不同沖壓速度對板料成形的影響

文／范澤，張潤輝，昝祥·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

不同沖壓速度對板料成形的影響

文／范澤，張潤輝，昝祥·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

普通曲柄機械壓力機在工作時，其滑塊的真實運動速度軌跡可以近似為一個正弦曲線。然而在大多數(shù)的有限元分析中為了提高計算效率和簡化計算過程，往往采用的是恒定速度，且遠(yuǎn)大于真實情況下的虛擬沖壓速度。這樣不僅增加了偏離實際的慣性效應(yīng)，而且無法準(zhǔn)確的反映出速度的變化對成形過程的影響。

沖壓速度是板料成形的重要工藝參數(shù)，在不同的沖壓速度下材料達(dá)到不同的成形極限，并表現(xiàn)出不同的加工硬化特性。對于同一沖壓零件，不同部位的材料所能承受的變形程度和變形速度也不盡相同。為研究真實沖壓速度對板料成形質(zhì)量的影響，本文以拉深同等高度的筒形零件為例，分別采用不同的真實沖壓速度和恒定速度對其進(jìn)行有限元模擬，研究不同沖壓速度下成形過程中等效應(yīng)力、應(yīng)變及截面厚度的變化規(guī)律。

筒形件成形過程的有限元分析

模型的建立

圓筒件拉深是板料成形中一種非常典型的成形過程，圖1給出了其成形零件的模具結(jié)構(gòu)圖，并據(jù)此為代表分析其成形過程。根據(jù)圖1所示拉深筒形件的模具尺寸，建立有限元模型裝配圖（圖2a）和坯料的有限元網(wǎng)格模型（圖2b）。在分析中各部件均為三維殼模型，沖頭、凹模和壓邊圈為解析剛體。對于圓形坯料，單元類型為可變形的4節(jié)點4邊形殼單元（S4R），該單元類型具有沙漏控制和減縮積分控制特性。根據(jù)筒形件拉深變形的特點，底部為不變形或少變形區(qū)，因此對于不同的變形位置采用不同的網(wǎng)格劃分方式。

圖1 拉深模具結(jié)構(gòu)圖

圖2 有限元模型裝配圖及有限元網(wǎng)格劃分

坯料規(guī)格直徑為100mm，厚度為1mm，材料為08F鋼，查閱相關(guān)資料得到其力學(xué)特性為：密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為207GPa，泊松比為0.3。由于拉深過程中沖壓速度是不斷變化的，因此采用含有應(yīng)變率效應(yīng)的唯象本構(gòu)Johnson-Cook模型表述材料的力學(xué)性能。模具與板料之間的摩擦采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)μ為0.15。壓邊力根據(jù)公式F=Aq，式中F為壓邊力，A為壓邊圈投影面積，q為單位壓邊力，取q=3MPa，根據(jù)給出的參數(shù)計算得到壓邊力F為14500N。

由于本文研究沖壓速度對成形性能的影響，因此利用ABAQUS/Explicit進(jìn)行模擬時采用速度邊界條件控制沖頭的運動，滑塊有效行程為20mm。為此本文定義了三組不同的沖壓速度曲線：初始速度分別為500mm·s-1、800mm·s-1和1000mm·s-1三條正弦速度（真實速度）曲線及其對應(yīng)的恒定速度（虛擬速度）曲線。

結(jié)果分析

⑴不同沖壓速度下模擬的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及截面厚度。

為了研究不同速度的變化對板料沖壓成形性能的影響，需要了解板料在變形過程中各節(jié)點的應(yīng)力、應(yīng)變的分布。為此，選取如圖3所示的截面線，該截面線連接中心到邊緣，貫穿板料，具有一定的普適性。圖3中A、B、C、D、E分別對應(yīng)板料底部區(qū)域、沖頭圓角處、直壁部分、凹模圓角處和凸緣部分。

圖3 所選取截面線的位置

三組沖壓速度曲線加載條件下，沿圖3所示截面線上各節(jié)點的Mises等效應(yīng)力分布曲線如圖4所示。從圖4中可以看到，在三組沖壓速度曲線加載條件下，凹模圓角處（D區(qū)）的等效應(yīng)力值最大，變形主要發(fā)生在此部分，其次是直壁部分（C區(qū)）和凸緣部分（E區(qū)），而板料底部區(qū)域（A區(qū)）對應(yīng)的等效應(yīng)力值最小。不同沖壓速度對直壁部分（C區(qū)）、凹模圓角處（D區(qū)）和凸緣部分（E區(qū)）的影響差別不大，而且隨著沖壓速度的增大，虛擬沖壓速度與真實沖壓速度對底部區(qū)域（A區(qū)）和沖頭圓角處（B區(qū)）的差距逐漸減小，對其他區(qū)域的影響并不明顯。

三組沖壓速度曲線加載條件下，沿圖3所示截面線上各節(jié)點的Mises等效應(yīng)變分布曲線如圖5所示。與圖4對比可知，沿截面線上各節(jié)點的等效應(yīng)變的分布規(guī)律與等效應(yīng)力基本相同，不同虛擬沖壓速度對底部區(qū)域（A區(qū)）和沖頭圓角處（B區(qū)）的等效應(yīng)變影響還是比較大的，而不同真實沖壓速度對各區(qū)域的影響幾乎大致相同。

圖4 三組沖壓速度下截面線上各點的Mises應(yīng)力曲線

不同速度下沿截面線路徑上各節(jié)點的截面厚度分布曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，在沖頭圓角處（B區(qū)）減薄最為嚴(yán)重，與理論相符，虛擬沖壓速度比真實沖壓速度對此區(qū)域的截面厚度的影響要大。不同虛擬沖壓速度下，底部區(qū)域（A區(qū)）和沖頭圓角處（B區(qū)）受到的影響比較明顯，其他區(qū)域差別不大，而不同真實沖壓速度對各區(qū)域的影響均不是很大，這與等效應(yīng)變的分布相對應(yīng)。

圖5 三組沖壓速度下截面線上各點的Mises應(yīng)變曲線

⑵不同沖壓速度下的FLD圖。

不同沖壓速度下的FLD對比圖如圖7所示。從圖7中可以看出，板料拉深成形時大部分單元的ε2＜0，即板料各單元應(yīng)變處于壓縮狀態(tài)；而且隨著沖壓速度的增大，虛擬的沖壓速度與真實的沖壓速度各節(jié)點的主應(yīng)變逐漸重合說明其對板料的影響在逐漸減小。

圖6 不同沖壓速度下截面線上的截面厚度分布曲線

圖7 不同沖壓速度下的FLD圖

結(jié)束語

利用動態(tài)顯示有限元方法模擬了不同沖壓速度下的板料拉深成形過程，結(jié)果表明：不同的沖壓速度對底部區(qū)域和沖頭圓角部分影響較大，對其他區(qū)域的影響較小；在一定的沖壓速度范圍內(nèi)，隨著速度的增大，虛擬沖壓速度與真實沖壓速度的差距也在逐漸減小；隨著沖壓速度的降低，沖頭圓角部分的減薄也越明顯。