基于VBHF的差厚激光拼焊圆筒件成形仿真研究
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第31卷第3期深圳大学学报理工版Vol．31No．32014年5月JOURNALOFSHENZHENUNIVERSITYSCIENCEANDENGINEERINGMay2014■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
Received:2014-01-13;Accepted:2014-04-17Foundation:National“TwelfthFive-Year”PlanforScience&Technology(2011BAG03B02);NaturalScienceFoundationofShenzhenUniversity(00035695)†Correspondingauthor:ProfessorLanFengchong.E-mail:fclan@scut．edu．cnCitation:WangJinlun,LanFengchong.Influenceofvariableblankholderforceontheformabilityoftailor-weldedblankwithdif-ferentthickness[J].JournalofShenzhenUniversityScienceandEngineering,2014,31(3):233-238.(inChinese)【材料科学/MaterialScience】
基于VBHF的差厚激光拼焊圆筒件成形仿真研究
王金轮1,兰凤崇2
1)深圳大学机电与控制工程学院,深圳518060;2)华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640
摘 要:为研究变压边力对差厚拼焊板成形性能的影响,以差厚拼焊圆筒形件为例,设计2种随位置、
行程不同的变压边力方案,得到了差厚激光拼焊圆筒形件的成形极限深度、焊缝移动量、破裂危险点处应
变路径及焊缝两侧应变分布的变化情况.研究表明,薄、厚侧压边力的大小和分布对破裂危险点应变路径
和安全裕度的影响很大,合理的变压边力分布可以调节焊缝两侧材料变形的均匀性,提高成形极限深度;
通过变压边力技术可以控制薄侧破裂危险点的应变路径由拉压应变状态向双向拉伸应变状态过渡,从而调
节破裂失效的位置,有效提高差厚激光拼焊圆筒件的冲压成形性能.关键词:金属压力加工;变压边力;激光拼焊板;成形性能;焊缝;应变路径;应变分布
中图分类号:TG386．3+2 文献标志码:A doi:10.3724/SP.J.1249.2014.03233
Influenceofvariableblankholderforce
ontheformabilityoftailor-weldedblank
withdifferentthickness
WangJinlun1andLanFengchong2†
1)CollegeofMechatronicsandControlEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,P.R.China2)SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,P.R.China
Abstract:Tostudytheinfluenceofvariableblankholderforcesontheformabilityoftailor-weldedblank(TWB),cylinder-shapedpartswithdifferentthicknesseswereused,andtwokindsofvariableblankholderforce(VBHF)
controlschemesweredesigned.Theforminglimitdepth,weld-linemovement,strainpathvariationsnearthe
fracturezoneandstraindistributionchangesacrosstheweld-linewereobtained.Theresultsshowthatthereisno
inevitableconnectionbetweentheforminglimitdepthandtheamountofweld-linemovement;thestrainpathof
fracturezoneneartheweld-lineisclosetotheplanestrainstate,whilethestrainpathofthepunchfilletisa
segmentedstrainstatewhichchangesfromatensionandcompressionstatetoabiaxialstretchingstate;withthe
increaseofBHFonthethinner/thickerside,thestrainconcentrationofthinnersidewillavoidthegenerationof
rupturedefectseventually.
Keywords:metalpressureworking;variableblankholderforce;tailor-weldedblank;formability;weld-line;strainpath;straindistribution
http://journal.szu.edu.cn234 深圳大学学报理工版第31卷
1 研究背景
变压边力是指在薄板成形过程中,压边力大小
随压边圈或凸模位置、行程而发生变化,是一种提
高板料成形能力的简单有效的控制手段,可以延迟
或消除成形过程中的起皱、破裂和回弹等缺陷[1-2].
随着汽车轻量化水平的不断提高,新材料(如高强
度钢板)、新工艺(如激光拼焊)等在车身上的使
用量逐渐增多,导致板料成形性能下降、回弹量大
等诸多问题,传统的恒定压边力控制难以获得满意
的冲压件质量[3-4].因此变压边力技术逐渐成为国
内外学者研究的热点.官英平等[5]采用数值模拟技
术,研究了变压边力对差厚拼焊板方盒形件成形质
量的影响,结果表明,可以通过调整焊缝两侧板料
压边力的大小提高拼焊板方盒形件的成形质量;李
云涛等[6]采用杯突试验,研究了6061铝合金拼焊
板的成形性能,得到了数值模拟结果与实验结果基
本一致的结论,并指出在模拟中可以忽略焊缝类型
仅考虑其位置;Srirat等[7]利用序列近似优化方法
对拼焊板方盒形件压边圈形状及压边间隙进行了研
究,发现序列近似优化方法在提高冲压件成形质量
方面效果显著.
变压边力控制可以通过多点变压边力液压压力
机或者数控伺服驱动方式实现.前者采用多个液压
缸调节压边圈各部分的压边力,每一个液压缸上安
装高度自动调节装置和压力传感器,根据各液压缸
的压力,由设定的程序自动调整顶杆高度,实现压
边力随位置、行程的改变;后者通过传感器检测拉
伸成形的瞬间位置和实际压边力大小并反馈给计算
机,比较实际压边力与理想压边力,将压边力调整
信号传送至伺服电机,由伺服电机带动执行机构完
成对压边力的调节与控制[8].
对于不同材料匹配下高强度拼焊板的成形性能
来说,随着两侧基板厚度比、强度比的不断增大,
焊缝两侧板料的流动性能差异变大,导致在拼焊板
冲压成形过程中不同位置、不同时期板料对压边力
的大小要求不同[9].而传统压力机冲压过程中,压
边力一般为恒定值,不能随位置和凸模行程而改
变,导致拼焊板两侧板料流动不均匀,从而制约了
板料的成形能力,影响着冲压件的尺寸精度.但针
对不同变压边力的控制效果而言,迄今研究尚无一个清楚而系统的结论,这主要由所用毛坯、模具尺
寸及加载历史或变形路径等复杂因素差异的影响所
致.本研究采用板料成形商业软件Dynaform研究随
位置/行程不同的变压边力对拼焊板成形极限深度、
焊缝移动量、破裂点处应变路径及焊缝两侧应变分
布的影响规律,探索提高激光拼焊板成形性能的途
径,为车身覆盖件的实际冲压生产工艺提供指导.
2 有限元模型及变压边力设计
拼焊板圆筒形件有限元模型如图1.模型既有
筒壁直边部分的拉延,又有底平面及圆角部分的拉
延,可用来模拟单拉应变状态、平面应变状态和双
拉应变状态等.考虑到大部分车身覆盖件的弯曲半
径范围,本例取凸模直径D=100mm,高h=62．5mm,圆角半径R=24mm;凹模圆角半径r=10
mm;由于拼焊板薄、厚两侧板材存在厚度差,为
兼顾薄、厚两侧模具间隙不一致的问题,模具间隙Δ=1．2mm.初始板料形状为圆形,半径为90mm,
薄、厚两侧基板厚度分别为0．8和1．2mm,材料
均为B180H1,焊缝位置在圆筒形件中心,考虑焊
缝位置,忽略焊缝类型,焊缝和热影响区采用一排
刚性焊点单元连接处理,焊缝宽度取1mm[10-11].厚
板和薄板厚度差用中面偏差模拟,考虑弯矩影响,
但忽略焊缝几何形状和材料本构模型的影响.
图1 差厚拼焊板成形有限元模型Fig．1 (Coloronline)FiniteelementmodelofTWB
设计了2种随位置不同的变压边力方案,方案1为保持厚侧压边圈压边力100kN不变,薄侧板料
压边力从60kN渐增到100kN,每次增加10kN,
计算危险点处应变路径的变化和焊缝移动情况;方
案2为保持薄侧压边圈压边力100kN不变,厚侧
板料压边力从100kN渐增到140kN,每次增加10kN,计算危险点处应变路径的变化和焊缝移动
情况.http://journal.szu.edu.cn第3期王金轮,等:基于VBHF的差厚激光拼焊圆筒件成形仿真研究235 随行程变化的变压边力主要有台阶式、V形式
和渐变式3种,如图2.其中,台阶式是指薄、厚
侧压边力在前一阶段保持恒定值50kN,后一阶段
为100kN;V形式是指薄、厚侧压边力在前一阶段
从100kN渐减到50kN,后一阶段又渐增到100kN;渐变式是指薄、厚侧压边力从50kN渐增到
100kN.各种情况下的压边力均值均为75kN,压
边力变化时刻对应于凸模总行程的50%.
图2 3种随行程变化的变压边力形式Fig．2 ThreekindsofVBHFchangewiththetrip
3 不同位置下的变压边力
3．1 成形极限深度的变化
方案1和方案2厚、薄两侧不同压边力分布时
的成形极限深度如图3所示.方案1中厚侧压边力
恒定时,随着薄侧压边力的增大,拼焊板的成形极
限深度逐渐减小,即薄、厚侧的压边力差值越大,
成形极限深度越大;方案2中薄侧压边力恒定时,
随着厚侧压边力的增大,成形极限深度亦呈减小趋
势,但厚、薄侧的压边力差值越大,成形极限深度越小.说明厚侧压边力设置的比薄侧小时,厚侧板
料流动阻力小,使厚、薄两侧材料的流动比较均
匀,成形极限深度有极大提高.这种情况是由于较
小的厚侧压边力扩大了引起焊缝移动的厚侧材料变
形区域,使更多的厚侧材料共同参与抵抗薄侧材料
的变形减薄,亦即将薄侧所需承担的变形分散到更
广的区域,缓解了薄侧材料应变的集中.在实际生
产中,可以采用分块压边圈,利用液压缸或伺服电
机分别控制作用在薄、厚侧压边圈上的压边力,达
到厚侧压边力比薄侧小的目的.
图3 不同压边力分布时成形极限深度Fig．3 ForminglimitdepthofdifferentVBHF
