拉深模設(shè)計(jì)中拉深壁起皺的分析

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1、江蘇大學(xué)京江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)翻譯拉深模設(shè)計(jì)中拉深壁起皺的分析——F．—K．ChenandY．—C．Liao臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所摘要：在帶有斜度的方形盒和帶有階梯的方形盒的拉深中發(fā)生的起皺現(xiàn)象一直在被研究。這兩中類型的起皺現(xiàn)象有一個(gè)共同的特征：全都發(fā)生在相對(duì)無支撐、無壓邊的拉深壁處。在帶有斜度的方形盒的拉深中，常受到工序參數(shù)的影響，例如：模具的間隙值和壓邊力等，所以常用有限元模擬的方法來研究分析起皺的發(fā)生。模擬的結(jié)果表明模具的間隙值越大，起皺現(xiàn)象就越嚴(yán)重，而且增加壓邊力也不能抑制和消除起皺現(xiàn)象的發(fā)生。在帶有階梯的方形盒拉深的起皺現(xiàn)象分析

2、中，常通過實(shí)際生產(chǎn)中一種近似的幾何結(jié)構(gòu)來研究、試驗(yàn)。當(dāng)凸模與階梯邊緣之間的金屬板料在拉深時(shí)分布并不均衡，就會(huì)在側(cè)壁發(fā)生起皺現(xiàn)象。為了消除起皺現(xiàn)象的發(fā)生，一個(gè)最優(yōu)的模具設(shè)計(jì)常采用有限元的方法進(jìn)行分析。模擬的結(jié)果和起皺試驗(yàn)論證了有限元分析的準(zhǔn)確性，并且表明了在拉深模具設(shè)計(jì)中使用有限元方法分析的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞:側(cè)壁起皺；拉深模；帶有階梯的方形盒；帶有斜度的方形盒一、介紹:起皺是金屬板料成形中常見的失效形式之一。由于功能和視覺效果的原因，起皺通常是不能為零件制品所能接受的。在金屬板料成形加工中通常存在三種類型的起皺現(xiàn)象：法蘭起皺；側(cè)壁起皺和

3、由于殘余壓應(yīng)力在未變形區(qū)產(chǎn)生的彈性變形。在沖壓復(fù)雜形狀的時(shí)候，拉深壁起皺就是在模具型腔中形成的褶皺。由于金屬板料在拉深壁區(qū)域內(nèi)相對(duì)無支撐，因此，消除拉深壁起皺比抑制法蘭起皺要難得多。我們知道在不被支撐的拉深壁區(qū)域中材料的外力拉深可以防止起皺，這可以在實(shí)踐中通過增加壓邊力而實(shí)現(xiàn)，但是運(yùn)用過大的拉深力會(huì)引起破裂失效。因此，壓邊力必須控制在一定的范圍內(nèi)，一方面可以抑制起皺，另一方面也可以防止破裂失效。合適的壓邊力范圍是很難確定的，因?yàn)槠鸢櫾诶盍慵闹行膮^(qū)域以一個(gè)復(fù)雜的形狀形成，甚至根本不存在一個(gè)合適的壓邊力范圍。為了研究起皺的原因，Yo

4、shidaetal.發(fā)明了一個(gè)試驗(yàn)，即：一張薄板延著對(duì)角的一個(gè)方向進(jìn)行不均勻拉深。他們還提出了一個(gè)近似的理論模型，起皺的初始是由于彈性變形導(dǎo)致橫向壓力發(fā)展成為不均勻的壓力場。Yuetal.用試驗(yàn)和理論分析的方法來研究起皺問題。他們發(fā)現(xiàn)根據(jù)他們的理論分析，起皺發(fā)生在兩個(gè)環(huán)形的起伏處，而且試驗(yàn)結(jié)果指出了4—6處起皺。Narayanasamy和Sowerby通過圓錐形凸模和半球形凸模的拉深來研究金屬板料的起皺。同時(shí)，他們也試圖整理防止發(fā)生起皺的特性參數(shù)。這些試驗(yàn)都僅僅圍繞在與簡單形狀成形有關(guān)的起皺問題上，例如：一個(gè)圓形的盒件等等。在20世

5、紀(jì)90年代初期，3D動(dòng)態(tài)有限元方法的應(yīng)用成功，使得解決金屬板料成形復(fù)雜形狀的起皺現(xiàn)象的分析變成了可能。目前，研究人員都使用3D有限元方法來分析帶有斜度的方形盒和帶有階梯的方形盒零件拉深時(shí)在拉深壁處由于金屬板料流動(dòng)引起的褶皺以及在成形過程中的參數(shù)的影響因素。11江蘇大學(xué)京江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)翻譯一個(gè)有斜度的方形盒，如圖1（a）所示，盒形件的每一個(gè)傾斜的拉深壁都與圓錐盒形件相似。拉深成形過程中，在拉深壁處的金屬板料是相對(duì)無支撐的，因此，褶皺是傾斜的。在目前的研究中，各種關(guān)于起皺的成型過程參數(shù)都被研究。在帶有階梯的方形盒件的研究中，如圖1（b）

6、所示，觀察到了另一種類型的起皺。在當(dāng)前的研究中，為了得出分析的效果，實(shí)際生產(chǎn)用階梯形結(jié)構(gòu)的零件來研究。使用有限元方法可以分析出起皺的原因，并且可以使一個(gè)最優(yōu)的模具設(shè)計(jì)消除起皺現(xiàn)象。有限元分析使得模具設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中更為合理化。（a）帶有斜度的方形盒件（b）帶有階梯的方形盒件圖1二、有限元模型模具的幾何結(jié)構(gòu)（包括凸模、凹模、壓邊裝置等等），通過使用CAD和PRO/ENGINEER11江蘇大學(xué)京江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)翻譯來設(shè)計(jì)。使用CAD將3個(gè)節(jié)點(diǎn)或4個(gè)節(jié)點(diǎn)形成殼形的單體，進(jìn)而在模型上形成網(wǎng)格體系。使用有限元模擬，模型被視為是剛性的，并且相對(duì)應(yīng)

7、的網(wǎng)格僅僅可以定義模型的幾何形狀，不能對(duì)壓力進(jìn)行分析。使用CAD所建立的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的殼形單體可以為板料創(chuàng)建網(wǎng)格體系。圖2給出了模型完全建立時(shí)的網(wǎng)格體系和用以成形帶有斜度的方形盒件的金屬板料。由于對(duì)稱的原因，僅僅分析了零件的1/4。在模擬過程中，金屬板料放在壓邊裝置上，凹模向下移動(dòng)，夾緊板料。凸模向上移動(dòng)，拉深板料至模具型腔。為了精確的完成有限元分析，金屬板料的實(shí)際壓力——拉力的關(guān)系需要輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)。從目前的研究來看，金屬板料的深拉深的特性參數(shù)已經(jīng)用于模擬。一個(gè)拉深的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)用于樣品的生產(chǎn)，并且沿著壓延方向和與壓延方向成45°和90°

8、的方向切斷。平均的流動(dòng)壓力σ可以通過公式σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，計(jì)算出來，進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際拉力，如圖3所示，以用于帶有斜度的方形盒件和帶有階梯的方形盒件的拉深。目前研究中的所有模擬都在SGIIndigo2工作站使用有限元