板材漸進成形破裂分析與數值模擬

耿 佩，崔玉琦，李軍超

（1.西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400044）

板材漸進成形破裂分析與數值模擬

耿 佩1，崔玉琦2，李軍超2

（1.西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400044）

針對漸進成形過程中金屬板材易破裂問題，以不同成形半錐角的圓臺件作為研究對象，建立了漸進成型CAD模型，并進行數值模擬和試驗驗證。結果顯示，成形半錐角越大，制件側壁出現(xiàn)破裂問題的可能性越低，材料成形性能越好。同時，針對板材漸進成形破裂現(xiàn)象，結合破裂準則和對破裂的數值模擬，提出一種有效預測破裂的方法。

漸進成形；數值模擬；破裂準則；板材

漸進成形作為一種新型的金屬板材數字化成形技術，廣泛應用于航空航天、汽車制造、輕工等領域。此種成形技術柔性化程度高、適應性強，不存在對模具的依賴性，能很好地滿足市場對產品多樣性、快速性的要求，在塑性成形領域有著廣泛的應用前景[1-2]。

漸進成形在板料加工中有著眾多優(yōu)勢。但是在加工過程中，由于成形半錐角、變形區(qū)厚度減薄、走刀路徑等諸多因素的限制，使得板材在成形中易發(fā)生破裂。目前板材漸進成形的破裂行為已成為研究熱點[3，5]。

1 CAD模型的建立

根據漸進成形技術工藝要求，成形裝置主要由上、下壓邊圈、工具頭和板材組成，為便于研究，共建立半錐角分別為 20°、21°、22°三組支撐模型，并借助UG軟件的CAM加工模塊生成不同的APT刀軌路徑文件。如圖1所示為半錐角為20°的漸進成形CAD模型。

2 數值模擬結果分析

基于UG建立的CAD模型，分別將工具頭、上下壓邊圈、板料及支撐模型導入ABAQUS軟件界面，依次完成分析步設置、邊界條件設置及網格劃分等前處理設置步驟，其中板料選用DC56，厚度為0.8mm。設置完成后提交作業(yè)進行運算。

圖1 板料數控漸進成形CAD模型

2.1 厚度分析

在漸進成形過程中，板材在工具頭作用下發(fā)生變形，由于變形過程中板材的體積不變而表面積在增加，因此成形后的板材勢必會減薄。研究表明，板材減薄后的厚度t與成形半錐角θ相關，并滿足正弦規(guī)律t=t0sinθ[6-7]。板材的最小厚度值，是考察板材產生變形后是否發(fā)生起皺、拉裂等失穩(wěn)現(xiàn)象的重要參數之一。如圖2所示分別為20°、21°、22°圓臺件經過漸進成形有限元分析得到的板材厚度分布云圖。

由圖2a可知，半錐角為20°的板材變形后側壁厚度值明顯減小，越靠近側壁中間處減薄越嚴重，制件頂部厚度變化不明顯。模擬進行到255步時，側壁處存在網格被擠壓變形，工具頭前端存在積料現(xiàn)象，最薄處厚度為0.1751mm，遠遠小于t×sinθ=0.2636mm的最小厚度，此時可以判定該制件發(fā)生破裂。圖2b、c分別為21°圓臺件和22°圓臺件模擬結果，變形后基本規(guī)律與20°時相同，均為側壁厚度明顯減少，側壁中間處減薄最為嚴重，最薄處分別為0.2662mm，0.2657mm。雖然側壁減薄嚴重，但并沒有發(fā)生破裂。

圖2 板材變形后的厚度分布云圖

2.2 點的應力分析

單點漸進成形過程中，板材上的每個點的應力狀態(tài)都在不斷發(fā)生變化，下面以成形半錐度角為21°圓臺件為例，其成形過程進行到80%時，板材不同位置的幾個點的應力狀態(tài)進行分析，如圖3所示。

圖3 板材不同位置的應力狀態(tài)

A點為已成形區(qū)域中的一點，該點距離正在發(fā)生加工區(qū)域較遠；B點為剛剛成形區(qū)域中一點，剛剛脫離于工具頭的接觸，隨著工具頭的移動，該點所在區(qū)域發(fā)生彈性卸載；C點為正在加工區(qū)域中一點，與工具頭正接觸，且應力相對較大；D點為小變形區(qū)域中一點，該區(qū)域此時還沒有被加工，但由于應力的擴散，使得該區(qū)域也存在一定的應力。通過ABAQUS后處理模塊的查詢功能讀取出這四個點此時的米塞斯應力值，如表1所示。

由表1可知，C點變形區(qū)域應力最大，達到了422.860MPa，遠遠超過了DC56的屈服極限；B點由于剛剛成形，應力仍然很大；A點區(qū)域已經成形一段時間，故應力只有部分殘留；D點所在區(qū)域由于沒有與工具頭接觸，并沒有承受載荷，板材還沒有發(fā)生屈服。

2.3 應變分析

不同半錐角圓臺模擬結果的等效應變分布如圖4所示。其中圖4a是半錐角20°的板材變形應變結果。由圖可知，破裂處的變形程度明顯強于其他側面，這與零件在實際加工中的情況是一致的。在實際加工中每個側面的變形程度是不同的，破裂的發(fā)生也不具有對稱性。并且由圖可知破裂處的等效應變已經達到3.636。圖4b是半錐角21°的情況，側壁應變仍然不均勻，最后加工處的等效應變均大于側壁其他位置，最大等效應變值為3.149。圖4c是半錐角22°的情況，雖然側壁應變的分布并不完全相同，但從圖中可以看出側壁各處等效應變差值明顯減小，且最大等效應變也降為2.765。

由圖4還可知，零件的法蘭區(qū)域以及底部幾乎沒有發(fā)生變形，側壁變形明顯，尤其是工具頭每次進刀處變形最為明顯。并且最大等效塑性應變均發(fā)生在制件的側壁上，故破裂最可能出現(xiàn)的位置即側壁等效應變最大處。隨著成形半錐角的增加，零件的最大等效應變逐漸減小，且側壁等效應變的分布也越均勻，制件成形質量越佳。

表1 各點的米塞斯應力值/MPa

3 破裂分析

3.1 破裂產生的本質及其原因

破裂是由于材料的強度或者塑性不足，當拉應力超過臨界值時發(fā)生的。板材漸進成形中經常出現(xiàn)破裂缺陷，如板材產生變薄拉深變形時局部出現(xiàn)變薄嚴重現(xiàn)象[8]。

圖4 板材變形后的應變分布云圖

產生破裂是由于板材本身有裂紋和夾層，金相組織不均，晶粒太大，硬度不均等；或者是由于板材成形半錐角θ大于成形極限角，導致減薄量太大，使金屬板材產生破裂。

3.2 破裂數值模擬分析

根據前述的模擬結果，初步確定成形半錐角為20°的制件會發(fā)生破裂，現(xiàn)擬采用單元刪除法對其進行數值模擬。單元刪除功能本身是為了克服有限元本身的缺陷的一種方法，由于有限元方法本身就是基于連續(xù)介質力學的，而在連續(xù)介質力學中，所研究的物體需要是連續(xù)的，既物質域在空間中連續(xù)。在這樣的理論假設框架下，單元本身是不會消失的[9-10]。然而在實際情況下，由于損傷斷裂的存在，勢必會使得一些單元消失或者完全失效，所以為了能夠模擬這種情況，ABAQUS提供了單元失效功能。

對比圖4a、b，能判斷出板材DC56的斷裂應變發(fā)生在3.149～3.636之間。取斷裂應變?yōu)?.2，設置損傷演化類型為位移，破壞位移值為0.1，其他保持不變，如圖5所示。刪除失效單元后的模擬結果如圖6所示，在加入該破裂準則后，應變大于3.2的單元（即失效單元）已經被刪除。

現(xiàn)在選取成形半錐角20°和21°的圓臺件進行實際加工，加工結果如圖7所示。根據實際加工的結果與數值模擬結果作對比，發(fā)現(xiàn)21°圓臺件在實際加工中完好無損，沒有明顯缺陷。20°圓臺件與模擬結果一致，出現(xiàn)嚴重的破裂現(xiàn)象。

這種破裂模擬方法為實際加工中制件是否會產生破裂提供了一種有效的預測方法。在已經獲得材料性能的前提下，運用該破裂準則，可以提前采用模擬仿真進行預判，避免直接加工而發(fā)生制件破裂造成損失。

圖5 DC56柔性損傷設置

圖6 刪除失效單元后的等效應變分布云圖

圖7 加工實驗結果

4 預防破裂產生的方法

破裂缺陷對板材漸進成形百害而無一利，為避免破裂缺陷的出現(xiàn)，結合破裂原因和上述預測方法考慮，現(xiàn)提出從以下幾個方面著手預防破裂產生：

（1）工具頭尺寸。選用尺寸適中的成形工具頭，對復雜形狀如有尖銳拐角區(qū)域的制件，先選用較大尺寸的工具頭加工，再用尺寸較小的工具頭進行區(qū)域加工。

（2）成形角。對于單道次漸進成形其成形角保持不變，而對于多道次漸進成形，在成形路徑設計時應考慮壁厚的分布規(guī)律，成形角較大的部分應逐次成形，且各道次成形路徑之間的差異不宜過大。一般先成形難變形區(qū)域，減少邊緣及易破損區(qū)域的加載時間。

（3）材料性能。在板料供應允許的情況下優(yōu)先選用塑性變形能力較強的材料。

（4）成形路徑參數。軸向進給量的選取考慮適中原則，不宜過大，因變形力會隨著軸向進給量的增加而變大。尤其在多道次漸進成形過程中后幾道次成形時，板料變形已經比較大，如果此時軸向進給量過大的話將導致變形力增大，超過局部已變形材料的強度要求，會使板料產生破裂。

（5）成形速度。成形速度不宜過快，較大的成形速度雖然能減少加工時間，提高生產效率，但過快的成形速度不能讓板料充分變形，易產生破裂。

5 結束語

破裂與板料成形性能息息相關，是板料成形中主要的質量問題。對于單點漸進成形工藝來說，破裂出現(xiàn)的主要原因是由于零件成形角過大以及成形前板材厚度偏小。選擇適宜的破裂準則及對破裂的數值模擬是對板材漸進成形破裂分析及實際加工的一種預知，其中單元刪除法就是有效預測破裂現(xiàn)象的常用破裂準則。

[1]莫健華，韓 飛.金屬板材數字化漸進成形技術研究現(xiàn)狀[J].中國機械工程，2008，19（4）：494-497.

[2]松原茂夫.數值制御逐次成形法[J].塑性と加工，1994，35（406）：1258-1263.

[3]李軍超，毛 鋒，周 杰.板材單點漸進成形工藝數值模擬與成形缺陷研究[J].熱加工工藝，2010，（5）.

[4]劉 杰，莫健華，黃樹槐.金屬板材分層漸進成形技術及其有限元模擬[J]. 塑性工程學報，2001，（2）.

[5]周小磊.金屬板材多點復合漸進成形破裂缺陷研究[D].南昌：江西理工大學，2015.

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Fracture Analysis and Numerical Simulation of Sheet Metal Incremental Forming

GENG Pei1,CUI Yuqi2,LI Junchao2
（1.Xi'an Aeronautical Politechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi China;2.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China）

Based on the sheet metal rupture easily of incremental forming process,an CAD model was established with different forming half taper angle of ellipse parts.The numerical simulation and experimental validation of those progressive forming process were completed.The results showed that the larger the forming angle is,the lower the possibility of the rupture in the sidewall of the part and the better the material forming performance is.Simultaneously,an effective method for predicting failure was put forward based on fracture criterion and the numerical simulation of rupture.

Incremental forming；Numerical simulation；Fracture criterion

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.023

1672-0121（2017）03-0079-04

2016-12-22；

2017-02-14

西安航空職業(yè)技術學院2016～2017年度自選綜合科研項目（16XHKY-017）

耿 佩（1987-），女，碩士，從事金屬塑形成形加工工藝研究。E-mail：gengpei119@163.com