引言

隨著有限元和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,CAD/CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用,成為彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不足的重要途徑。

拉伸過程計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)質(zhì)是利用數(shù)值模擬技術(shù),模擬板料拉伸變形全過程,利用成形極限圖(FLD)預(yù)測(cè)板料拉伸失穩(wěn)前的最大變形程度,為判斷給定的工藝方案在成型過程中可能出現(xiàn)的起皺、拉裂等缺陷提供科學(xué)依據(jù),幫助提高產(chǎn)品的質(zhì)量,提高生產(chǎn)的效率,保證沖壓模具的質(zhì)量。并且計(jì)算機(jī)仿真減少了大量人力和物力的消耗,社會(huì)資源利用率提高。

因此,本文采用Dynaform軟件對(duì)零件的成型工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過Dynaform軟件還原模擬熱水瓶內(nèi)膽拉伸成型的生產(chǎn)過程,通過實(shí)驗(yàn)取得工藝參數(shù),優(yōu)化了模具表面摩擦性能。

1優(yōu)化設(shè)計(jì)的背景

市面上的不銹鋼熱水瓶內(nèi)膽大多由平面板料經(jīng)過多次拉伸成型,但此成型方法工序多,需要的拉伸壓力機(jī)數(shù)量多,而且其模具的種類也多,成本較高。為了減少成本,設(shè)計(jì)出一種一次拉伸成型的加工方法,其前面的工序包括不銹鋼板的開料、落料,人工的折壓焊,再到后面的一次拉伸成型,其工序數(shù)量與平常的成型法差不多,但設(shè)備成本卻可大大縮減。此一次拉伸成型法隨之而來的缺點(diǎn)就是廢品率較高,主要集中在一次拉伸成型的工序,板料在瓶壁靠近底部的位置容易拉裂、拉爆,導(dǎo)致整塊板料報(bào)廢。究其原因,是拉伸的板料形狀比較特殊。

通常的拉伸法是一塊平面板料通過多次拉伸成筒型,基本是中心軸對(duì)稱整體成型,受力均勻:而此一次拉伸成型需要的雛形板料比較特殊,需要事先人工將板料折彎、壓卷成一定的形狀,再焊接成類似上下梯形筒狀雛形,然后放到模具直接一次拉伸成型。由于雛形板料非軸對(duì)稱,在于圓形凸模接觸拉伸時(shí)受力不均勻,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)筒壁靠近底部在拉伸過程中開裂的情況。

由于制造成本關(guān)系,在不改變工序和板料的前提下,為了減少廢品率,現(xiàn)對(duì)凸模與板料接觸的摩擦系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過模具專用有限元Dynaform軟件導(dǎo)入一系列相關(guān)的凸模摩擦系數(shù),對(duì)比仿真得出的成品質(zhì)量效果與加工過程中危險(xiǎn)斷裂點(diǎn)的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù),找出最優(yōu)的毛坯加工效果,設(shè)計(jì)出模具凸模的最優(yōu)摩擦系數(shù)[2]。

2拉伸成型工作過程

圖1所示為由A、B、C三面組成的毛胚以及成型過程的效果。模型分別由凹模、板料、壓邊圈和凸模四部分組成,大致運(yùn)動(dòng)過程如下:首先將板料放在凸模上,然后凹模往下運(yùn)動(dòng),接觸到板料后將板料往下壓,此時(shí)不規(guī)則的板料隨著凸模向下運(yùn)動(dòng)有了一定的塑形,當(dāng)凹模將板料壓至接觸壓邊圈后,凹模、板料、壓邊圈一起往下運(yùn)動(dòng)到指定距離,期間凸模一直保持不動(dòng)。拉伸完畢后,凹模往上快速回退,壓邊圈在底下彈簧的張力作用下往上回退,凸模繼續(xù)保持不動(dòng),拉伸好的產(chǎn)品在壓邊圈的推頂下往上脫離凸模,至此整個(gè)動(dòng)作完成。

由于此一次拉伸成型是比較特殊的成型,毛坯的邊料部分在拉伸過程中被凹模與壓邊圈緊緊壓住,基本沒有向筒壁流入,而毛坯筒壁成型主要是筒壁部分類似脹型的局部變型,因此只需有足夠的壓邊力,壓邊圈、凹模與板料接觸的摩擦系數(shù)對(duì)板料成型的影響基本可以忽略,而是以凸模與板料內(nèi)側(cè)的摩擦系數(shù)影響為主。因此,此次仿真主要是設(shè)計(jì)凸模與板料的摩擦系數(shù),能動(dòng)地試驗(yàn)出最好的拉伸效果。

如圖2所示,拉爆的板料大多在拉伸初段,從A面中間靠底部附近區(qū)域開裂,而且裂紋基本呈"人"字型。橫裂紋出現(xiàn)后隨著板料繼續(xù)向凸模往下運(yùn)動(dòng),裂紋會(huì)沿著A面靠近中間處一直往上延伸,直至板料頂部崩開。

3實(shí)驗(yàn)及仿真分析

Dynaform是由美國ETA公司和LsTC公司聯(lián)合開發(fā)的一個(gè)基于Ls-DYNA的板料成型模擬軟件包。Dynaform自身具有強(qiáng)大的流線型前后處理功能以及分析求解功能,能夠方便地求解各類板料的成型問題,可以預(yù)測(cè)成型過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈,評(píng)估板料成型性能,從而為板料成型工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助。

此次采用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)三維CAD數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建過程。依據(jù)圖紙進(jìn)行三維CAD數(shù)據(jù)模型構(gòu)建,為盡量減少可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和丟失,在Pro/E軟件中抽取出零件表面并導(dǎo)出.igs格式文件,再將其導(dǎo)入Dynaform。模型構(gòu)建如圖3所示。

然后設(shè)置凹模、壓邊圈、凸模的網(wǎng)格最大尺寸為25,最小尺寸為3,其他為默認(rèn)數(shù)值:板料網(wǎng)格尺寸為3,其他為默認(rèn)數(shù)值。再設(shè)置板料材料為201不銹鋼,厚度為0.4mm,凹模與壓邊圈的摩擦系數(shù)選取默認(rèn)參數(shù),調(diào)整凸模的摩擦系數(shù),得到不同的仿真效果。通過軟件的后處理可以得到零件的成型極限圖(FLD),如圖4所示。

由成型極限圖可以看到板料的成型極限變化,圖4中縱坐標(biāo)表示主應(yīng)變,橫坐標(biāo)表示次應(yīng)變,次應(yīng)變可以是正也可以是負(fù),從負(fù)到正分別對(duì)應(yīng)著拉一壓變形、中間黑線和拉一拉變形,不同顏色表示不同的變形程度,紅色表示破裂,橙色(系統(tǒng)默認(rèn)為黃色)表示有破裂的風(fēng)險(xiǎn),綠色表示安全,藍(lán)色表示有起皺的風(fēng)險(xiǎn),粉色表示起皺(但有些資料說粉色的區(qū)域在實(shí)際中也是安全的,并沒有起皺),紫色表示嚴(yán)重起皺,灰色表示并無形變。

仿真結(jié)果顯示,當(dāng)凹模把板料壓進(jìn)壓邊圈前,板料只有少量可忽略的變形。板料接觸到壓邊圈后,繼續(xù)往下接觸到凸模時(shí),板料開始有明顯的變形。仿真過程分為21幀,從第6幀起板料開始接觸凸模。圖4為第10幀,可以看出在A、B、C面的中間靠底部分開始起皺,隨著板料繼續(xù)向凸模壓下去,起皺越往后越明顯。直到17幀,板料馬上拉伸到位時(shí),A、B、C面中間靠底的起皺部分開始被拉平滑,到了21幀結(jié)束時(shí)拉伸成型完畢,剛才起皺的部分恢復(fù)平順?？傮w來說,其危險(xiǎn)斷裂面成型經(jīng)過了一個(gè)平滑一起皺一平滑的過程。其中最容易發(fā)生斷裂的就是在平滑過渡到起皺和后續(xù)起皺過渡到平滑的階段。除了此危險(xiǎn)斷裂處,其他區(qū)域還是綠色安全部分居多,基本占了壺身整個(gè)區(qū)域,在壺底切口處存在少量紫色嚴(yán)重起皺部分,但在后續(xù)工序中會(huì)把切口切除,不會(huì)影響其質(zhì)量。

深究其原因,由于A、B、C三個(gè)面組成圓的曲率半徑比凸模外圈的曲率半徑小,而A、B、C三個(gè)面分界的三條邊組成圓的曲率半徑比凸模外圈的曲率半徑大,造成拉伸過程中三面被往外頂,三線往內(nèi)收縮,且板料平面為非中心對(duì)稱圖形,拉伸過程中板料與凸模幾何形狀不匹配導(dǎo)致受力不均勻,在半徑較小的部位開始起皺。拉伸過程中,其起皺的部分在徑向拉應(yīng)力的作用下,就會(huì)存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn),其中起皺一平滑階段的斷裂風(fēng)險(xiǎn)比平滑一起皺階段的斷裂風(fēng)險(xiǎn)還要大。取起皺危險(xiǎn)區(qū)域的一點(diǎn)D作深入分析,點(diǎn)D位置如圖5所示。

圖6為起皺嚴(yán)重點(diǎn)D的平均應(yīng)力圖,其中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為平均應(yīng)力大小。從仿真動(dòng)圖可以得出從第六幀到第十六幀為起皺嚴(yán)重的時(shí)間區(qū)域,即圖6中0.5~3s。第六幀時(shí),D點(diǎn)的平均應(yīng)力為84N,隨后開始減少并反方向增大,至第九幀時(shí)為-88N,再減少并反向一直增大,至第十六幀時(shí)為372N。

圖7為點(diǎn)D的厚度分布圖,其中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為厚度數(shù)值。圖中0.5~3s內(nèi)厚度從1s的0.402mm減少到1.8s的0.397mm,然后增加到3s的0.398mm?？梢钥吹贸鐾鼓Ｆ胀Σ料禂?shù)下點(diǎn)D在危險(xiǎn)時(shí)間段內(nèi)的厚度變化有一定的波動(dòng)。

由此可見,在未改變凸模摩擦系數(shù)時(shí),板料的成型過程中,起皺危險(xiǎn)區(qū)域在拉伸時(shí)受到多個(gè)方向的應(yīng)力作用,平均應(yīng)力的正負(fù)也多次變化,分別為拉一拉變形、拉一壓變形和拉一拉變形,導(dǎo)致其厚度在危險(xiǎn)時(shí)間段內(nèi)先變厚后變薄再變厚,使板料存在著一定的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

于是對(duì)凸模與板料接觸的摩擦系數(shù)進(jìn)行摩擦設(shè)計(jì),分別代入0.11、0.115、0.12、0.125、0.13、0.135、0.14、0.145、0.15、0.155、0.16、0.165等多個(gè)數(shù)值,求解出結(jié)果后,對(duì)比其成型極限圖、厚度圖、危險(xiǎn)點(diǎn)D的應(yīng)力曲線等參數(shù)。最終發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)為0.125時(shí)理論加工效果最佳。

圖8為摩擦系數(shù)為0.125時(shí)的點(diǎn)D平均應(yīng)力圖,第六幀為126N,然后開始減少,至第八幀為-16N,第九幀為27N,第十一幀為-44N,再一直遞增,至第十六幀為280N。平均應(yīng)力基本緊貼零線波動(dòng),相對(duì)于未修改凸模摩擦系數(shù)前的平均應(yīng)力有了大幅度的減少,且其波動(dòng)也有大幅度的減少。

圖9為摩擦系數(shù)為0.125時(shí)的D點(diǎn)厚度時(shí)間節(jié)點(diǎn)圖,可以看出,與之前未改變摩擦系數(shù)時(shí)相比,圖中第0.5~3s的危險(xiǎn)斷裂時(shí)間段中,毛坯危險(xiǎn)斷裂點(diǎn)D的厚度圖幾乎呈一水平直線,厚度基本在0.397mm附近的穩(wěn)定范圍。

4結(jié)語

在不改變前面生產(chǎn)工序的前提下,通過改變凸模表面與板料接觸的摩擦系數(shù),危險(xiǎn)斷裂點(diǎn)D在拉伸危險(xiǎn)時(shí)間段內(nèi)的應(yīng)力絕對(duì)值最小值由11N減少到4N,絕對(duì)值最大值由372N減少到280N,選點(diǎn)絕對(duì)值總值由1744N減少到1374N,由此可知,其應(yīng)力有一定程度的降低。

而危險(xiǎn)斷裂點(diǎn)D厚度在拉伸危險(xiǎn)時(shí)間段內(nèi)由之前基于4mm不停上下波動(dòng)變成基本保持在3.97mm不變。由此可見,改變凸模表面摩擦系數(shù)對(duì)防止板料的拉裂有一定效果,有利于減少拉伸筒料的廢品率,極大地降低生產(chǎn)成本,縮短模具制造周期,同時(shí)提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平。