多點成形中抑制壓痕的數(shù)值模擬

楊建鳴 馮秀娟 郝 潔 任振中 馬琴芳

(內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

多點成形技術(又稱無模多點成形)是用高度可調(diào)的沖頭群體代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具進行板材曲面成形的又一先進制造技術。無模多點成形系統(tǒng)以CAD/CAM/CAT技術為主要手段，快速經(jīng)濟地實現(xiàn)三維曲面的自動成形，是金屬板料三維曲面成形的一種柔性加工方法。取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設計、制造、調(diào)試和減少所需人力、物力和財力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力，在汽車、船舶和航空工業(yè)中具有廣泛的應用前景。但是由于板料在多點成形過程中易產(chǎn)生壓痕，使成形精度難以保證。因此，為了使多點成形技術實用化，對壓痕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及抑制方法進行研究具有非常重要意義［1］。

1 壓痕缺陷

板材多點成形中，基本體對板材接觸使得板材變形。基本體一般都采用球形面，與板材的接觸面積只有很小的一小部分，導致接觸壓力較大。在成形的過程中，當板材變形條件不理想時，在二者接觸點附近小區(qū)域內(nèi)將會形成明顯的壓痕缺陷［2］。這種缺陷主要有兩種表現(xiàn)形式：表面壓痕和包絡式壓痕。表面壓痕是成形時基本體壓入板材時在板材的表面形成凹痕，這種壓痕主要集中在板材與基本體接觸的區(qū)域內(nèi)，是局部的變形，橫向應變較大，縱向應變較小，如圖1a所示。包絡式壓痕與表面壓痕相反，是一種局部拉深的變形。主要發(fā)生在板材的縱向變形，形成基本體形狀的凹下或凸起，如圖1b所示。

抑制多點成形中壓痕缺陷的最有效方法是采用彈性墊，它可以分散沖頭對板料的集中載荷，使受力趨于均勻，得到表面光滑的工件，可以有效地抑制壓痕的產(chǎn)生，但是使多點成形過程數(shù)值模擬變得更加復雜。本文針對彈性墊不同參數(shù)對壓痕的影響進行數(shù)值模擬。

2 有限元模型

本文采用動態(tài)顯式有限元軟件LS-DYNA，以球形件為例，對球形面進行基本體調(diào)形，針對其多點成形過程中壓痕現(xiàn)象，使用不同參數(shù)的彈性墊進行多點成形過程的數(shù)值模擬，并對模擬結果進行了系統(tǒng)的分析，可為改善板材多點成形質量，確定合理的工藝參數(shù)奠定基礎。多點成形模擬過程選用08Al鋼板，鋼板密度為7845 kg/m3，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3，屈服應力為128.5 MPa，板材長寬為48 mm×48 mm。為抑制壓痕的產(chǎn)生，在板料上下兩側分別放置了彈性墊，彈性墊為聚氨酯材料，簡化為線性彈性模型，彈性模量取為100 MPa、10 MPa、200 MPa，泊松比為 0.4，密度為1150 kg/m3。因為殼單元可以同時考慮薄膜效應和彎曲效應，而且結果精度和計算速度都比三維實體單元好，所以本文采用四邊形殼單元SHELL163 BWC對工件進行劃分，各基本體則采用四邊形殼單元SHELL163 BT，彈性墊使用四面體單元來劃分［3］。考慮到總體的對稱性，建立模型時僅取總體的1/4。基本體的網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。圖3為基本體調(diào)形前后、有無彈性墊的1/4有限元模型及整體有限元模型圖。

3 數(shù)值模擬結果

有限元模型建立完以后，對模型施加約束和載荷使上基本體群以3 mm/ms的速度向下運行。通過LS-DYNA軟件的數(shù)值模擬，可知彈性墊對壓痕抑制作用明顯，如圖4所示，a、b為未使用彈性墊的應變圖，可以看出板料中間有明顯的壓痕；c、d為使用彈性墊的應變圖，板料中間無壓痕產(chǎn)生。進一步數(shù)值模擬得知同一彈性模量不同厚度的彈性墊，彈性墊厚度增加，板料最大厚向應變越小，使用3 mm厚的彈性墊時板料最大應變?yōu)?.001158 mm如圖5a所示，使用5 mm厚的彈性墊時板料最大應變?yōu)?.000967 mm如圖5b所示，使用10 mm厚的彈性墊時板料的最大應變?yōu)?.000773 mm如圖5c所示，圖中黑色部分是最大變形處；同一彈性墊厚度不同彈性模量比較如圖6。圖6a為彈性墊彈性模量為10 MPa時候的應變圖，最大應變?yōu)?.001158 mm，圖6b為彈性墊彈性模量為100 MPa時候的應變圖，最大應變?yōu)?.000871 mm，圖6c為彈性墊彈性模量為200 MPa時候的應變圖，最大應變?yōu)?.000794 mm。使用5 mm、10 mm彈性墊不同彈性模量及100 MPa、200 MPa彈性模量不同彈性墊厚度時板料的成形結果對比如表1所示。

表1 使用不同彈性墊時的成形結果對比

4 結語

通過對板材多點成形中壓痕產(chǎn)生的原因及主要影響因素的分析，提出了使用彈性墊抑制壓痕產(chǎn)生的方法［4］。數(shù)值模擬結果得出使用不同彈性墊對壓痕的影響有如下規(guī)律：

(1)當彈性墊厚度小時，對壓痕的抑制作用較小，會有壓痕產(chǎn)生，彈性墊厚度越來越大，壓痕深度越來越淺，壓痕的數(shù)量也越來越小，彈性墊厚度較厚時，對壓痕缺陷的抑制作用明顯；但彈性墊較厚時，對成形精度有影響，主要是由于彈性墊自身變形不均勻；

(2)當彈性墊彈性模量越大時，對壓痕的抑制作用越明顯；但是彈性模量小時，即使增加彈性墊厚度，對壓痕的抑制作用也不明顯；彈性模量大的彈性墊，隨著其厚度的增加對壓痕的抑制作用明顯增大。

［1］蔡中義，李明哲，閻雪萍，等.板材多點成形過程數(shù)值模擬的研究［J］.塑性工程學報，2001，8(4)：47-51.

［2］劉純國，蔡中義，李明哲.多點成形中壓痕的形成與控制方法［J］.吉林大學學報：工學版，2004，34(1)：91-96.

［3］周朝暉.多點成形中彈性墊作用的數(shù)值模擬研究［D］.長春：吉林大學，2006.

［4］李雪.薄板多點成形過程的數(shù)值模擬及成形性分析［D］.長春：吉林大學，2004.