板材多点成形与模具成形过程的比较研究

锻压技术 200J年 第 1期 板材多点成形与模具成形过程的比较研究 上海交通大学机械工程学院 (200030) 李淑慧 林忠钦 吉林工业大学辊锻工艺研究所 李明哲 长春输油管理处长春维修队 李永宏 摘要 利用有限元方法对板材模具成形和多点成形的变形特点进行了分析 ，并在此基础上就不 同成形方法对起皱的抑制作用进行了对比，确定了不同成形方法起皱开始发生时的临界曲率及临界 厚向应变。结果表明：多点压机成形方法能够得到比多点模具成形和整体模具成形时变形程度更大 且厚度变化更加均匀 的制品。 关键词 板材成形 模具 数值模拟 起皱 厚向应变 Com paring between m ulti—point forming and stumping pm cesses for sheet metul parts Shanghai Jiaotong University Li Shuhui Lin Zhongqin 『L】in University of Technotogy Li M ingzhe Changchun Oil。transfer Administration Bureau Li Yonghong Abstract The deformation characteristics of multi point iorming and stamping methods for sheet metal parts is analyzed by means of finite element method． And the influence of different forming methods 0n the wrinkhng is com pared in detain． The critical curvature and normal strain when the wrinkle is about to appea r a re evaluated during the MPF and the stamping processes．The great influence of multi point press forming method oct the improvemen~of the forming ability and qua]ity is explained further relative to rhe multi point die form ing and stamping methods+ Key~ords Sheet metal forming Die Numerical simulation W rinkling Normal strain 一 、 引言 在现代工业生产中．板材的弹塑性弯曲和冲压 成形工艺被广泛地应用 于制造压力 容器 、汽车 、船 舶、飞行器的外壳等大型金属结构件以及各种形状 的日常用品 传统的板材成形方式采用模具冲压成 形，模具设计、制造、调试周期长．且费用昂贵， 仅适用于大批量或高成本、中等批量生产的情况。 为此 ．在压 力加工领域 ，适用于多品种、中小批量 生产的柔性加工技术已成为一种引人注目的发展趋 向 ‘I 无模多点成形技术就是一种利用高度可调 的基本体群形成可变的离散曲面进行三维曲面成形， 从而极大地提高模具对工件的适应性的柔性加工技 术 本文利用有限元方法对 多点成形 与模具成形过 *女 2 7岁．博士后 收藕 日期 ：2000 02 28 20 程进行 比较研究 ，并就 不同成形方法对起皱临界点 的影响进行对比分析 。 二、多点成形过程有限元模型的建立 由于板料较薄，多点成形过程 中弯曲效应 占主导 地位，故采用四边形 BT壳单元对板料进行离散化。 各基本体则部分为三角形和四边形混合壳单元．采用 刚体材料模型。由于基本体考虑为刚体，为了节省 CPU时间．故模型中仅考虑 与板料接触 的基本体球 头部分．而不将基本体杆部计人模型中。对于目标形 状对称的制品，为了防止板料发生不必要的偏移或转 动，成形中对其对称轴上节点沿轴的法向运动及绕平 面法向旋转的自由度施加约束。板料(1／4)和基本体 球头部分的网格剖分结果如图 1所示 。 由于各种多点成形方法的成形原理不同．其有限 元模型的初始条件、边界条件亦各不相 同。本文 多 点模具成形和多点压机成形为例建立有限元模型 维普资讯 http://www.cqvip.com 图 1 板料和基车伴网格 割分结 果 (a)板料 (b)基丰体 对于多点模具成形方法，上 (或下)基本体群 固定 ，下 (或上)基本体群的运动可通过两种方式 控制。一种是通过位移 (或速度)曲线控制，另一 种则通过给定主动基本体群的压力或压强曲线进行 控制。以柱面成形为例 ，其总体模型见图 2a。 对于多点压机成形，所有基本体均只保留沿冲 压方向运动的自由度，并且分别给定每个基本体位 移 (或速度、加速度)曲线，控制其运动过程，从 而随意改变板材的变形路径，达到改善板材受力状 态的目的，jC有限元模型见图 2b 囝 2 多 点 成 形 有 限 兀模 型 (a)多点模具戚形 (b)多点压机成形 多点压机成形过程中，如何给定各基本体的运 动曲线对板材成形质量至关重要，不良变形路径易 于在板材表面形成压痕等缺陷 。板材成形过程中， 表征成形曲面的典型参数是其曲率或曲率半径，如 果在整个变形过程中，板材所有点的曲率变化率能 够基本保持恒定，则板材将获得相对均匀的变形状 态．这将有利于提高板材的成形极限。以圆柱弯曲 为例，可将整个变形分成若干阶段，并使得每一阶 段的目标形状均为不同曲率的圆柱面。在每一阶段 内，各基本体作匀速运动。相邻阶段之间曲率相差 越小，变形路径越好。 三、矩形板在双曲模中成形过程 的数值模拟 起皱是压缩失稳在薄板冲压成形中的主要表现 形式。对任意一个起皱现象 ，在其发生和发展的过 程中，在与皱纹长度垂直的方向上都必然存在压应 力。当外力在板料平面内引起的压应力使板厚方向 达到失稳极限时便发生失稳起皱，皱纹的走向与压 应力垂直 。为了更好地理解起皱的形成规律 ，应用 动态显式有限元分析软件 LS-DYNA对矩形板在双 曲模中的多点成形过程以及模具成形过程进行了模 拟分析 。 1．矩形板多点模具成形过程的模型 以椭球面成形为例 ．对尺寸为 140mm×140ram ×2ram的纯铝板在双向曲率半径分别为 210ram和 t40mm的多点模中的成形过程进行模拟分析。结果 表明，矩形板在多点双曲模中的冲压过程具有比较 明显的阶段性： (1)在矩形板多点模具成形初期 ，由于板 的双 向弯曲与加载路径相关，在双向弯矩非比例加载的 情况下，板料长度方向和宽度方向的纤维不同时进 入塑性状态，弯曲变形主要沿 目标曲率值较大的方 向 (x)进行，此时板的另一方向 (y)纤维几乎仍 保持平直，即该阶段板料所经历 的基本上是柱形弯 曲，也就是同板条的行为相似 (见图 3a)。 ) 图3 椭球面多点模具成形过程模拄{结果 (2)在 x边中点与基本体接触 (第一次触底) 2l 曩◇ 维普资讯 http://www.cqvip.com 后，板的弯曲变形更多地表现在 y方向的纤维上， 与此同时，x边与基本体群接触区域逐渐从中点向 外扩展 (见图 3b)。 这一阶段与初始阶段的一个重要不同在于 ，板 内 产生膜力，并逐渐取代初始阶段柱面弯曲时弯矩在决 定板内应力分布和变形模式上起到的决定性作用。 (3)随着板的挠度的增大，x边中点与基本体 接触 区域可能发生局部屈 曲 (见图 3c) 这种趋 势 对于较方的板尤为明显，狭长的板条一般不易发生 皱曲 以上矩形板在双曲多点模中的成形过程的描述 是具有典型性的，对其它矩形板试件的模拟结果也 证实了这一点。 2．矩形板 多点压机成形过程的模型 多点压机成形过程与多点模具成形有很大的不 同。多点压机成形过程中，基本体始终与板料接触， 加载条件相对要均匀得多，因此，在板的长、宽方 向上变形几乎同时进行 ，不存在哪个方向明显的优 先变形，极大地改善了板的受力状态，因而避免了 由于板的局部优先变形而产生的皱曲倾向。其变形 过程见图 4。 (郇 圈 4 椭球面多点 压机成形 过程模拟结果 3、矩形板模具成形过程的模拟 矩形板在整体模具中的成形过程与在多点模具 中的成形基本类似，也经历了上述的前两个阶段 不同的是在成形终了台模时刻，由于模具对成形件 中具有起皱倾向部分施加压应 力 ，改善了板材受力 22 状态，太大地削弱了皱纹产生的可能。其成形过程 见图 5。 (c) 图 5 椭球 面模具 成形过程模拟结果 四、成形方法对起皱的影响 通过对多点成形以及整体模具成形过程的模拟 分析可以看出，不同的成形方法对板料的加载形式 不同，必然使得板料内部产生不同的应力状态．从 而影响最终结果 下面 以厚度为 2ram 的纯 铝板 成 形双向曲率半径均为 2"1Omm的马鞍面为例．就几 种成形方法对起皱现象的不同影响进行了模拟。 1．多点模具成形与多点压机成形对起皱的影响 模拟结果表明，采用多点模具方式成形时．马 鞍面中心部位发生起皱现象；采用多点压机方式成 形时 ，其结果 良好。 其主要原因是多点模具成形开始时，只有少数 较长的基本体和板料接触，并施加成形载荷．使得 马鞍面的双向曲率不能同等变形，即存在着某个方 向优先变形的情况，造成沿板材表面变形分布不均 匀．在板料中心峰脊处曲率与弯矩均比板料其余部 分高．而边部则比较平直，使得板料中心平行于皱 褶长度方向形成切向拉应力，垂直于峰脊长度方向 平面内切向压应力值很高，且成形过程中马鞍面中 心部分板料和基本体未接触，属悬空区，法向约束 很少 ，因此，当切 向压应 力的值达到一定程度 后， 维普资讯 http://www.cqvip.com 使得材料厚度方向发生屈服，从而产生皱纹。 相反，多点压机成形的整个过程中，板料的双 向曲率接近于同等变形．沿板的长度和宽度方向上 曲率分布比较均匀，在板料中心处不存在弯矩峰值． 并且沿板的长、宽方 向均为压应力 ．成形过程 中基 本体对板材约束充分 ．起到均布载荷 的作用 ．因而 在板平 面内垂直于皱纹长度方 向上的压缩变形 比较 容易．结果使毛坯中间部分起皱的趋向性降低。因 此说．多点压机成形方式要优于多点模具成形方式。 2．多点成形与整体模具成形对起皱的影响 由整体模具成形过程的分析可知．整体模具成 形时，由于板料与模具的接触状态也是由初始的局 部接触逐渐扩展为成形结束时的全部接触，这样在 成形初期 ，板料比多点压机成形时具有较强 的发生 失稳起皱的倾向。虽然在合模时表面质量得到了一 定的纠正，但是板材内部的成形质量必定会受到一 定的破坏 采用多点成形与模具成形方式时．板料中心沿 垂直于皱纹 (潜在)长度方向的厚向应变模拟结果 见图 6。从图中可以看出，多点压机成形远较整体 模具成形时厚度分布均匀 ．板的边缘厚度减薄以及 中部厚度堆积都不严重。而整体模具成形时，在板 心部位厚度堆积严重，且与相邻部分板料厚度差别 较大，这将造成板内残余应力的升高，继而影响到 板材的机械性能。因此多点压机成形与整体模具成 形相比，可以得到不仅表面质量良好 ，而且内部性 质优 良的制品。 袋 斟 世 '叵 一。晶 一一。 固 6 同成形方式下板材厚向应变分 布模拟结果 五、起皱临界点的确定 在板材多点成形过程 中，限制其成形的主要因 素是起皱的发生。下面以矩形板球面成形过程为例， 对多点压机成形和整体模具成形时起皱的临界点进 行考察 (见图 7)。由图可见，随着板 材厚 度的增 加，发生失稳时的临界曲率值升高，这也充分说明 了厚板较薄板对起皱具有更强的抑制作用。并且， 对相同的板材，采取多点压机方式成形时发生起皱 的临界曲率要大于模具成形，对于厚板成形这种优 势尤为显著。这一点充分说明了多点压机成形方式 优于整体模具成形方式，并且尤其适合于厚板成形。 目 ＼ 苷 鲁 土星 图 ? 另外 ， 向应变结果 临界值时， 不同厚度的 点模具成形 ： ．- = 毒毳 耄 2 0 — — 一 ～ — — — — — =l_—： ． ． ⋯ T· 图 8 不 同成形方式下 起皱发 生的临界厚 向应变值 厚)；整体模具成形时约为一6．7～ 7．o ；多点压 机成形时约为一2．8～一3．1％。整体模具成形时的 临界厚 向应变远远高于多点模具成形 时的临界厚向 应变值．这是由于整体模具成形终了时，凸模和凹 模的闭合大大改善了板料的受力状态，从而将起皱 现象消灭在萌芽状态。而多点模具成形和多点压机 成形方式的临界厚向应变值均低于整体模具成形的 临界值．这是由于离散的基本体在成形终了时对板 料形状及受力状态的改善作用较整体模具成形时要 弱。多点压机成形时由于设置了有利于均匀变形的 成形路径，从成形开始即避免了厚度的剧烈变化， 因而．在临界曲率值高于整体模具成形的情况下， 厚向应变的临界值仍然低于模具成形的临界值，这 进一步说明了与整体模具成形方式相比，多点压机 成形时由于受力状态从根本上的改变，能够得到大 变形程度而厚度变化均匀的制品。 另外．针对马鞍面多点模具成形时起皱现象的 发生进行了实验研究．起皱开始发生的临界曲率模 拟结果与实验结果基本相符 (图 9)，实验值较计算 23 维普资讯 http://www.cqvip.com 略低。其主要原因可能有以下几个方面：(1)材料 的实际参数与手册中查得值存在偏差；(2)材料本 构关系与实际材料存在偏差，如未考虑板料的面内 各向异性；(3)实验设备的系统误差，以及摩擦条 件与实际的偏差。 扳材I擘度 t m 图 9 马鞍面多点模具成形 时的临界曲率 六、结论 通过对不 同成形方法起皱开始发生时的临界 曲 率以及临界厚向应变值进行对比可知．对相同的板 材，采取多点压机方式成形时发生起皱的临界曲率 要高于模具成形，对于厚板成形这种优势尤为显著。 这一点充分说明了多点压机成形方式优于整体模具 成形方式，并且尤其适合于厚板成形。与多点模具 成形和整体模具成形方法相比，多点压机成形方法 可以更有效地抑制起皱现象的发生，并且得到变形 程度较大，厚度分布均匀，成形质量良好的制品。 参考文献 l 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