拉延筋对回弹的影响机理研究

硬化指数 n 0. 1788 0. 0717 0. 0276
从图 6 和表 2 可看出 ,板料过拉延筋后有明 显的硬化 ,主要是在弯曲 、反弯曲过程中逐渐硬化 的 。采用等效拉延筋 ,忽略了这些弯曲过程 ,并且 在等效拉延筋约束力下 ,板料的硬化程度很小 ,甚 至不发生硬化 ,因此 ,采用等效拉延筋 ,不能准确 描述板料经过拉延筋后的硬化现象 。
开始的曲率为负 ,后
被压直曲率变为零 ,
而后曲率逐渐增大 ;
向下 翘 的 板 料 开 始
变形的曲率为正 ,后
也逐渐增大 ,它们最
后的变形一致 ,因而
曲率都 相 等 。图 11
是板 料 向 上 翘 或 与 图 11 翻边试验中板料弯
向下 翘 中 曲 率 与 弯 曲面向上 翘 与 向 下翘 时 弯
矩的关系示意图 ,以 及两 种 情 况 下 回 弹
经过拉延筋后的板料在卸载后产生弯曲 ,如 图 3 所示 。
图 5 板料在翻边试验中的放置
料的几何尺寸和材料参数都会发生明显变化 。表
1 列出了板料经过拉延筋前后几何尺寸的变化 。 板料经过拉延筋后有明显的变薄 。同时 ,板料的 宽度变化量不大 ,这说明采用平面应变理论模型 分析该变形过程 ,误差不会很大 。
收稿日期 :2004 —11 —23 基金项目 :福特 —中国研究与发展基金资助项目 (50122154) ;国 家重点基础研究发展计划资助项目 (2004CB719402)
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1 试验研究
试验研究包括拉延筋影响试验 、平板拉伸试 验和翻边回弹试验 ,其中拉延筋影响试验比较特 殊 。传统的拉延筋试验的目的在于确定材料在一 定压边力条件下的拉伸力与拉伸位移的关系 ,为 仿真中的等效拉延筋模型提供参数[2] 。而本文的 拉延筋影响试验的目的在于确定材料在过拉延筋 后特性的变化 。拉延筋试验装置中上下模块的距 离由添加的垫板调节 ,在每次试验中 ,上模块被油 缸压死 ,上下模块的距离是固定的 。通过调节拉 延筋试验装置上下模块的距离可以调整拉延筋的 压入深度 ,使板料达到不同的变形程度 。图 1 是 本文采用的双拉延筋试验示意图 ,对单拉延筋试 验来说 ,原理也类似 。
3 拉延筋对回弹的影响机理
材料过拉延筋后 ,一般会进一步沿着凸凹模 圆角拉延 ,图 7 是一个典型的拉延模压料面截面 示意图 。这里采用直弧翻边试验来模拟板料过拉 延筋后继续向上弯曲或向下弯曲的情况 。
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图 7 典型拉延模具的压料面截面示意图
在翻边试验中 ,板料向上翘和向下翘回弹结
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中国机械工程第 16 卷第 20 期 2005 年 10 月下半月
间的弯曲反弯曲部位的曲率都为负外 ,其他部位 的曲率为正 。考虑材料在弯曲过程中的强化 ,并 忽略沿圆弧或直线传力区中的弯矩变化 ,可以计 算每个曲率下的弯矩 。图 10 是板料上一点经过 单拉延筋过程中的曲率与弯矩关系的示意图 , M 是弯矩 , k 是曲率 , k = ±1/ R , 根据弯曲方向定正 负 , R 是板料中面弯曲半径 。
2 板料过拉延筋后材料参数的变化
板料过拉延筋时 ,受到多次弯曲与反弯曲 ,板
1. 过双拉延筋 2. 过单拉延筋 3. 未过拉延筋 图 6 经过拉延筋前后材料特性曲线的对比
表 2 是经过拉延筋前后硬化模型参数对比 。
表 2 经过拉延筋前后材料模型参数对比
未过拉延筋 过单拉延筋 过双拉延筋
硬化系数 K( GPa) 0. 5181 0. 4604 0. 4510
图 10 板料中一点经过拉延筋的弯矩与 曲率的关系示意图
从图 10 中可看出 ,板料过拉延筋的出口部
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位 ,也就是最后的一个弯矩没有释放 。在拉延筋
试验取下板料后 ,正是这个弯矩使板料发生弯曲 。
弯矩释放后曲率为正 ,也就是弯曲方向与凸模圆
弧圆心所在方向相反 ,图 3 所示板料的弯曲方向
证明了该判断的正确性 。在模具设计制造中 ,已
未过拉延筋 过单拉延筋后 过双拉延筋后
5. 60 12. 50 14. 70
5. 60 4. 50 5. 80
5. 60 8. 50 10. 25
下面从理论上分析板料弯曲的原因 。图 9 是板料经过单拉延筋的变形的 6 个过程[6] 。板料 的直线与圆弧的连接区 ,也就是在弯曲反弯曲部 位 ,曲率都有一个逐渐增大或减小的过渡过程 。
图 9 板料经过拉延筋时的变形过程
Lee 等[7] 提出的回弹一维分析方法 ,是把板 料经过拉延筋时的变形处理为平面应变问题 ,按 弯曲方向把曲率分为正负 ,分析变形过程中板料 曲率与弯矩的关系 ,在拉延筋出口的弯矩释放 ,就 可得到板料的回弹量及其弯曲方向 。
按照文献[ 7 ]的分析方法 ,如果定义弯曲方向 向着凸模圆弧圆心的弧度为负 ,那么 ,图 9 中除中
表 1 板料几何参数的变化 单位 :mm
变形前 (原始尺寸) 过单拉延筋后 过双拉延筋后
长度
100. 0 105. 5 113. 0
宽度
75. 2 75. 0 74. 6
厚度
1. 20 1. 14 1. 07
板料经过拉延筋后 ,测试其拉伸力与位移曲 线有明显的不同 。按照一般计算方法 ,得出幂指 数硬化模型参数 。经过单拉延筋与双拉延筋后的 真实应力 —应变曲线和试验前的真实应力 —应变
Advanced technology for vehicle body design & manufact ure key laborato ry of Minist ry of educatio n , Hunan U niversit y , Changsha ,410082
Abstract : Drawbead test and simple tensio n test were used to st udy t he geo met ric and material paramet ric changes of t he blank after passing t hro ugh t he drawbead. Flange test and met hod of o ne dimensio nal analysis of sp ringback were adopted to investigate t he influences of drawbeads o n sp ring2 back. Result s show t hat , af ter passing t hro ugh t he drawbeads , material of t he blank is hardened , and resultant st ress is lef t in t he blank , which are t wo key factor s affecting sp ringback. Even t he equiva2 lent drawbead model p rovides accurate forces in simulatio n , it cannot satisf y t he requirement s to give an exact sp ringback p redictio n.
经发现拉延筋加工在凹模或者凸模上 ,对板料的
翘曲 (回弹) 的影响有很大的不同[8] 。这个弯矩是
在拉延筋出口部位的板料在厚度方向上的残余应
力的宏观反映 。
现在分析 该 弯 矩 的 存 在 对 翻 边 后 回 弹 的 影
响 。同样按 Lee 的分析方法 ,把弯曲方向向着凹
模圆角圆心的方向定义为正 ,那么向上翘的板料
图 8 过拉延筋后板料的 翻边回弹
(左 :向下翘 ;右 ,向上翘)
翘与向下翘的回弹量之间的差的平均值可看成是
由于板的弯曲方向对回弹的影响 。以上两个因素
的影响都很大 ,并且过双拉延筋后板料的硬化对
回弹的影响比残余力矩对回弹的影响还大 。
表 3 过拉延筋前后板料翻边回弹角度
单位 : (°)
向上翘θ1 向下翘θ2 平均值 (θ2 +θ2) / 2
中国机械工程第 16 卷第 20 期 2005 年 10 月下半月
拉延筋对回弹的影响机理研究
刘迪辉 钟志华
湖南大学现代车身技术教育部重点实验室 ,长沙 , 410082
摘要 :采用拉延筋影响试验 、平板拉伸试验 ,研究了板料过拉延筋后几何参数和材料参数 的变化情况 ,结合翻边回弹试验和回弹一维分析方法 ,研究了拉延筋对回弹的影响机理 。研究 表明 ,板料过拉延筋后板内的残余应力和材料的硬化是影响回弹的关键因素 ;等效拉延筋模型 即使能提供准确的拉延阻力 ,一般也难以满足精确计算回弹的要求 。
Key words : sp ringback ; mechanism ; drawbead ; material parameter
0 引言
在薄板冲压成形过程仿真计算中 ,由于拉延 筋的半径小 ,如果采用真实的拉延筋模型 ,将需要 很小的单元尺寸 ,从而显著降低系统的临界时间 步长 ,大大增加仿真计算时间 。为了在保证有工 程意义的仿真计算精度条件下尽可能减少计算工 作量 ,一般采用等效拉延筋模型[1] 。在等效拉延 筋模型中 ,一般只考虑了板料在给定条件下受到 的等效拉延筋约束力 ,仿真中把这些力分散到相 应的节点上[2] 。一般采用平面应变假设 ,计入材 料的硬化和材料的厚向异性 ,或板料过拉延筋后 的变薄现象 ,来计算等效拉延筋约束力[3 ,4 ] 。当 前等效拉延筋模型可以提供准确的拉延阻力 ,但 不能反映板料过拉延筋后的出口残余应力和板料 硬化对板料回弹的影响 。本文通过试验和理论分 析 ,探讨了拉延筋对回弹的影响 。这一研究对提 出更准确的等效拉延筋模型 ,以及更准确地分析 与预测零件的回弹都有积极意义 。
矩与曲率 的 变 化 以及 最 后 的回弹示意图
拉延筋对回弹的影响机理研究 ———刘迪辉 钟志华
量的对比分析 , k1 、k2 分别代表板料向上翘和向 下翘时在翻边过程中的回弹量 。产生同样的弯曲 变形 ,向上翘的板料需要的弯矩大一些 ,最后的回 弹量也就大一些 。
关键词 :回弹 ;机理 ;拉延筋 ;材料参数 中图分类号 : T G386. 3 文章编号 :1004 —132 Ⅹ(2005) 20 —1876 —04
Research on Springback Mechanism Affected by Dra wbeads Liu Dihui Zho ng Zhihua
曲线的对比如图 6 所示 。
图 3 经过拉延筋试验后的板料
图 4 是翻边回弹试验采用的专门设计的模 具[5] ,用于研究板料过拉延筋后继续弯曲变形时 的回弹 ,从而分析拉延筋对回弹的影响机理 。
图 4 翻边回弹试验采用的专门模具
将图 3 所示过拉延筋部分的弯曲板料切片 , 保持其弯曲 。在翻边试验中 ,一部分板料弯曲面 向上 ,让其向上翘 ;一部分弯曲面向下 ,让其向下 翘 。图 5 是板料分别向上翘或向下翘的示意图 。
果有明显的不同 ,所得的试验回弹照片见图 8 。
表 3 列出了板
料过 拉 延 筋 前 后 在
直弧 翻 边 后 的 回 弹
角度 。
分析表 3 中的
结果可看出 ,如果忽
略板 厚 对 回 弹 的 影
响 ,向上翘与向下翘
的回 弹 量 平 均 值 同
未过 拉 延 筋 板 料 回 弹量 的 差 值 可 看 成 是由 于 板 料 硬 化 对 回弹的影响 ,而向上
图 1 双拉延筋试验原理图
拉延筋对回弹的影响机理研究 ———刘迪辉 钟志华
图 2 所示为钣金综合试验机 。图 1 所示的拉 延筋试验的上下模块是图 2 中左边油缸下面的夹 持部分 。
图 2 钣金综合试验机
试 验 步 骤 如 下 : ①截 取 长 1200mm , 宽 75mm ,厚 11 2mm 的试验样件 ; ②在左边夹持部 分加适当垫板 ,按要求把试验板料放入钣金综合 试验机进行拉伸试验 ; ③将拉伸变形后的板料和 垫板取下 ,截取经过拉延筋的部分作为二次拉伸 样件 ; ④将二次拉伸样件再放入钣金综合试验机 进行平板拉伸试验直到板料拉断 ,从而获得拉力 与变形曲线 ; ⑤以上述拉力与变形曲线为基础 ,采 用常规方法计算出板料变形后的特性参数 ; ⑥将 一部分二次拉伸样件切成更小的样件做翻边试验 并测量其回弹 。