筒形拉深件的压边力有限元分析

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AnAnalyticalStudyonBlankHoldForceofCircularPlatesDrawingBasedonFiniteElementTechnologyLIZai-Can，JIANGJie（YunnanProvinceElectromechanicalIntegrationApplicationTechnologyKeyLaborqtory,YunnanMachineryResearchandDesignInstitute,KunmingYunnan650031,China)Abstract:TakeTheCircularPlatesdrawingasresearchobject,usingthefiniteelementnumericalsimulationtechnology,studiedtherela-tionshipflangewrinklingandthewallrupturebeteenblankholderforce,obtainedthedrawingwindow;basedontheanalysisofthedrawingratio,frictioncoefficient,sheetthicknessandblankholderforcerelationship,recommendblankholderforcecalculationformula.Keywords:drawingwindow；finiteelementformingsimulationtechnology；criticalblank-holderforceofwrinkless0引言在带凸缘的筒形零件深拉伸工艺中，压边力是拉深的重要工艺参数。施加压边力能够抑制凸缘部分由于板料在拉深时产生的受压失稳产生的起皱，但是，随着压边力的增大，又很可能会引起筒壁部分产生拉裂。所以，合理的压边力应在一定范围内，在拉深深度内，既不引起拉裂，也不产生起皱。传统的冲压模具设计和压力机选取中，设计人员使用的压边力的计算方法多来自实验法和半理论方法所得到的经验公式，公式参数显得非常笼统，有的参数物理意义也不明确，甚至没有考虑零件的大小、材料的性能以及零件的形状等重要影响因素，因而计算的结果具有较大的不准确性。在模具调试过程中，不仅增加了调模时间和调模难度，而且浪费了人力和物力，严重时甚至导致整个模具作废。由于影响压边力的因素很多，纯理论的计算公式也还难以推出和完善。随着计算机的应用和发展以及有限元方法的成熟，近年来发展了板料成形过程的数值模拟技术。随着对板料成形数值模拟技术研究的深入，诸如起皱、拉裂、回弹等成形缺陷的模拟精度都有很大的提高，使有限元数值模拟技术应用于压边力的研究成为一种可行的方法。本文试图应用有限元数值模拟技术，对压边力进行一些探索性研究。1压边力规律探寻应用有限元数值模拟的方法，对不同大小的压边力引起筒形件起皱和破裂的规律进行研究，是寻求压边力计算的基础。1.1材料参数、有限元模型的建立板料成形有限元数值模拟系统涉及到塑性力学、有限变形理论、有限元理论、板壳理论、计算数学、计算机辅助设计、计算机图形学和可视化技术等多方面的理论和技术。其中最根本的理论基础就是建立板料成形过程数学模型所需的塑性理论、有限变形理论、有限元理论和板壳理论。目前，应用于板料成形数值模拟商品化的软件有OPTRIS,ABAQUS,DAYA3D等。本文采用PAM-STAMP进行模拟分析，3D模型的建立包含凸模、修稿日期：2012－11－15作者简介：李再参（1971-），男，云南人，大学本科，高级工程师。主要专业方向：模具技术。已发表相关论文五篇；蒋杰（1959-），男，云南昆明人，大学本科，高级工程师。主要专业方向：模具技术、已发表相关论文十篇。摘要：以带法兰的桶形件为研究对象，运用有限元数值模拟技术，研究了其拉深法兰起皱和桶壁破裂与压边力的关系，得到压边力窗口图；通过数值计算了拉深比、摩擦系数、板料厚度与压边力的关系，基于分析结论推荐了压边力的计算公式。关键词：压边力窗口；有限元数值模拟技术；临界起皱压边力中图分类号：TP15文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2013.01.041文章编号：1002－6673（2013）01－104－03筒形拉深件的压边力有限元分析李再参，蒋杰（云南省机电一体化应用技术重点实验室云南省机械研究设计院，云南昆明650031）机电产品开发与创新Development＆InnovationofMachinery＆ElectricalProductsVol．26,No．1Jan．,2013第26卷第1期2013年1月

104·制造业信息化·压边圈、板坯和凹模，图1所示。模具几何尺寸：D0=

210mm，Dd=100mm；摩擦系数μ：0.15。用于冲压成形的钢（板）材有着相似的本构关系。我们选择具有一定广泛性的材料ST14作为仿真材料。其主要参数为：材料：ST14t=1mm；屈服强度:σs=220MPa；抗拉强度:σb=270MPa；异性指数：r0=1.77，r45=1.16，r90=1.94；其弹性模量：210GPa；泊松比：0.30；硬化指数n=0.22。1.2压边力窗口设定从5kN到120kN（增量为5kN）的压边力对模型进行逐次计算，随着凸模行程的增加，逐渐产生法兰起皱和筒壁破裂现象。本文对带法兰试件的拉深过程中法兰部分起皱和桶壁拉裂作为判定压边力的参考点。对于拉裂起始点，依据材料的成形极限图(FLD)，如图3中的纵坐标轴表示最大主应变，横坐标轴(水平轴)表示最小主应变。只要在FLD中描出零件的最大主应变和最小主应变，就能表示出一个零件的应变状态。在实际或理论的应变成形极限曲线以下为安全区，曲线以上为失效（破裂）区，如果有分布于破裂区的点，则说明相对应的零件区域有破裂产生，比较容易判断。对于起皱的判断，我们可以观察到凸缘上有明显的起皱和波纹产生，通过测量压边圈上的节点和凹模上的对应节点距离大于t（1+10%）=1.1mm，就是起皱。以凸模行程作为横轴，压边力作为纵轴，每一个压边力对应于凸模的行程有一开始起皱的点，将这些点进行连接得到一条曲线，曲线以下区域即为起皱区；同理可得到破裂曲线，曲线以上的区域为破裂区。其余（中部）为安全区，构成一个安全窗口（见图2），在这一窗口内的压边力和对应的冲压深度均能满足冲压要求。图中，凸缘起皱的临界压边力随着冲压深度的增加而逐渐增加，但到了一特定的点（此列为60kN）后就不再增大。1.3初步分析结论根据筒形件拉深的起皱与破裂窗口图的分析，在实际压边力的计算中，我们仅需要确定最大法兰起皱临界压边力，就可以保证我们尽可能的远离拉深破裂区，从而使问题简化为单一最大起皱压边力的寻求而不考虑拉深破裂的因素。2最大起皱压边力的影响因素分析根据筒形件拉深法兰起皱临界压边力理论函数模型：F=f（h，μ，G，C）。式中，h—拉深高度；μ—摩擦系数；G—几何参数；C—材料参数。公式表明，影响临界压边力的因素有材料、拉深高度，模具的几何参数、摩擦系数。我们可以使用有限元模型对这些影响因素作进一步分析，来考察影响因素对压边力的影响程度和影响的趋势。2.1拉深比B0=D0/Dd的影响设定不同的D0（150～210mm），可以得到不同的拉深比B0值，其余计算参数不变，经过多次试算的结果可得出压边随着B0的增大，临界起皱压边力也增大，类似于上升的二次曲线，如图3所示。2.2材料厚度t的影响分析设定不同的板料厚度t，其余参数不变，对临界压边力的影响如图4所示。可以看出，随着板料厚度的加大，起皱临界压边力有减小的趋势。2.3摩擦系数μ的影响现有计算压边力的经验公式少见考虑模具和板材的摩擦系数对压边力的影响。我们认为：冲压过程润滑状态的好坏和模具及材料的表面质量对压边力有一定程度的影响。反应到摩擦系数的变化范围一般可到0.01～0.3。常规普通润滑状态（工业冲压）其摩擦系数为0.1～0.15。考察摩擦系数对压边力影响，随着摩擦系数加大，压边力有减小的趋势。如图5所示

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图5摩擦系数对压边力的影响Fig.5CoefficientoffrictionInfluenceonBHF3压边力计算虽然我们难以得出压边力的理论计算公式，但可以借助有限元计算来验证现有的经验公式的准确性并可对其进行一定的修正。考察多个经验公式并对本例用于仿真的模具和材料等参数进行试算，摈弃较为繁琐的公式，我们推荐的经验公式[4]如下：F=App=480D0Dd-1.!"1D0tσb式中：σb—抗拉强度（单位为帕）；A—压料面积。其余如图1所示。用此公式计算此例得出的压边力数值为65.1kN，比较接近有限元计算结果，此公式计算简洁，同时考虑了多个影响因素，这些影响因素在算式中的与压边力所构成的数学关系，比较接近于我们采用数值方法分析的出的结果，至于摩擦系数的影响，可以考虑乘上一个0.9～1.1的修正系数，所以我们推荐使用。参考文献：[1]ESIGroup.ESI/PAMSTAMP2G_referencemanual_US.2007.[2]ESIGroup.ESI/PAMSTAMP2G_userguide_US.2007.[3]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，1997.[4]王孝培.实用冲压技术手册[M].机械工业出版社，2002.[5]罗亚军，板材拉深成形变压边力理论和数值模拟[D].上海交通大学，2003.[6]H.Gharib*,A.S.Wifi,M.Younan,A.NassefOptimizationoftheblankholderforceincupdrawing,JournalofAchievementsinMa-terialsandManufacturingEngineering,2006.（上接第105页）证烙铁头与电池片的浮动接触，采用微分头来调节烙铁头与电池片的接触程度，调整精度可达0.001mm。微动气缸与扶手气爪参数如表4所示。4焊接执行机构总装配体依次将上述所装配好的部件装配起来，如图5所示。对于这种悬臂布置的电池片焊接机构，可以在焊接平台不动的前提下，将焊接平台上焊好的电池片通过出料手移出焊接平台，从而提高了焊接的工作效率。5结论（1）设计的晶体硅太阳能电池片焊接执行机构结构合理，操作方便。（2）设计的晶体硅太阳能电池片焊接执行机构为开发晶体硅太阳能电池片单片焊接机提供了技术铺垫，使得开发高效、节能的晶体硅太阳能电池片单片焊接机成为可能。参考文献：[1]郝云容.太阳能电池的研究进展[J].广西物理，2008，3.[2]Solarzoom编辑部.2011-光伏行业发展的崎岖之路[J].Solarzoom光伏杂志，2011，10.[3]王海东，帅争锋，王鹤，杨宏.晶体硅太阳能电池片焊接技术及其发展趋势[J].电子工艺技术，2012，3.[4]卞化梅，等.数控火焰切割机机械结构设计[J].煤矿机械，2008，8.图4焊头微动单元实物图Fig.4Microunitpictureofweldinghead图5电池片焊接机构总体构架图Fig.5Overallframediagramofcellweldingmechanism烙铁微型气缸微分头123ZXY1.焊头微动单元2.精密工作台3.竖直运动单元表4气缸与气爪参数表Tab.4