形狀如圖1所示。圖2給出了典型拉深成形過程中從板料中心到凸緣各單元沿路徑OA的厚度變化規律。圖2中平臺段a對應圖1(b)中的底部區域a，拉深成形過程中該區域的板料厚度幾乎沒有變化；谷值b對應圖1中拉深件筒底圓角區域b，此處厚度減薄很大；峰值c對應圖1（b）中筒部邊緣c，此處板料厚度最大。

拉深成形過程中，起皺和拉裂是最常見的缺陷。起皺現象可以認為是板料在該處的厚度大于某一厚度值twri；而破裂可以認為板坯在該處的厚度小于某一厚度值tcra。設板坯厚度的最大值與最小值分別為tmax與tmin，最大厚度與最小厚度的差值△ t＝ tmax－ tmin。

如果板坯經過拉深成形后同時出現起皺和拉裂，則tmax≥twri且 tmin≤tcra。顯然板料既未起皺又未開裂的厚度值t滿足不等式tmin＞t＞tmax。此時，板料最大厚度差△t1＝tmax－tmin，且△t1≥△t0＝twri－tcra，等號是起皺和破裂剛好發生的情況。

如果板坯經過拉深成形后只存在起皺或是破裂一種情況，則有 tmax≥twri且 tmin＞tcra或 tmax＜ twri且tmin≤ tcra，此時的最大厚度差值△t2＝tmax－tmin，△t2≤△t1，等號是起皺或破裂剛好發生的情況。

如果板坯經過拉深成形后不存在起皺和破裂現象，則tmax＜twri且tmin＞tcra，此時厚度差值△t3＝tmax－tmin＜△t2≤△t1。即有△t3＜△t2≤△t1。

如果拉深成形件不存在起皺和破裂缺陷就可以得到良好的成形件，而同時存在起皺或破裂缺陷是拉深成形的最差情況。綜上所述，用板坯拉深成形后的厚度最大值與最小值的差值△t作為評價成形質量是可行的。△t值越大則拉深件的缺陷就越明顯，可以認為成形質量越差；△t值越小則拉深件出現缺陷的傾向就越小，可以認為成形質量越好。有限元分析結果可以很方便地讀出板坯的厚度值，相應地差值△t也很容易求出。

2 數值模擬過程中的應用

2.1 幾何模型

TA2板筒形拉深件所用的毛坯厚度為1mm。采用Ansys/LS-DYNA單元類型中的163號殼單元進行模擬分析，模具和板坯均可簡化為面。板坯采用圓形毛坯、厚度均勻，板料和凸、凹模形狀均為軸對稱。分析模型可簡化為整體模型的四分之一，如圖3所示。

圖3 幾何模型

2.2 加載路徑的定義

凸模速度加載時，速度載荷必須與時間對應。為了防止動態效應，初始速度和結束速度均取0值，速度載荷隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 速度載荷曲線

3 結果分析

圖5 無缺陷時板料厚度隨載荷步變化的最大值與最小值及△t

圖6 存在起趨現象時板料厚度隨載荷步變化的最大值與最小值以及△t

圖7 存在裂紋現象時板料厚度隨載荷步變化的最大與最小厚度分布以及△t

圖8 3種情況下隨載荷步變化的△t分布

4 結論

1）采用板坯的最大厚度與最小厚度之差△t作為零件成形質量的評價指標具有可行性；

2）對于1mm厚的TA2工業純鈦板料，當拉深速度為1m/s時，拉深件不產生缺陷，此時最大厚度約為1.2mm，最小厚度約為0.9mm，最大與最小厚度差約為0.3mm，厚度差Δt是原板厚的30%。

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