平底简形件板材液压成形的数值模拟.pdf

S T L 淮安仕泰隆国际工业博览城 全球招商热线 0 5 1 7 8 6 2 9 9 9 9 9 w ww． s t le p ． c o m 平底简形件板材液压成形的数值模拟 李彦波， 刘红武 广州中国科学院工业技术研究院 广东广州 5 1 1 4 5 8 【 摘要】 针对传统板材冲压成形中存在的成形极限低、 模具凹模复杂及零件表面品质差等 缺 点， 发展 了板料液压成形技 术。通过数值模拟方法， 采用钣金成形专用分析软件 J S T M P A ／ N V对5 7 5 4 铝合金平底筒形件的板料液压成形过程进行 了研究， 以最终成形零件 的壁厚分布为评定标准， 对成形过程 中零件可能出现的缺陷进行预测和分析， 研究工艺参 数包括充液室压力、 凸凹模单边间隙和凹模圆角半径对零件成形性的影响， 并对工艺参数 进行了优化。研究表明 采用2 0 M P a 的液室压力、 1 ． 1 m m的凸凹模单边间隙和5 m m的凹模 圆角半径时， 获得的铝合金平底筒形件的拉伸比为2 ． 4 ， 且零件质量良好。 关键词 平底筒形件； 板材液压成形； J S T A M P ／ N V ； 数值模拟 中图分类号 T P 3 9 1 ．7 文献标识码 B 文章编号 2 0 1 1 0 7 3 2 2 7 4 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Fl a t Bo t t o m Cy l i n d r i c a l Cu p By S h e e t Hy d r o f o r mi n g 【 A b s t r a c t 】 T o s o l v e l o w e r f o r m i n g l i m it a n d c o m p l e x d i e m a t r i x a n d p o o r p a r t s s u r f a c e q u a l i t y o f e x i s t i n g i n t r a d i t i o n a l p l a t e s t a mp i n g ， s h e e t h y d r o f o r mi n g t e c h n o l o g y wa s d e v e l o p e d ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n s o f 5 7 5 4 a l u mi n u m a l l o y fl at b o t t o m c y l i n d r i c a l c u p’S s h e e t h y d r o f o r mi n g we r e c a r r i e d o u t b y J S TMAP ／ NV f o r t h e b e s t s t a mp i n g s i mu l a t i o n e n v i r o n me n t ． T h e p o t e n t i a l d e f e c t s i n p a rts f o rm i n g p r o c e s s we r e p r e d i c t e d a n d a n a l y z e d b y t h e wa l l - t h i c k n e s s d i s t ri b u t i o n a s s t a n d a r d ．An d t h o s e p r o c e s s i n g p a r a me t e r s i n c l u d e h y d r a u l i c p r e s s u r e a n d c l e a r a n c e i n r a d i u s b e t we e n t h e p u n c h ma t r i x a n d t h e ma t ri x p r o f i l e r a d i u s ． I n a d d i t i o n ， a b o v e me n t i o n e d p r o c e s s i n g p a r a me t e r s we r e o p t i mi z e d b y n u me r i c a l s i mu l a t i o n ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t a d o p t i n g r e a s o n a b l e h y d r a u l i c p r e s s u r e 2 0 MP a a n d c l e a r a n c e i n r a d i u s b e t w e e n t h e p u n c h - ma t ri x 1 ． 1 mm a n d t h e ma t rix p r o f i l e r a d i u s 5 mm c a n o b t a i n g o o d q u a l i t y f o r me d c u p s w i t h d r a w i n g l i mi t a t i o n i s 2 ． 4 ． Ke y wo r d s fi a t b o t t o m c y l i n d r i c a l c u p ； h y d r o f o r mi n g ； J S T AMP ／ NV； n u me r i c al s i mu l a t i o n l 引言 针对传统板材冲压成形中存在的成形极限低、 模 具凹模复杂及零件表面品质差等缺点 ， 发展了板料液 压成形技术。其基本原理是采用液体作为传力介质 画西亘 叵 匦 m_ ’I 7I 一 b 图6 拉伸应力及实际拉伸件 a 一换算应力b 一实际拉伸件 4 实际生产验证与结论 在实际生产中， 先设计制造一次拉伸模 ， 由于两 种方式得到的落料尺寸不一致 P r 0 ／ E 没有考虑板料 的塑性变形， 所得的落料尺寸要比实际所需的尺寸稍 大 ， 凹凸模的外形尺寸先设计为7 7 9 x 5 6 5 m m， 采用试 剪料的方式试模。得出的结论是， 落料尺寸基本接近 F A S T F O R M A d v a n c e d 所模拟的尺寸 ， 一次拉伸完全 可行。实际得到的拉伸件如图6 b 所示。 5 参考文献 [ 1 ] 姜奎华 ．冲压工艺与模具设计[ M 】 ．北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 5 ． [ 2 】 曹立文， 王冬， 丁海娟 ， 等． 新编实用冲压模具设计手册[ M 】 ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 7 ．q 6 模具制造 2 0 1 1 年第8 期 S T L 淮安仕泰隆国际工业博览城 全球招商热线 0 5 1 7 8 6 2 9 9 9 9 9 I I I www． s t l e p ． c o m 载路径如图3 所示 其加载路径的特点是液体压力随 着凸模行程的增大而从零逐渐地线性增加到一定的数 值 ， 然后维持该数值恒定不变， 直到成形结束m 。在 J S T M A P ／ N V软件中进行液压成形仿真时可方便地指 定液压压力的大小及其加载曲线， 在软件前处理界面 中的“ 形状及工艺参数设定” 面板点击“ 设定组装” 按钮 后， 在弹出窗口的右下角点击“ 压力” 标签， 再选取“ 使 用” 复选框即可进人压力设定对话框 ，s - ， 如图4 fiJ i。 3 0 2 4 1 8 善 出 1 2 6 0 L _ ． ⋯． ●●● 7 f _ _ _ _ 0 ． 0 0 O 0．0 0 2 0．0 0 4 O ． 0 0 6 0 ． 0 0 8 0．O1 时 间， s 图3 液室压力加载曲线 图4 J S T A M P ／ N V中的压力设定对话框 3 -3 模拟方案 采用单一因子模拟方案， 即当考虑某工艺参数对 零件成形的影响时， 只改变该工艺参数的数值大小且 其他工艺参数的设定值都不变。利用钣金成形专用 分析软件J S T M P A ／ N V对5 7 5 4 铝合金平底筒形件的板 料液压拉伸成形过程进行研究， 以零件成形最终壁厚 分布为评定标准 ， 研究工艺参数包括充液室压力、 凸 凹模单边间隙和凹模圆角半径对零件成形性的影响， 并对工艺参数进行优化。上述工艺参数的取值分别 如表 3 所示 。 4 模拟结果分析 4 ． 1 液室压力对零件成形的影响 表3 工艺参数的取值 工艺参数 取值 液室压力／ M P a 5 、 1 0 、 1 5 、 2 O 、 2 5 、 3 0 、 3 5 凸凹模单边间隙／ m m 1 ． 0 ， 1 1 1 ． 2 、 1 3 、 1 ． 4 1 ． 5 凹模圆角半径／ m m 3 、 5 、 7 、 9 、 l 0 、 l 1 、 1 3 在其他工艺参数不变的条件下 ， 液室压力的大／ J 、 和加载路径直接影响到零件成形质量。当液室压 选取5 M P a 时， 拉伸成形零件的F L D图如图5 a 所示 ， 右 凸模圆角附件产生破裂。由于压力过低 ， 不能使凸 与板料之间形成足够的有益摩擦力 ， 同时也不能形威 流体润滑效应， 从而导致凸模圆角附近的拉应力过 而发生破裂 。如图5 b 所示为不同液室压力对零 最小壁厚的影响， 由图可知， 液室压力在2 0 ～ 2 5 MP a 捏 该筒形件液压拉伸成形最佳液压载荷 区间 ， 且 2 0 M P a 时零件的最小壁厚值为0 ． 8 3 4 m m 。图5 c 是沼 室压力为2 0 MP a 时成形零件壁厚分布图。 -- - ＼ ＼ 1 l_ ＼ ＼＼ fl , 最小壁厚在不同液压大小时变化曲线 液压{ i ／ MP a b 图5 不同液室压力对零件成形的影响 液室压力为5 MP a 时零件的F L D图b 零件最小壁 变化曲线c 一液室压力为2 0 M P a 时成形零件壁厚分布图 _ 4 ． 2 凸凹模间隙对零件主应变和壁厚的影响 为找出该零件在液压拉伸成形过程中合理的 凹模单边间隙值， 取液室压力值为2 0 M P a 且其他参娄 都不变的情况下， 按上述模拟方案中的6 个间隙值 别进行模拟分析。成形后零件的最大主应变值和 小壁厚值随凸凹模单边间隙变化的影响曲线， 如图 所示 。 8 模具制造 2 0 1 1 年第8 期 唧 凰 吐捌＼ 『 ／ 嚼 C MMC 壁 心 全球机床4 s 总部基地 网址 www ．c m m c t ． c om 零件的最大主应变随模具间隙变化曲线 1 1 ． 1 1 ． 2 1 ． 3 1 ． 4 1 ．5 凸凹模单边间隙值／ m m a 十零件最小壁厚随模具间隙变化曲线 1 1 ． 1 1 ． 2 l I 3 1 _ 4 1 ． 5 凸凹模单边间隙值／ mm b 图6 凸凹模间隙对零件应变和壁厚分布的影响 a一零件的最大主应变变化曲线 b 零件的最小壁厚变化曲线 由图6 可知 ， 零件的最大主应变在凸凹模单边间 隙值为 1 ． 1 m m时 ， 达到最大， 之后随着凸凹模间隙值 的增大而逐渐减小了， 表明零件在卸载后的回弹量会 逐渐增大 ， 致使零件的尺寸精度不能得到准确的保 障。随凸凹模单边间隙值的增大， 最终成形零件的最 小壁厚值呈现出一条波折线， 且两两相邻的间隙值对 应 的零件的最小壁厚值都相差不大 ， 大约在O ．O l m m 左右。由上所述 ， 综合考虑既要保证零件的尺寸精度 值 ， 又要使零件的壁厚减薄量为最小 ， 选取凸凹模单 边间隙值为 1 ． 1 m m最为合理。 4 ．3 凹模圆角半径对零件壁厚的影响 为找出该零件在液压成形过程中合理的凹模圆 角半径值 ， 在拉伸系数 m 5 0 ／ 1 2 0 0 ．4 1 7 为定值 且其他工艺参数都不变的前提下 ， 依次取凹模圆角半 径值为3 、 5 、 7 、 9 、 1 0 、 1 1 和 1 3 m m共7 个值进行模拟分 析。如图7 所示 ， 为最终成形零件的最小壁厚值随凹 模圆角半径值逐渐增大时的变化曲线。由图7 可知， 当凹模圆角半径取5 ra m时， 获得的零件壁厚最佳。 5 结束语 1 液室压力加载路径的选取对零件的成形有很 大影响。液室压力过小会导致在拉伸初期时靠近凸 模圆角附近的部位处， 零件产生破裂。 十最小壁厚随凹模圆角半径变化曲线 ■一 2 通过数值模拟方法， 采用钣金成形专用分析 软件J S T M P A ／ N V 对5 7 5 4 铝合金平底筒形件的板料液 压成形过程的工艺参数进行了优化 ， 结果表明 当采 用 2 0 M P a 的液室压力 、 1 ． 1 m m的凸凹模单边间隙和 5 m m的凹模圆角半径时， 可以获得拉伸比为 2 ．4 且零 件质量良好的铝合金平底筒形件。 3 对于大拉伸 比平底铝合金零件 ， 采用板料液 压成形技术 ， 通过选取合理液室压力加载路径可以 很好地控制零件成形缺陷和壁厚的均匀性 ， 是提高 铝合金等低塑性、 难成形材料成形极 限的有效措施 之一．n 6 参考文献 [ 1 ] 赵升吨， 林军． 筒形件液压拉深的研究现状及进展【 J J ．锻压 装备与制造技术 ， 2 0 0 8 6 1 3 1 5 ． f 2 ]2 S i e g e r t K， H a u s s e r ma n n M， L o s e h B ， e t a 1 ． R e c e n t d e v e l o p m e n t i n h y d r o f o r mi n g t e c h n o l o g y [ J ] ．J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o gy ，2 0 0 0 9 8 2 5 1 - 2 5 8 ． 【 3 ] Z H A N G S H，J E N S E N M R ， D A N C K E R T J , e t a 1 ．A n a l y s i s o f t h e Hy d r o me c h a n i c a l De e p Dr a wi n g o f C y l i n d r i c a l C u p s [ J ] ．J ． M a t e r ． P r o c e s s ．T e c h n o l ，2 0 0 0 ， 1 0 3 3 6 7 3 7 3 ． 【 4 ]A N D E R S O N J F ． S h a p e A c c u r a c y a n d P a r a me t e r s I n fl u e n c i n g t h e S h a p e Ac c u r a c y Us i n g C o n v e n t i o n a l a n d Hy d r o m e c h a n i c a l D e e p D r a w i n g [ C ] ． I D D R G’ 9 4 ， L i s b o n ， 1 9 9 4 5 4 5 - 5 5 2 ． f 5 1 吴有生 ， 夏巨谌， 胡国安． 板料液压成形技术的发展动态及 应用[ J ] ．金属 成形 工艺， 2 0 0 2 ， 2 0 4 1 - 3 ． [ 6 ] 康达昌， 郎利辉． 充液拉深工艺的研究f J ] ． 哈尔滨工业大学学 报， 2 0 0 0 ， 3 2 5 4 2 - 4 4 ． [ 7 】 J S O L 公司， J S T M P ／ N V帮助文档[ C P ／ D K ] ， 2 0 1 1 ． [ 8 】 广州中国科学院工业技术研究院J S T A MP ／ NV软件技术支 持小组， J S T A M P ／ N V 板材冲压模具设计操作手册【 M 】 ， 2 0 0 9 ． 【 9 ] 赵庆娟． 基于数值模拟的锥形件充液拉深工艺的研究[ D 】 ． 哈 尔滨 哈尔滨理工大学， 2 0 0 8 2 1 ～ 2 2 ．． 回 2 模具制造 2 o l 1 年第8 期 9 跖 蚪 昭 O O O O 0 O 剖螭站盼