汽車用鋁合金板沖壓成形仿真精度與機(jī)罩外板拉深工藝設(shè)計(jì)研究_圖

1、 1.2|3鋁合金失效準(zhǔn)則板料沖壓成形過程中,斷裂和起皺是其主要的成形障礙,起皺可以通過加大壓邊力,合理設(shè)置拉深筋以及調(diào)整毛坯的形狀來克服,斷裂則說明零件傳力區(qū)不勝負(fù)擔(dān)成形力,局部材料已達(dá)到變形極限,所以,成形極限一般是指斷裂極限而言。目前,關(guān)于判斷斷裂的方法很多,如成形極限圖、成形極限應(yīng)力圖、最大變薄率、應(yīng)變率突變準(zhǔn)則、厚度梯度準(zhǔn)則以及韌性斷裂準(zhǔn)則等等。當(dāng)前,在板料成形有限元數(shù)值模擬技術(shù)中,應(yīng)用FLD是預(yù)測(cè)斷裂發(fā)生的主要方法。自上個(gè)世紀(jì)60年代s,P.Keelerl211和G.M.Goodwinl221分別用實(shí)驗(yàn)方法建立成形極限圖以來,它一直廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,成為金屬板料成形工藝分析和工

2、藝設(shè)計(jì)的有效工具。很多學(xué)者對(duì)實(shí)驗(yàn)成形極限圖的制作做了大量工作。但是這不僅需要繁雜的實(shí)驗(yàn),而且也受實(shí)驗(yàn)條件(如模具的形狀、尺寸等等和測(cè)量方法的影響,所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般比較分散,使其在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。到了60年代后期人們開始了理論成形極限曲線的研究。Hill模型【23J計(jì)算的曲線在FLD拉一壓區(qū)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的相當(dāng)好,而在拉一拉區(qū)還不能被其所預(yù)測(cè);而M.K溝槽模型124J計(jì)算的曲線在等雙拉區(qū)域附近也是不能正確地預(yù)測(cè),針對(duì)以前集中性失穩(wěn)一些理論的缺陷,先后對(duì)某些模型進(jìn)行了修正和改進(jìn),這些改進(jìn)工作主要集中在M.K模型上。一方面認(rèn)為MK理論預(yù)測(cè)結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果大的原因之一是與帶二次屈服函數(shù)的屈服曲面

3、有關(guān),進(jìn)而改進(jìn)M.K模型125-28。另一方面把塑性損傷引進(jìn)到原來的MK模型中,修正初始厚度不均勻系數(shù),使預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合29.31】。同時(shí),MK原始模型是建立在材料在塑性變形過程中無相變的條件下的,近些年,如TRIP類型鋼板的開發(fā)和使用,M-K模型需要考慮含相變的材料應(yīng)變硬化模型【”j,材料是該模型比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)TRIP類型鋼板的成形極限。=墨=飛心.I A .#=,鼻嘲m、1'_。刪。k n一fracture :另I、一。Jh、s-t3二2mmi艨門孰曲詵I、Ll T鬟琢Material:A2024P.S.:910mm Blank profileInitial radius

4、,mm Predicted result Experimental result圖卜3預(yù)測(cè)圓筒件拉深成形極限“5163墨p 苦H 度對(duì)于頸縮現(xiàn)象的產(chǎn)生具有重要的作用。Naka等人【461利用圓筒件拉深試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)研究凹模法蘭溫度對(duì)5182.O拉深比的影響,研究發(fā)現(xiàn),隨著法蘭溫度升高,拉深比增大。 (a冷成形(b溫成形圖1-6溫成形鋁合金件 (3Li等人1'471也做了類似的實(shí)驗(yàn)研究,并發(fā)現(xiàn)拉深高度隨著凹模法蘭溫度升高而增大,而隨著凸模溫度的升高而減小。為了提高復(fù)雜形狀零件的可成形性和工藝的魯棒性,很有必要合理確定溫拉深中初始溫度分布。通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定拉深中初始溫度分布,是

5、一種高效率的方法【4引。(2變壓邊力技術(shù)變壓邊力控制技術(shù)作為改善車身覆蓋件成形質(zhì)量、提高板料成形性能的一種簡(jiǎn)單、有效的控制手段,日益受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。變壓邊力是指在薄板成形過程中,壓邊力大小隨位置或凸模行程發(fā)生變化。它不僅可以顯著提高沖壓件的成形性能,減少和消除覆蓋件成形過程中出現(xiàn)的起皺、開裂和回彈等缺陷。圖1.7是分塊式變壓邊力的示意圖,在盒形件拉深中,壓邊圈由lO個(gè)壓邊塊組成,在不同位置施加不同的壓邊力。 分塊式壓邊圈方盒件拉深有限元模型圖1-7變壓邊力示意圖S.Thinamdchelvallf49】以鋁板杯形件拉延為例,分析了壓邊力與沖壓力成正比(約34%拉延過程,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得

6、出采用變壓邊力形式將有利于提高杯形件的成形質(zhì)量,降低了拉延開始時(shí)的拉裂危險(xiǎn)性。Ahmetoglu等人j對(duì)下降的BHF曲線進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn),他們用鋁合金2008一T4進(jìn)行方形盒拉深,實(shí)驗(yàn)和有限元分析結(jié)果表明從較大的壓邊力逐步減少到僅能消除起皺的常壓邊力的壓邊力變化曲線能顯著減小皺紋的高度,且可以避免較大的常壓邊力所造成的斷裂。Murata和Matsui睜”對(duì)分塊式壓邊圈進(jìn)行了研究,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它對(duì)盒形件拉深的效果。實(shí)驗(yàn)表明,用這種分塊壓邊圈的變壓邊力控制方案生產(chǎn)鋁合金杯,獲得的最大深度比采用整體式恒壓邊力的壓邊圈獲得的要大約1.3倍。陳關(guān)龍和孫成智等人口2l提出了基于有限元模擬和自適應(yīng)響應(yīng)面法

7、的變壓邊力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,利用該方法計(jì)算出圓筒拉深件隨時(shí)間變化的壓邊力和不等深盒形件拉深時(shí)隨位置變化的壓邊力優(yōu)化結(jié)果,提高了變壓邊力優(yōu)化的精度和效率。(3液壓成形技術(shù)由于液壓成形技術(shù)具有一系列的優(yōu)點(diǎn),近些年來受到各工業(yè)領(lǐng)域的重視,尤其是汽車制造業(yè)。液壓成形技術(shù)從原材料上分為2大類,如圖1.8所示,一類是管材液壓成形,也稱為內(nèi)高壓成形;另一類是板材液壓成形技術(shù),以流體介質(zhì)取代凹?；蛲鼓＿M(jìn)一步又可分為充液拉深技術(shù)和液壓脹形技術(shù)。 (a充液拉深 (b液壓脹形圖卜8板料液壓成形技術(shù)10日本較早地開展工藝試驗(yàn)研究,并已進(jìn)入實(shí)用階段。如圖1-9所示,是汽車外板用的難成形材料AL6111-T4,采用充液成形工

8、藝制成的零件f531。液壓成形技術(shù)的起源可以追溯到19世紀(jì)末。到目前為止,板材液壓成形技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,在傳統(tǒng)加工方式上,增添了一些新技術(shù),并且在鋁合金板成形上得到應(yīng)用。 圖卜9液壓成形的汽車外板件(材料A16111-T4”日本學(xué)者采用高頻振動(dòng)充液拉深技術(shù),采用不同的潤滑劑對(duì)鋁合金5052.O 拉深行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并獲得較高的拉深比15”。中村和彥采用差溫充液拉深技術(shù),分析了各種工藝因素對(duì)鋁合金板成形能力的影響,并一次加工出拉深比為3.4的鋁制件】。康達(dá)昌教授和郎利輝博士在液壓充液拉深成形技術(shù)方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作【“58】,提出了康式充液拉深模式,并取得了一些重要的成果。1.4覆

9、蓋件模具CAD技術(shù)研究現(xiàn)狀CAD是一種劃時(shí)代的新技術(shù),它的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展。而同時(shí)模具技術(shù)又是制造業(yè)中發(fā)展最快的技術(shù)之一,它的特點(diǎn)是數(shù)量很大,批量很小,換代非?？臁睦碚撋险f,模具行業(yè)是CAD技術(shù)最能發(fā)揮優(yōu)越性的領(lǐng)域。但我國目前模具CAD的成果并不十分顯著,尤其是在汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)的應(yīng)用方面,這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力還沒有充分發(fā)揮出來。1.4.1企業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀在國外,一些汽車制造公司早在20世紀(jì)的60年代初期就開始了對(duì)CAD技術(shù)的研究。這一研究最初始于汽車車身的設(shè)計(jì),各大汽車公司都先后建立了自己的CAD/CAM系統(tǒng),并在隨后的時(shí)間里將其應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)與制造。圖1.10為國外現(xiàn)代

10、覆蓋件模具設(shè)計(jì)過程中,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真和制造的應(yīng)用現(xiàn)狀。 拉伸試驗(yàn)是在上海交通大學(xué)材料學(xué)院萬能電子材料實(shí)驗(yàn)機(jī)zWck上進(jìn)行。通過單向拉伸試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)中,可獲得單向拉伸的力一行程曲線;并根據(jù)試樣的基本尺寸,自動(dòng)計(jì)算出鋁合金板的名義應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線。圖2-2是鋁合金板6111-T4斷裂的拉伸試樣。 圖2-2斷裂后6111.T4單拉試樣2.2.2試驗(yàn)結(jié)果與討論圖23是試驗(yàn)獲得的不NSL相J方位的鋁合金板6111.T4和5754一O名義應(yīng)力一工程應(yīng)變關(guān)系曲線,它們的初始厚度分為為1.0mm和1.5mm,該圖給代表了這兩類鋁合金板單向拉伸試驗(yàn)的一些特性。一芏一價(jià)價(jià)uIuJozEngineer

11、ing strain(%(a6111-T4(厚度1.0mm (b5754.O(厚度1.5mill圖2.3鋁合金板單向拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線 2.3鋁合金板的材料參數(shù)板料的性能參數(shù)在塑性加工分析中占有重要的地位,例如,(1迅速而準(zhǔn)確地確定汽車板對(duì)某種沖壓工藝的適應(yīng)情況,以及分析和判斷生產(chǎn)中出現(xiàn)的與材料性能參數(shù)有關(guān)的質(zhì)量問題;(2根據(jù)各類覆蓋件的成形特點(diǎn)和工藝要求,合理地選擇材料級(jí)別、材料牌號(hào),指導(dǎo)選材;(3有利于建立材料制造商和產(chǎn)品生產(chǎn)商之間“參數(shù)供貨”的供貨關(guān)系;(4是金屬塑性成形過程的有限元分析中不可缺少的。沖壓成形中,常用的材料參數(shù)包括彈性模量E,密度p,泊松比r,屈服強(qiáng)度佩,抗拉強(qiáng)度仉,總延

12、伸率矗均勻伸長(zhǎng)率蠡,強(qiáng)度系數(shù)足,硬化指數(shù)n和厚向異性系數(shù),及板平面方向性,硬度值H等等。對(duì)于鋁及其鋁合金來說,前3種參數(shù)基本保持不變,其余的材料參數(shù)對(duì)不同牌號(hào)的材料是不同的,甚至不同批次之間也有一定程度上的波動(dòng)。目前,常規(guī)的板料性能參數(shù)的獲取是建立在標(biāo)準(zhǔn)矩形單向拉伸試驗(yàn)上的。圖2-6是從圖2-3中獲得的材料真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線。在圖1和圖2-6單向拉伸曲線基礎(chǔ)上,獲得本研究中各種牌號(hào)鋁合金板的材料參數(shù)如表2.2至表2.5。(a611lT4 (a6111_T4圖2-6鋁合金板真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線 一equivalent biaxial tension;一plane strain tension;一u

13、niaxial tension;一pure shear;一uniaxial compression(c成形極限圖圖3.7預(yù)測(cè)結(jié)果 圖3-8試驗(yàn)件照片其他鋁合金板x61l-“和5754.0的破裂極限也被式(3-13計(jì)算。圖3.9是三種鋁合金板預(yù)測(cè)的和試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比。在圖5中,所有的初始板坯直徑為200mm,且恒定壓邊力為100kN。圖3.9(a是預(yù)測(cè)的臨界凸模行程和試驗(yàn)值的比較,而圖3.9(b是預(yù)測(cè)破裂處的最小厚度值與試驗(yàn)值的對(duì)比。圖3.9所顯示的結(jié)果說明,預(yù)測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)值吻合很好。這證明,在有限元模擬中,可以使用式(1來評(píng)估鋁合金板的破裂極限。 3.3.2矩形盒件拉深成形本研究中,應(yīng)用Oya

14、ne韌性斷裂準(zhǔn)則評(píng)價(jià)不等轉(zhuǎn)角盒形件拉深成形中破裂極限。研究對(duì)象是X611-T4,初始厚度為1.0mm。盒形件拉深模具的幾何尺寸主要有:凹模型腔長(zhǎng)度280mm,寬度為145mm,且長(zhǎng)度兩側(cè)轉(zhuǎn)角不同,其半徑分別為30ram和50mm,如圖3.10所示,凸凹模圓角半徑分別為10ram。矩形板料的初始尺寸為400x300mm,長(zhǎng)度方向?yàn)檐堉品较?。除恒定壓邊力?其他試驗(yàn)條件同前述試驗(yàn)。 圖3.11有限元模型為了核查有限元仿真的精度,將仿真的厚度同試驗(yàn)值進(jìn)行了比較。圖3一12是x611-T4拉深成形中仿真厚度分布和試驗(yàn)值的比較,圖中OC和OD代表所研究的截面如圖3.11所示。在圖1中,測(cè)量點(diǎn)見的間隔距離

15、為10mm其凸模行程為60mm。在拉深試驗(yàn)中,初始板坯為圓形,且直徑為由200mm,恒定壓邊力為30kN。從圖3.12中可以看出,模擬結(jié)果和試驗(yàn)值是吻合的。這說明模擬中輸入的模型和邊界條件是切實(shí)可行的。E-Y堂.Ct'-O riginal dislan ce from the centek mm圖3.12仿真厚度和試驗(yàn)值的比較39圖3.13是試驗(yàn)件照片,其中恒定壓邊力為80kN。從該圖中可以看出,裂紋出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角為30mm傾0的凸模圓角位置附近,且裂紋周圍并沒有明顯的縮頸現(xiàn)象出現(xiàn)。圖3.14顯示的是E點(diǎn)和F點(diǎn)處面內(nèi)剪應(yīng)力分布情況,E點(diǎn)和F點(diǎn)的位置如圖310所示,處于成形件圓角與直邊相交線位置,且距離邊緣的距離是相等的。由于E 點(diǎn)的剪應(yīng)力明顯大于F點(diǎn)的,所以在AC側(cè)(見圖310所示圓角位置板料法蘭部分的板面內(nèi)彎曲變形更大。這種板面內(nèi)彎曲變形阻礙了板料向凹模型腔內(nèi)流動(dòng),并聚集在圓角入口附近,致使此側(cè)板料流入量小,裂紋先于另一側(cè)出現(xiàn)。 圖3-