拉延筋参数设置对异型脸盆成形质量的影响

第25卷 第5期2010年10月郑州轻工业学院学报(自然科学版)J OURNAL OF Z H ENGZ HOU UNI VERS I TY OF L I G HT I NDUSTRY(Nat u ral S cience)V o.l 25 N o .5O ct .2010收稿日期:2010-06-22基金项目:河南省科技攻关项目(2004424220245);河南省高校青年骨干教师资助项目(200327)作者简介:王红卫(1966 ),男,山西省昔阳县人,郑州轻工业学院教授,博士,主要研究方向为材料塑性成形CAE .文章编号:1004-1478(2010)05-0072-04拉延筋参数设置对异型脸盆成形质量的影响王红卫, 王锋(郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002)摘要:借助DYNAFORM 软件模拟异型脸盆成形过程,通过对模拟结果比较与分析发现:当虚拟冲压速度取2000mm /s ,压边力为200kN,模具圆角半径为10mm,间隙2.2mm,设置拉延筋深度为5mm,静摩擦系数为1,动摩擦系数为0,向外偏置50mm,围绕凸模直角边的 L !型线,每边长80mm 时,可改善成形质量.关键词:异型脸盆;拉延筋;成形质量中图分类号:TG146.2;TG386 文献标志码:AInfl uence on dra wbead setti ng to for m ability of speci al basi nWANG H ong w e,i WANG Feng(C ollege of M ech .E lectr .E ng .,Zhengzhou U ni v.of L i ght Ind.,Zhengzhou 450002,China )Abstract :By using the eta /DYNAFORM soft w are ,the specia l shape basin for m ing process is conducted .It is sho w n that when the v irtua l velocity is 2000mm /s ,b i n der force is 200kN,m odel radi u s is 10mm,t h e c l a p bet w een d ie and b lank is 2.2mm,t h e dra wbead para m eters such as dra w bead depth i s set as 5mm,static fricti o na l coe fficient is 1and dyna m ic fricti o na l coefficient is 0,o ffsetti n g 50mm, L !shape dra w bead w ith 80mm,each ri m can i m prove the for m i n g qua lity .Key w ords :spec ial basin ;dra w bead ;for m ing quality0 引言目前家用洗脸面盆在材料和工艺方面不断推陈出新,如铝合金材料广泛应用于洗脸面盆.铝合金面盆相对瓷器面盆来讲,有它自身的优点,即质量轻、磨砂表面给人以美的享受、不易破碎、容易安装、日常打理方便等.但它是薄壁类零件,主要是靠拉伸和胀形的复合成形,其缺陷是成形后个别部位开裂或产生起皱现象,影响使用和美观.随着DYNAFORM 有限元成形软件的使用,可实现基于成型工艺数值模拟的工艺设计,不仅能大大提高效率,还可节省试模费用.其中拉延筋的参数设置和布置对板料成形质量有显著的影响.目前国内在这方面的研究取得了一定的进展.李金燕等[1]采用等效拉延筋的设计和优化方法对汽车覆盖件的拉伸成形过程进行模拟分析,采用正交试验法,优化轿车立柱加强板的模具参数;李海波等[2]在方形盒圆角部位布置拉延筋,比较圆角处不同形式的拉延筋布置对成形质量的影响,研究了圆角部位斜拉延筋线角度变化对成形质量的影响;张士宏等[3]就拉深筋参数设置对汽车横梁成形过程进行数值模拟分析,得出不同的拉深筋参数设置对横梁成形质量有王红卫,等:拉延筋参数设置对异型脸盆成形质量的影响显著的影响;孙德林等[4]研究了拉延筋等效模型的标定及其多参数映射神经网络,对数值模拟的精度和效率影响进行了分析,并对方形盒冲压的实际过程进行了模拟.王红卫等[5]研究了异型面盆凹凸模参数及工艺补充面的设计对成形质量的影响,但未对拉延筋等效模型进行分析.刘刚等[6]针对不锈钢洗手盆的结构特点,分析计算其主要工艺参数及毛坯尺寸,运用DYNAFORM 成形分析软件对其进行模拟,分析零件的成形工艺及其起皱、破裂缺陷,通过对毛坯形状、拉深筋尺寸及位置、模具间隙、工艺切口、润滑等进行优化,避免了成形过程中的缺陷,获得了理想的毛坯形状和工艺参数.国内在这方面的研究文献比较多,但针对家用铝合金洗脸面盆冲压成形过程的数值模拟研究还比较少.由于现在市场上的产品形状材质各式各样,而每一特定形状和材质的产品都需要单独进行成形质量分析.本文拟针对一种异形脸盆的结构特点,结合数值模拟软件DYNAFORM 对铝合金脸盆的成形过程进行模拟,以期得到比较合理的工艺参数.1 有限元分析模型的建立零件的三维模型在Solidworks 中创建,做出曲面造型,如图1所示.图1 异形脸盆零件图/mm1.1 异形脸盆的工艺分析如图1所示,在异形脸盆制件的拉伸过程中,平板毛坯在凸模压力的作用下,凸模底部和沿凹模短边的材料变形很小,而沿凹模长边的材料变形较大,尤其是垂直盆壁的外缘毛坯的变形最大.变形区的金属在凸模压力的作用下,受到拉应力和压应力的作用,径向伸长,切向缩短,依次流入凸、凹模的间隙中成为盆壁.最后,平板毛坯完全变成异形脸盆制件.拉伸成形时主要考虑以下问题:拉伸的变形区较大,金属流动性大,拉伸过程中位于凸缘部分的材料因切向压缩极易起皱;处于垂直盆壁区的材料因受到径向强烈拉伸而严重变薄,甚至断裂,从而导致拉伸失败.因此有必要分析拉伸时的变形特点,找出发生起皱、拉裂的根本原因,以指导工艺的制定和磨具的设计,提高拉伸件的质量.运用DYNAFOR M 软件进行拉伸成形过程的有限元分析,可以方便、快速地满足分析要求.1.2 凸模和毛坯尺寸初选及网格划分毛坯初始形状对冲压成形结果有很大的影响,当毛坯初始形状不合适时,冲压件容易产生破裂和起皱等缺陷,甚至根本不能成形.而在有些情况下,当其他冲压条件比较合适时,通过改善毛坯的初始形状就有可能使原本失效的冲压件获得成功.所以在板料冲压成形中,如何确定合理的毛坯外形就显得非常重要,合理的毛坯外形不仅可以节省材料,防止拉伸件在成形时出现开裂、起皱等缺陷,还可以获得均匀的板厚,并有助于减少拉伸时所需的冲压力,从而减少模具的磨损.文献[2]将毛坯形状取为长560mm ,宽400mm.凸模法兰尺寸与毛坯尺寸相同.分别设压边力为100kN,50kN 和20kN,其他参数不变,得到零件的成形极限图.由零件在不同压边力下的成型极限图可以看出,毛坯尺寸增加工艺补充面后,零件的成形质量比原来的小毛坯有了明显的改善.在Solidwo r ks 中对毛坯的形状加以适当修改,将毛坯保存为I G ES 格式并导入到DYNAFOR M 中进行网格划分,得到最终的毛坯尺寸如图2所示.1.3 材料参数将模具视为刚体,采用刚性材料模型,即DYNAFOR M 软件材料库中的m ateria l type 20.板料采用弹塑性材料模型,即材料库中的m ater i a l type 37,在实际生产中采用铝合金板,在本次模拟中采用材料库中的铝合金牌号为AA5754铝.AA5754铝板的主要力学参数为:屈服应力为101.2M Pa ,各向异性指数0.77,杨氏模量69000N /mm 2,泊松比0 33,密度2.7∀10-9kg /mm 3,其应力应变曲线如图3所示.由经验设定P UNC H 的运动速度为2000mm /s ,B I N DER 的压边力为200kN.工具自动定位后测得#73# 第5期郑州轻工业学院学报(自然科学版)图2 毛坯尺寸和网格 图3 AA 5754的应力-应变曲线PUNC H 与DI E 之间的最小距离为104mm,则PUNC H 的行程为104mm -2mm =102mm.2 异形脸盆的成形过程模拟优化2.1 无拉延筋时异型脸盆成形分析用这个毛坯以及初始模拟中的凸模,压边力设为200k N,凸模速度设为2000mm /s ,再次进行模拟实验,得到零件的成形极限图和厚度分布图如图4所示.图4 无拉延筋时的成形极限图和厚度分布图从零件的厚度分布图可以看出,零件的最大减薄率为23.1%,在规定的限度30%以内;而该部分对应的外缘法兰的增厚率达到了14.65%,超出了增厚率10%的范围.综上所述,需要对直角拐角部分的工艺进行改进.2.2 拉延筋的布置拉延筋的作用是:增加进料阻力,调节进料阻力的分布,降低对压料面精度的要求,增加零件的刚性,提高零件表面质量[7-8].设置拉延筋可以改善零件的成形质量.1)创建一条围绕凸模边界的线,向外偏置50mm (零件的法兰宽40mm ),经过剪裁创建出2条围绕凸模直角边的 L !型线,每边长80mm.2)定义拉延筋的属性.设置拉延筋深度为5mm ,静摩擦系数为1,动摩擦系数为0.由DYNAFOR M 中的Auto Cur ve 功能生成拉延筋的各项参数.3)设置拉延筋加载曲线为抛物线型.4)将2条拉延筋锁定到压边圈上,如图5所示.图5 拉延筋锁定位置拉延筋的布置位置和 L !型弧半径大小,对板料的成形质量有很大的影响.现对拉延筋的弧半径大小进行不同的设定,以改进成形质量.设定拉延筋拐角处的弧半径大小分别为10mm,20mm,30mm 和40mm ,成形极限图如图6所示.#74#2010年王红卫,等:拉延筋参数设置对异型脸盆成形质量的影响在图6a)中,右边的拉延筋弧半径为10mm,左边的拉延筋弧半径为20mm,由此极限图可以看出,弧半径增大后,零件的起皱明显减少,这说明增大弧半径的做法是正确的;而左边拉延筋所在区域的起皱面积小于右边拉延筋所在区域的起皱面积,这说明20mm 的弧半径要优于10mm 的弧半径.在图6b)中,右边的拉延筋弧半径为30mm,左边的拉延筋弧半径为40mm,由此成形极限图可以看出,左边的起皱面积要小于右边的起皱面积,这说明40mm 的弧半径要优于30mm 的弧半径.但这种优势不太明显.事实上,比较图6a)和图6b ),不难发现,当拉延筋弧半径大于20mm 以后,起皱面积随着圆角半径的增大而减少的趋势已经不很明显.又由于零件的最终尺寸所决定,拉延筋的拐角弧半径不可能很图6 设置拉延筋的FLD 图大(零件的法兰边缘距凹口处40mm ).综合考虑,拉延筋的拐角半径取30mm 比较合适.综上所述,该实验所得的零件成形质量最为理想,没有严重的起皱和开裂.零件的最小厚度为1 46mm ,减薄率为27.11%,在规定的30%的范围内;最大厚度为2.07mm,最大增厚率为6.35%,小于10%.材料的流动也比较合理,不仅零件成形较好,而且节约了材料,降低了冲压过程中对模具的磨损.3 结论运用数值模拟软件DYNAFORM 对板料成型过程进行模拟,可以清楚地看到工件的变形过程,能够根据模拟分析的结果判断工件的缺陷种类及部位.能够有目的地对模具、毛坯形状、压边力、拉延筋等工艺参数进行优化改进,从而达到所要求的工艺参数.数值模拟结果表明,当虚拟冲压速度取2000mm /s ,压边力为200kN,模具圆角半径为10mm,间隙2.2mm 时,设置上述拉延筋的拐角半径为30mm 比较合适,可获得最优结果.参考文献:[1] 李金燕,傅建,彭必友,等.基于数值模拟的等效拉延筋设计与优化[J].塑形工程学报,2007,14(5):14.[2] 李海波,韩利芬,刘静珏.基于CAE 的拉延筋布置对板料成形质量的影响研究[J].塑形工程学报,2007,14(5):18.[3] 张士宏,程幸叶,唐杰.汽车覆盖件成形拉深筋的有限元模拟与优化[J].锻压技术,2008,33(6):140.[4] 孙德林,曾攀.拉延筋等效模型的标定及其参数映射神经网络[J].锻压技术,2004,29(1):21.[5] 王红卫,岳永胜.异型面盆成形参数优化的数值模拟[J].塑形工程学报,2010,17(1):74.[6] 刘刚,夏薇,苏广才,等.洗手盆工艺参数模拟优化设计[J].模具工业,2007(11):1.[7] 王秀凤,郎利辉.板料成形CAE 设计及应用 基于DYNA FORM [M ].北京:北京航空航天大学出版社,2008.[8] 陈文亮.板料成形CAE 分析教程[M ].北京:机械工业出版社,2005.#75# 第5期。