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轉(zhuǎn)發(fā)自：制造技術(shù)/工藝裝備 現(xiàn)代制造工程（Modern Manufacturing Engineering) 2013年第11期

作者：謝秉順1，朱健軍1，魯萬彪1，唐晶晶1，艾國(guó)平2，盧文壯2 （1南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司工業(yè)化部，南京210031；2南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016）

義，彎梁板材采用BelytSChko-Wong-Chiang薄殼單元2，將凹、凸模和壓邊圈定義為剛體，采用* MATRIGID定義其平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，凸模、凹模以及壓邊圈與彎梁板材之間的接觸均采用* CONTACT-FORMING-ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE進(jìn)行定義，摩擦因數(shù)設(shè)定為0．巧。為了減少?zèng)_壓分析過程中各單元之間應(yīng)力的間斷性，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，彎梁板材采用精細(xì)的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為Imm, 沖壓模具采用剛體材料模型，其網(wǎng)格劃分采用細(xì)密網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為3mm。網(wǎng)格劃分后的彎梁成形過程分析的有限元模型如圖3所示。

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圖3彎梁成形過程分析的有限元模型

2結(jié)果與討論

2，1成形極限圖

成形極限圖也稱為成形極限曲線，它表示金屬薄板變形過程中，在金屬薄板平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變、 2聯(lián)合作用下，某一區(qū)域發(fā)生減薄時(shí)，可以獲得的最大應(yīng)變量。成形極限圖分為安全區(qū)、臨界區(qū)、破裂區(qū)和褶皺區(qū)四個(gè)部分，是判斷薄板成形性最有效的一種方法[ 。34] 通過沖壓成形數(shù)值模擬得到的彎梁板材成形分布情況如圖4所示。從圖4a中可以看出，總體上彎梁成形處于安全區(qū)內(nèi)，彎梁能夠順利成形。圖4b所示反映出彎梁板材成形分布不均勻，彎梁的上圓弧曲面和下圓弧曲面部分區(qū)域都有褶皺趨勢(shì)，主要是由于彎梁板材在塑性變形過程中，會(huì)受到復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)的作用，板材處于徑向受拉、環(huán)向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致起皺趨勢(shì)。在模具設(shè)計(jì)時(shí)可通過設(shè)置拉延筋等方法，將材料流動(dòng)阻力引人起皺區(qū)，抵消部分壓應(yīng)力的影響，從而消除起皺現(xiàn)象。

1.0

破裂區(qū)

o 、8

o 、6臨界區(qū)

o ，4

o ．2

0

、0，50一0．30一0．10 0彐0 0．30 住50

a)成形極限(主應(yīng)變82)圖

b)成形狀態(tài)區(qū)域分布圖

圖4彎梁板材成形分布情況

謝秉順，等：彎梁板材沖壓成形仿真分析及工藝改進(jìn) 2013年第11期

2．2等效應(yīng)力應(yīng)變

彎梁沖壓成形過程中彎梁板材與模具相互作用，應(yīng)力分布規(guī)律非常復(fù)雜，其中等效應(yīng)力、應(yīng)變是衡量板材是否拉裂的一個(gè)重要依據(jù)4，如果超過材料臨界值，在成形過程中板材有可能被破壞。應(yīng)用Dynaform 軟件仿真得到的彎梁板材成形等效應(yīng)力分布圖和彎梁板材成形等效應(yīng)變分布圖分別如圖5和圖6所示 從圖5和圖6中可以看出，等效應(yīng)力、應(yīng)變分布不均勻，等效應(yīng)力最大值為632園MPa，等效應(yīng)變最大值為 4，346 × 10 5，最小值為3，402 × 10一5等效應(yīng)力與應(yīng)變?cè)诜植家?guī)律上具有一致性，它們的最大值主要分布在壓延邊與側(cè)面筋板交界位置。該位置如果有直口，將會(huì)出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。采用工藝圓角可有效避免直口產(chǎn)生的應(yīng)力集中，避免在壓延邊與側(cè)面筋板交界位置被拉裂

圖5彎梁板材成形等效應(yīng)力分布圖

圖6彎梁板材成形等效應(yīng)變分布圖

2．3成形厚度減薄率

彎梁板材成形過程中通過模具與板材相互作用使板材由彈性變形向塑性變形急劇轉(zhuǎn)變，金屬流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，成形后的板厚出現(xiàn)了不均勻。厚度減薄率分布可為彎梁毛坯展開修正和模具約束方面的設(shè)計(jì)提供參考。圖7所示為彎梁板材成形厚度減薄率分布，從圖7中可以看出，成形后板材厚度分布規(guī)律不規(guī)則，彎梁的側(cè)面筋板厚度變薄，最大減薄率為24．03％，最小減薄率為0，300 4％。彎梁上圓弧曲面和下部壓延邊等彎曲部位部分區(qū)域增厚，增厚率為2，336％，對(duì)上圓弧曲面和下部壓延邊部位進(jìn)行充分約束，增大模具壓延力，可以防止在這些部位出現(xiàn)褶皺

圖7彎梁板材成形厚度減薄率分布

2，4模具與彎梁板材接觸力分析

彎梁板材沖壓成形過程中沖壓力的（即接觸力）大小是決定板材能否順利成形的關(guān)鍵因素。板材成形過程中模具與板材相互作用使板材發(fā)生大變形，需要沖壓機(jī)提供足夠的壓力。凸模與彎梁板材接觸力分布圖和凹模與彎梁板材接觸力分布圖分別如圖8和圖9所示，從圖8和圖9中可以看出，彎梁板材成形過程中模具與板材接觸力曲線先是逐步增大，到一定階段時(shí)接觸力迅速增大，然后下降，最終在一定的接觸力范圍內(nèi)波動(dòng)，彎梁板材與凸模中間接觸力最大值為 235，24kN，彎梁板材與凸模兩邊接觸力最大值為

556．7kN，彎梁板材與凹模中間接觸力最大值為

40 17 kN，彎梁板材與凹模兩邊接觸力最大值為 298kN。當(dāng)摩擦因數(shù)設(shè)定為0．10時(shí)，板材與凸模的接觸力最大值將由556．7kN降低為51 & 3kN，通過改變板材與模具之間的潤(rùn)滑條件，可以降低接觸力。

板材與凸模兩 邊接觸力

o，3 o、4 o，5 o、

o．

日0．

力 6

時(shí)間／s

圖8凸模與彎梁板材接觸力分布圖

板材與凹模中間接觸

板材與凹模兩邊接觸力

o ．

力

．4 05

時(shí)間/s

圖9 凹模與彎梁板材接觸力分布圖

2013年第11期 現(xiàn)代制造工程（Modern Manufactunng Engineenng)

3成形工藝改進(jìn)

根據(jù)上述有限元數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有成形工藝進(jìn)行了改進(jìn)

1） 針對(duì)彎梁的彎曲面部分區(qū)域有褶皺趨勢(shì)的問題，新工藝增加上圓弧曲面和下圓弧曲面的模具壓延力，上圓弧曲面壓延力由原來的5kN增加到10kN，下圓弧曲面壓延力由原來的2kN增加到5kN0

2） 針對(duì)等效應(yīng)力與應(yīng)變最大值主要分布在壓延邊與側(cè)面筋板交界位置的問題，為避免應(yīng)力集中造成的板材拉裂，新工藝在壓延邊與側(cè)面筋板交界位置采用半徑大于R6mm的工藝過渡圓角。

3） 根據(jù)摩擦因數(shù)的降低可以降低板料與模具之間接觸力的結(jié)論，新工藝對(duì)板料毛坯采用雙面預(yù)涂刷 20號(hào)機(jī)油潤(rùn)滑措施，降低板材與模具之間的摩擦因數(shù)。

通過以上的工藝改進(jìn)，05CuPCrNi高耐侯結(jié)構(gòu)鋼彎梁成形質(zhì)量大大提高，在模具使用壽命期限內(nèi)產(chǎn)品不合格率由原來的5％降低到1％以下。圖10所示為工藝改進(jìn)后沖壓成形的彎梁零件實(shí)物圖。

圖10工藝改進(jìn)后沖壓成形的彎梁零件實(shí)物圖

（上接第75頁）

四川電子音像出版中心，2 5．

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4結(jié)語

本文利用有限元數(shù)值模擬對(duì)彎梁板材沖壓成形過程進(jìn)行了仿真研究，得到了彎梁板材成形極限圖、厚度減薄率分布圖、應(yīng)力及應(yīng)變分布圖。根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)現(xiàn)有成形工藝進(jìn)行了改進(jìn)，新工藝大大降低了產(chǎn)品的不合格率。

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作者簡(jiǎn)介：謝秉順，工程師。

通訊作者：盧文壯，教授，博士生導(dǎo)師。

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