影响金属板料拉延成形的因素

qqw123 · 发表于 2010-9-29 11:42

摘要：　　采用DYNAFORM软件，以油箱外壳为例，通过对其拉延成形过程进行数值模拟，研究了板料的厚向异性系数r和硬化指数n对板料拉延成形性能的影响。结果表明：增大厚向异性系数r尽管使拉延方向最大应力有所增加，但能够使板料最小厚度明显增大，提高拉延成形性能;增大硬化指数n不仅减小拉延方向最大应力，同时还使板料最小厚度明显增大，能明显提高板料拉延成形性能。

Influence of material parameters on the drawing formability of Automobile Panel

By Xia Lu&Wang Meng-jun&Li Hui

　　Abstract：Influence of the coefficient of normal anisotropy r and hardening index n on the drawing formability of Automobile Panel was studied in this paper by using the DYNAFORM software and taking the fuel tank shell as the example to simulate its drawing forming. It is revealed that although the drawing direction biggest stress was increased by increasing r , the sheet smallest thickness was obviously increased, the drawing formability was enhanced. Not only the drawing direction biggest stress was reduced by increasing n ,the sheet smallest thickness was obviously increased, the drawing formability was enhanced obviously.
　　影响金属板料拉延成形的因素很多，如模具的形状、材料性能、毛坯形状和尺寸、边界条件、模具和板料之间的摩擦和润滑等[1,2]。因此，在金属板料成形工艺设计时就要综合考虑上述各个因素的影响。然而，由于对工件在拉延成形过程中的变形特点和流动规律缺乏全面的了解，往往难以加工出高质量的工件;另外，对于工件中的缺陷也缺乏科学的预测手段[3~5]。近年来，随着计算机技术的飞速发展，以及有限元方法的成熟，数值模拟技术在板料成形中得到广泛应用[6]。本文采用动力显示有限元板料软件Dynaform，以油箱外壳为例，研究了板料的厚向异性系数r和硬化指数n对零件拉延成形性能的影响。
　　1 有限元分析模型的建立
　　本文导入tank.nas文件[7]后，按照正装式双动拉延成形模具规则，利用Dynaform前处理系统建立三维几何模型，如图1所示，图中板坯共划分了3029个单元和3091个节点，计算使用的单元类型为基于薄壳经典理论，采用非线性材料模型和沙漏粘性阻尼的四节点四边形Belytschko-Tsay非线性薄壳单元。材料选用具有各向异性性质的三参数Barlat-Lian材料模型，接触类型为描述了位移和速度边界条件的form one way s.to s.算法模型，接触点采用全局搜索。接触静、动摩擦系数均为0.11，材料弹性模量为2.07×105MPa，泊松比为0.28，板料厚度为0.8mm，上压料面虚拟运行速度为2000mm/s，行程30.26mm，终止时间为0.016504s，凸模虚拟运行速度为5000mm/s，行程156.74mm，上压料面压边力为200000N，起始时间为0.016504s。

图1 有限元单元网格模型

　　2 数值模拟分析
　　2.1 厚向异性系数对成形性能的影响
　　拉延成形时对成形性能的考察可以通过对拉延方向最大应力和最小厚度来进行。一般来说，当最大应力过大，超过材料的强度极限时，就会发生拉裂现象;当最小厚度太小，即减薄量太高时，越容易拉裂。在此，分别选取厚向异性系数r=1.65、1.85、2.05，通过对Z方向最大应力和最小厚度的模拟，研究厚向异性系数对拉延成形性能的影响。模拟结果见图2、图3。

图2 厚向异性系数对Z方向应力场及最大应力的影响

图3 厚向异性系数对厚度分布云图及最小厚度的影响

　　从图2可以看出，最大应力都出现在凹模圆角下方的直壁部分，此处在拉延过程中容易出现拉裂。随着厚向异性系数的增大，最大应力逐渐增大，但增幅不大。
　　从图3可以看出，最大减薄出现在与凸模圆角对应的部位，在拉延过程中也容易出现拉裂。随着r值的增大，最小厚度逐渐增加，这就意味着r值越大，板料越不容易在厚度方向上变形，也就是越不容易变薄或增厚，因此，若增大r值，使板料易于在宽度方向变形，则可减少起皱，有利于拉延进行和产品质量的提高。同样，增大r值，材料受拉时，厚度不易变薄，因而也不易产生拉裂。
　　由模拟结果可知，增大r值尽管使Z向最大应力增大，但同时也使板料最小厚度增加，而且后者增幅远大于前者，因此，增大厚向异性系数r可提高板料的拉延成形性能。
　　2.2 硬化指数对成形性能的影响
　　分别选取硬化指数n=0.18、0.20、0.22，通过对Z方向最大应力和最小厚度的模拟，研究硬化指数对拉延成形性能的影响。限于篇幅，本文在此仅给出硬化指数n对Z向最大应力和最小厚度影响的曲线图，如图4所示。

图4 硬化指数n对Z向最大应力和最小厚度的影响

　　由图4可以看出，随着硬化指数n的增加，最大应力逐渐减小，而且，板料最小厚度逐渐增加，这就是说板料越容易拉延成功，即拉延性能越好。模拟结果也可以很直观的看出，n对拉延成形的影响明显，高的硬化指数有利于提高拉延成形性能。
　　3 小结
　　(1)增大厚向异性系数r尽管使拉延方向最大应力有所增加，但能够使板料最小厚度明显增大，对拉延成形有利。
　　(2)增大硬化指数n不仅减小拉延方向最大应力，同时还使板料最小厚度明显增大，能明显提高板料拉延成形性能。
　　参考文献
　　[1]ZHANG Yang, ZHANGLian-hong , LI Shuang-yi .Sheet Metal Forming Simulation and Its Application in Stamping Process of Automobile Panels[J], Transactions of Tianjin University, 2002,Vol.8.No4:169~272.
　　[2]林淑霞，张国强，王锐等，大型覆盖件成形中板料形状的影响[J]，模具技术，2003(6)：41~42.
　　[3]Qunqiang FU, Wei ZHU, Zhiliang ZHANG. Effect of Variable Blank Holder Force on Rectangular Box Drawing Process of Hot-galvanized Sheet Steel[J]. J. Mater. Sci. Technol. 2005,Vol.21 No.6:909~913.
　　[4] ]但文蛟,王耘,胡树根等.板料成形CAE技术[J].模具技术,2002,(3):37～39.
　　[5]林忠钦,李淑慧,于忠奇等著.车身覆盖件冲压成形仿真[M],2005,1.
　　[6]衡猛，周建忠，板料成形中有限元模拟技术的应用[J]，电加工与模具，2004(2)：49~51.
　　[7]陈文亮,材料成形CAE分析教程[M],机械工业出版社,2005.

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