引言

隨著有限元和計算機技術的迅猛發(fā)展,CAD/CAE技術在模具設計中發(fā)揮著越來越重要的作用,成為彌補傳統(tǒng)設計方法不足的重要途徑。

拉伸過程計算機仿真的實質是利用數(shù)值模擬技術,模擬板料拉伸變形全過程,利用成形極限圖(FLD)預測板料拉伸失穩(wěn)前的最大變形程度,為判斷給定的工藝方案在成型過程中可能出現(xiàn)的起皺、拉裂等缺陷提供科學依據(jù),幫助提高產(chǎn)品的質量,提高生產(chǎn)的效率,保證沖壓模具的質量。并且計算機仿真減少了大量人力和物力的消耗,社會資源利用率提高。

因此,本文采用Dynaform軟件對零件的成型工藝進行了數(shù)值模擬,通過Dynaform軟件還原模擬熱水瓶內(nèi)膽拉伸成型的生產(chǎn)過程,通過實驗取得工藝參數(shù),優(yōu)化了模具表面摩擦性能。

1優(yōu)化設計的背景

市面上的不銹鋼熱水瓶內(nèi)膽大多由平面板料經(jīng)過多次拉伸成型,但此成型方法工序多,需要的拉伸壓力機數(shù)量多,而且其模具的種類也多,成本較高。為了減少成本,設計出一種一次拉伸成型的加工方法,其前面的工序包括不銹鋼板的開料、落料,人工的折壓焊,再到后面的一次拉伸成型,其工序數(shù)量與平常的成型法差不多,但設備成本卻可大大縮減。此一次拉伸成型法隨之而來的缺點就是廢品率較高,主要集中在一次拉伸成型的工序,板料在瓶壁靠近底部的位置容易拉裂、拉爆,導致整塊板料報廢。究其原因,是拉伸的板料形狀比較特殊。

通常的拉伸法是一塊平面板料通過多次拉伸成筒型,基本是中心軸對稱整體成型,受力均勻:而此一次拉伸成型需要的雛形板料比較特殊,需要事先人工將板料折彎、壓卷成一定的形狀,再焊接成類似上下梯形筒狀雛形,然后放到模具直接一次拉伸成型。由于雛形板料非軸對稱,在于圓形凸模接觸拉伸時受力不均勻,經(jīng)常會出現(xiàn)筒壁靠近底部在拉伸過程中開裂的情況。

由于制造成本關系,在不改變工序和板料的前提下,為了減少廢品率,現(xiàn)對凸模與板料接觸的摩擦系數(shù)進行設計。通過模具專用有限元Dynaform軟件導入一系列相關的凸模摩擦系數(shù),對比仿真得出的成品質量效果與加工過程中危險斷裂點的各項相關參數(shù),找出最優(yōu)的毛坯加工效果,設計出模具凸模的最優(yōu)摩擦系數(shù)[2]。

2拉伸成型工作過程

圖1所示為由A、B、C三面組成的毛胚以及成型過程的效果。模型分別由凹模、板料、壓邊圈和凸模四部分組成,大致運動過程如下:首先將板料放在凸模上,然后凹模往下運動,接觸到板料后將板料往下壓,此時不規(guī)則的板料隨著凸模向下運動有了一定的塑形,當凹模將板料壓至接觸壓邊圈后,凹模、板料、壓邊圈一起往下運動到指定距離,期間凸模一直保持不動。拉伸完畢后,凹模往上快速回退,壓邊圈在底下彈簧的張力作用下往上回退,凸模繼續(xù)保持不動,拉伸好的產(chǎn)品在壓邊圈的推頂下往上脫離凸模,至此整個動作完成。

由于此一次拉伸成型是比較特殊的成型,毛坯的邊料部分在拉伸過程中被凹模與壓邊圈緊緊壓住,基本沒有向筒壁流入,而毛坯筒壁成型主要是筒壁部分類似脹型的局部變型,因此只需有足夠的壓邊力,壓邊圈、凹模與板料接觸的摩擦系數(shù)對板料成型的影響基本可以忽略,而是以凸模與板料內(nèi)側的摩擦系數(shù)影響為主。因此,此次仿真主要是設計凸模與板料的摩擦系數(shù),能動地試驗出最好的拉伸效果。

如圖2所示,拉爆的板料大多在拉伸初段,從A面中間靠底部附近區(qū)域開裂,而且裂紋基本呈"人"字型。橫裂紋出現(xiàn)后隨著板料繼續(xù)向凸模往下運動,裂紋會沿著A面靠近中間處一直往上延伸,直至板料頂部崩開。

3實驗及仿真分析

Dynaform是由美國ETA公司和LsTC公司聯(lián)合開發(fā)的一個基于Ls-DYNA的板料成型模擬軟件包。Dynaform自身具有強大的流線型前后處理功能以及分析求解功能,能夠方便地求解各類板料的成型問題,可以預測成型過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈,評估板料成型性能,從而為板料成型工藝及模具設計提供幫助。

此次采用Pro/E軟件實現(xiàn)三維CAD數(shù)據(jù)模型的構建過程。依據(jù)圖紙進行三維CAD數(shù)據(jù)模型構建,為盡量減少可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤和丟失,在Pro/E軟件中抽取出零件表面并導出.igs格式文件,再將其導入Dynaform。模型構建如圖3所示。

然后設置凹模、壓邊圈、凸模的網(wǎng)格最大尺寸為25,最小尺寸為3,其他為默認數(shù)值:板料網(wǎng)格尺寸為3,其他為默認數(shù)值。再設置板料材料為201不銹鋼,厚度為0.4mm,凹模與壓邊圈的摩擦系數(shù)選取默認參數(shù),調(diào)整凸模的摩擦系數(shù),得到不同的仿真效果。通過軟件的后處理可以得到零件的成型極限圖(FLD),如圖4所示。

由成型極限圖可以看到板料的成型極限變化,圖4中縱坐標表示主應變,橫坐標表示次應變,次應變可以是正也可以是負,從負到正分別對應著拉一壓變形、中間黑線和拉一拉變形,不同顏色表示不同的變形程度,紅色表示破裂,橙色(系統(tǒng)默認為黃色)表示有破裂的風險,綠色表示安全,藍色表示有起皺的風險,粉色表示起皺(但有些資料說粉色的區(qū)域在實際中也是安全的,并沒有起皺),紫色表示嚴重起皺,灰色表示并無形變。

仿真結果顯示,當凹模把板料壓進壓邊圈前,板料只有少量可忽略的變形。板料接觸到壓邊圈后,繼續(xù)往下接觸到凸模時,板料開始有明顯的變形。仿真過程分為21幀,從第6幀起板料開始接觸凸模。圖4為第10幀,可以看出在A、B、C面的中間靠底部分開始起皺,隨著板料繼續(xù)向凸模壓下去,起皺越往后越明顯。直到17幀,板料馬上拉伸到位時,A、B、C面中間靠底的起皺部分開始被拉平滑,到了21幀結束時拉伸成型完畢,剛才起皺的部分恢復平順?？傮w來說,其危險斷裂面成型經(jīng)過了一個平滑一起皺一平滑的過程。其中最容易發(fā)生斷裂的就是在平滑過渡到起皺和后續(xù)起皺過渡到平滑的階段。除了此危險斷裂處,其他區(qū)域還是綠色安全部分居多,基本占了壺身整個區(qū)域,在壺底切口處存在少量紫色嚴重起皺部分,但在后續(xù)工序中會把切口切除,不會影響其質量。

深究其原因,由于A、B、C三個面組成圓的曲率半徑比凸模外圈的曲率半徑小,而A、B、C三個面分界的三條邊組成圓的曲率半徑比凸模外圈的曲率半徑大,造成拉伸過程中三面被往外頂,三線往內(nèi)收縮,且板料平面為非中心對稱圖形,拉伸過程中板料與凸模幾何形狀不匹配導致受力不均勻,在半徑較小的部位開始起皺。拉伸過程中,其起皺的部分在徑向拉應力的作用下,就會存在斷裂的風險,其中起皺一平滑階段的斷裂風險比平滑一起皺階段的斷裂風險還要大。取起皺危險區(qū)域的一點D作深入分析,點D位置如圖5所示。

圖6為起皺嚴重點D的平均應力圖,其中橫坐標為時間,縱坐標為平均應力大小。從仿真動圖可以得出從第六幀到第十六幀為起皺嚴重的時間區(qū)域,即圖6中0.5~3s。第六幀時,D點的平均應力為84N,隨后開始減少并反方向增大,至第九幀時為-88N,再減少并反向一直增大,至第十六幀時為372N。

圖7為點D的厚度分布圖,其中橫坐標為時間,縱坐標為厚度數(shù)值。圖中0.5~3s內(nèi)厚度從1s的0.402mm減少到1.8s的0.397mm,然后增加到3s的0.398mm。可以看得出凸模普通摩擦系數(shù)下點D在危險時間段內(nèi)的厚度變化有一定的波動。

由此可見,在未改變凸模摩擦系數(shù)時,板料的成型過程中,起皺危險區(qū)域在拉伸時受到多個方向的應力作用,平均應力的正負也多次變化,分別為拉一拉變形、拉一壓變形和拉一拉變形,導致其厚度在危險時間段內(nèi)先變厚后變薄再變厚,使板料存在著一定的斷裂風險。

于是對凸模與板料接觸的摩擦系數(shù)進行摩擦設計,分別代入0.11、0.115、0.12、0.125、0.13、0.135、0.14、0.145、0.15、0.155、0.16、0.165等多個數(shù)值,求解出結果后,對比其成型極限圖、厚度圖、危險點D的應力曲線等參數(shù)。最終發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)為0.125時理論加工效果最佳。

圖8為摩擦系數(shù)為0.125時的點D平均應力圖,第六幀為126N,然后開始減少,至第八幀為-16N,第九幀為27N,第十一幀為-44N,再一直遞增,至第十六幀為280N。平均應力基本緊貼零線波動,相對于未修改凸模摩擦系數(shù)前的平均應力有了大幅度的減少,且其波動也有大幅度的減少。

圖9為摩擦系數(shù)為0.125時的D點厚度時間節(jié)點圖,可以看出,與之前未改變摩擦系數(shù)時相比,圖中第0.5~3s的危險斷裂時間段中,毛坯危險斷裂點D的厚度圖幾乎呈一水平直線,厚度基本在0.397mm附近的穩(wěn)定范圍。

4結語

在不改變前面生產(chǎn)工序的前提下,通過改變凸模表面與板料接觸的摩擦系數(shù),危險斷裂點D在拉伸危險時間段內(nèi)的應力絕對值最小值由11N減少到4N,絕對值最大值由372N減少到280N,選點絕對值總值由1744N減少到1374N,由此可知,其應力有一定程度的降低。

而危險斷裂點D厚度在拉伸危險時間段內(nèi)由之前基于4mm不停上下波動變成基本保持在3.97mm不變。由此可見,改變凸模表面摩擦系數(shù)對防止板料的拉裂有一定效果,有利于減少拉伸筒料的廢品率,極大地降低生產(chǎn)成本,縮短模具制造周期,同時提高設計生產(chǎn)水平。