多點成形中抑制壓痕的數值模擬

楊建鳴 馮秀娟 郝 潔 任振中 馬琴芳

(內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭 014010)

多點成形技術(又稱無模多點成形)是用高度可調的沖頭群體代替傳統模具進行板材曲面成形的又一先進制造技術。無模多點成形系統以CAD/CAM/CAT技術為主要手段，快速經濟地實現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。取代傳統的整體模具，節省模具設計、制造、調試和減少所需人力、物力和財力，顯著地縮短產品生產周期，降低生產成本，提高產品的競爭力，在汽車、船舶和航空工業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，對壓痕現象產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域內將會形成明顯的壓痕缺陷［2］。這種缺陷主要有兩種表現形式：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域內，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生，但是使多點成形過程數值模擬變得更加復雜。本文針對彈性墊不同參數對壓痕的影響進行數值模擬。

2 有限元模型

本文采用動態顯式有限元軟件LS-DYNA，以球形件為例，對球形面進行基本體調形，針對其多點成形過程中壓痕現象，使用不同參數的彈性墊進行多點成形過程的數值模擬，并對模擬結果進行了系統的分析，可為改善板材多點成形質量，確定合理的工藝參數奠定基礎。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。基本體的網格劃分結果如圖2所示。圖3為基本體調形前后、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，板料中間無壓痕產生。進一步數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為0.001158 mm如圖5a所示，使用5 mm厚的彈性墊時板料最大應變為0.000967 mm如圖5b所示，使用10 mm厚的彈性墊時板料的最大應變為0.000773 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，最大應變為0.001158 mm，圖6b為彈性墊彈性模量為100 MPa時候的應變圖，最大應變為0.000871 mm，圖6c為彈性墊彈性模量為200 MPa時候的應變圖，最大應變為0.000794 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生的方法［4］。數值模擬結果得出使用不同彈性墊對壓痕的影響有如下規律：

(1)當彈性墊厚度小時，對壓痕的抑制作用較小，會有壓痕產生，彈性墊厚度越來越大，壓痕深度越來越淺，壓痕的數量也越來越小，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值模擬及成形性分析［D］.長春：吉林大學，2004.