彎梁沖壓成形極限和壁厚分布研究

王興元，謝秉順，艾國平，盧文壯

(1.南車南京浦鎮車輛有限公司工業化部，江蘇 南京 210031；2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 前言

城市軌道車輛上彎梁零件屬于復雜薄壁件沖壓成形件，其成形過程難于控制，成形過程中容易產生起皺、破裂、局部壁厚變化過大等成形缺陷，嚴重影響制品品質。成形極限是板材成形領域中重要的性能指標和工藝參數，反映了板材在塑性失穩前所能取得的最大變形程度[1-2]。成形極限圖( forming limit diagram, FLD)為方便地研究板材成形極限、評價板材成形性能及解決板材成形領域中眾多難題提供了技術基礎和實用判據[3]。為了研究工藝參數對某城市軌道車輛上彎梁零件成形極限和壁厚變化的影響，減小起皺、破裂、局部壁厚變化過大等成形缺陷，本文采用板料沖壓成形仿真軟件Dynaform研究了工藝參數對彎梁成形極限和壁厚變化的影響，預測缺陷部位，以期為大型薄壁沖壓件的工業生產提供有效的理論指導。

1 有限元模型

研究對象為某型號城市軌道車輛車廂彎梁零件，成形工藝采用模具沖壓成形。彎梁成形板料厚度為2mm的Q355GNH高耐侯結構鋼板材，Q355GNH的彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比ν=0.29，密度7.8×103kg/m3，下屈服強度σs=355MPa，抗拉強度σb≥600MPa，強化系數k=320，硬化指數n=0.21，應變率參數c=40，p=5。

彎梁的成形分析幾何模型是在Pro/E中建立，幾何模型包括模具和小彎梁零件兩個部分。在彎梁沖壓成形有限元仿真分析中采用BelytSChko—Wong—Chiang薄殼單元[4]。根據成形分析要求，有限元模型中模具模型定義為剛性板，彎梁模型為實體模型。綜合考慮計算精度和計算時間，彎梁成形用毛坯板料采用精細的網格劃分，沖壓模具采用剛體材料模型，其網格劃分采用細密網格。網格劃分后的彎梁成形分析有限元模型如圖1所示。

圖1 彎梁成形分析的有限元模型

根據相關理論可知，模具與成形零件之間的摩擦系數、沖壓速度是影響成形的最主要工藝參數[5]，本文針對彎梁零件成形的實際工藝條件，數值模擬中摩擦系數μ選擇0.1，0.13，0.15，沖壓速度v選擇200mm/min，1000mm/min，2000mm/min。

2 彎梁成形極限和壁厚分布

2.1 摩擦系數的影響

板料成形的成品質量與接觸面摩擦力大小有關[6]，接觸面摩擦力與接觸面間的接觸形式和潤滑狀態有關。分析模型采用面面接觸，主要有三個接觸面：凸模與板料接觸面、凹模與板料接觸面、壓邊圈與板料接觸面。摩擦系數μ是指這三個接觸面之間的摩擦系數，不同的潤滑方式會使得μ值發生改變。

圖2 不同摩擦系數時的彎梁成形極限圖(FLD)

成形極限圖和壁厚變化是工程界最為關心的兩個物理量[7]，數值模擬可以顯示各時刻板料的成形極限和壁厚分布。圖2是摩擦系數μ為0.1，0.13，0.15時的成形極限圖(FLD)。從FLD可以看出彎梁板材成形面絕大部分區域都落在安全區內，對應位置的板材不會產生破壞。上圓弧曲面、壓延邊與側面筋板上極少數區域出現褶皺趨勢，對這些部位需要采取增加壓邊力等工藝措施來消除褶皺。

圖3分別是摩擦系數μ為0.1，0.13，0.15時的壁厚分布圖，總體上側面筋板變薄，最大變薄的位置在壓延邊與側面筋板交界位置。根據圖3得到這三個摩擦系數下的最大增厚率和最大減薄率如表1所示。從表1中可以看出，隨著摩擦系數μ的不斷增大，板料最大增厚率和最大減薄率逐漸增大，使沖壓時板料起皺和破裂的趨勢增大。工藝上通過加強潤滑，可以降低摩擦系數，降低最大拉應力，減少破裂缺陷，提高成形品質。

圖3 不同摩擦系數時的彎梁壁厚分布圖

摩擦系數μ0.10.130.15最大厚度/mm2.2012.2012.201最大增厚率/%10.02610.05210.070最小厚度/mm1.5501.5411.535最大減薄率/%22.52222.94823.252

2.2 沖壓速度的影響

從微觀上看，金屬的塑性變形主要是由位錯運動引發的晶體滑移造成的，沖壓速度越快，位錯運動越不充分，導致塑性變形越不充分。從宏觀上看，沖壓速度過快，極易造成變形劇烈區域的最大拉應力在瞬間超過材料的強度極限，造成材料拉裂[8]。沖壓速度過慢，影響彎梁的生產速率，但是沖壓速度過快，可能導致板料塑性變形不充分和變形內部應力的快速集中，增加板料的破裂趨勢。

圖4 不同沖壓速度時的彎梁成形極限圖(FLD)

圖4是沖壓速度v為200mm/min，1000mm/min，2000mm/min時的成形極限圖(FLD)。數值模擬采用的三個速度下彎梁板材成形面內應變值基本都落在安全區，對應位置板材不會產生破壞，只有上圓弧曲面、壓延邊與側面筋板極少數區域有褶皺的趨勢。

圖5是沖壓速度v為200mm/min，1000mm/min，2000mm/min時的壁厚分布圖，總體上側面筋板變薄，最大變薄的位置在壓延邊與側面筋板交界位置。上圓弧曲面和壓延邊厚度增加，厚度增加的區域面積和厚度增加量隨著速度的增大而增大，厚度增加最大的位置在上圓弧曲面的中部。

根據圖5的壁厚分布圖，得到這三個沖壓速度下的最大增厚率和最大減薄率如表2所示。從表2中可以看出，隨著沖壓速度v的不斷增大，板料最大增厚率和最大減薄率逐漸增大，使板料沖壓時起皺和破裂趨勢增大。通過降低沖壓速度，可以降低最大拉應力，減少破裂缺陷，提高成形品質。

圖5 不同沖壓速度時的彎梁壁厚分布圖

沖壓速度v/(mm/s)20010002000最大厚度/mm2.1102.1232.220最大增厚率/%5.5206.13810.021最小厚度/mm1.5561.5471.538最大減薄率/%22.21022.64423.119

3 結語

采用有限元法可以預測板料成形過程中的成形極限和壁厚變化規律，模擬成形過程中的起皺、破裂，能夠比較準確地分析工藝參數對成形過程的影響。利用有限元軟件對某型號城市軌道車輛彎梁成形過程進行了數值模擬，獲得了彎梁成形極限圖和厚度分布圖。研究結果可為城市軌道車輛彎梁零件設計及其沖壓成形工藝開發提供重要的參考。

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