半圆形拉深筋的Dynafo rm研究

韩鹏彪,秦志国,刘 波,鲁素玲

(河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018)

半圆形拉深筋的Dynafo rm研究

韩鹏彪,秦志国,刘 波,鲁素玲

(河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018)

设计了一种几何模型,基于该模型用Dynaform对不同材料、不同板料厚度、不同拉深筋形状和尺寸与拉深筋的阻力之间的关系分别进行了研究,得出不同材料和不同板料厚度对拉深筋的阻力与材料的初始屈服应力之比影响不大,拉深筋形状和尺寸与拉深筋的阻力与材料的初始屈服应力之比有关等规律,并给出了其关系曲线。

拉深筋;Dynafo rm;数值模拟;流动阻力

拉深筋的设计是控制金属流动的一种重要手段,虽然拉深筋不是模具的主要结构,但它在某些特殊情况下却决定了拉深工艺的成败。因此,对拉深筋深入全面地进行研究具有重要的实际意义。但是,因为在实际生产过程中,拉深筋的使用情况非常复杂,很难用标准的模型把它全面描述出来,因此现在还没有关于拉深筋的全国统一标准。冲压设计资料[1]只对拉深筋作了一个简单的说明,一般的模具公司都是根据自己的经验来设计和调试拉深筋。笔者在生产中曾经遇到使用上百个拉深件来调试拉深筋的情况,当拉深件的尺寸较大时,材料的消耗及工时费会造成调试拉深筋的成本过高。

FEM模拟技术在冲压成形中得到了广泛的应用,为拉深筋的分析研究提供了一个有力的手段。国际上一些大的汽车公司,如 Ford[2],利用FEM技术曾对拉深筋应用进行了较为深入的研究。然而,中国国内的一些冲压成形企业,特别是中小企业,他们使用FEM的时间比较短,还没有对此问题进行深入的研究。鉴于此,笔者根据多年使用Dynafo rm的经历,对拉深筋进行如下的分析研究。

1 Dynaform中拉深筋的分析方法及讨论

Dynaform中拉深筋的应用方法有3种:1)直接定义拉深筋上的金属流动阻力;2)根据3种Dynaform拉深筋的剖面形状和尺寸——矩形、半圆形、边缘形,由Dynaform自动计算金属流动阻力;3)在模具表面上直接设计出拉深筋,进行模拟分析。

对于第1种方法,在Dynaform中调试拉深筋时,不需要重新划分单元和设定模拟,只需改变拉深筋上的金属流动阻力。因此该方法在模拟中使用起来最省力和省时,但关键是如何将拉深筋上的金属流动阻力与拉深筋形状对应起来。

对于第2种方法,其使用情况与第1种方法相似。在模拟中,只需改变拉深筋的剖面尺寸,从而改变拉深筋上的金属流动阻力,不需要重新设定模拟。该方法的问题是Dynaform中拉深筋的剖面形状有限,往往与实际设计不同。此外,该方法的准确性还未得到验证。

第3种方法是在实际生产中经常使用的方法。该方法使用恰当,能获得可接受的工程精度。该方法的问题是每次修改拉深筋后,必须重新划分单元,并重新设定模拟,因此该方法费时最多。

综上所述,如果能获得拉深筋上的阻力与拉深筋的尺寸关系,就可以使用第1种方法,只调整拉深筋上的金属流动阻力,用Dynafo rm模拟和调试拉深筋。

2 利用Dynaform进行拉深筋模拟分析

半圆形拉深筋是生产中最常用的一种拉深筋,其突出的优点是结构尺寸小,节省材料,此外其加工与调试也较容易。因此笔者将选用半圆形拉深筋,用Dynaform对其进行分析研究。

为了验证所用的Dynafo rm模型的力学分析有一定的精度,首先进行了一个单向拉深分析,参见图1。所用材料为B1700P1-37,初始屈服应力σ0=192.4 MPa,厚度t=1 mm,板宽L=100 mm。由Dynafo rm模拟计算的拉深力-位移曲线可得其初始屈服应力约为210 M Pa,误差为9%,曲线形状与拉深试验的曲线形状也很符合。

就2种半圆形拉深筋(bead cavity)进行分析可知:第1种半圆形拉深筋的凸模与凹模都有圆角,见图2,并且工作圆角的半径(R)相等,都为n倍的板厚(R=nt);第2种半圆形拉深筋的凹模顶部和底部都有圆角,其工作圆角的半径R=nt;凸模只有顶部圆角,底部为尖角,凸模宽度W=2R=2nt,顶部圆角半径由高度H确定,见图3。

在Dynaform模拟中,为了提高精度,采用较细化的单元,单元尺寸为1 mm。对于Dynaform计算中载荷-时间曲线的波动情况,取平均载荷。拉深筋部分工作面上的摩擦系数为0,毛坯夹持部分上的摩擦系数为0.5,板宽L=100 mm,这是平面变形的拉深筋,与多数拉深筋的实际使用情况接近。图4为一个拉深筋的模拟模型和模拟结果。

表1和图5为第1种半圆形拉深筋在高度H=R时,工作半径与阻力的关系。可以看出:当工作圆角半径≤2t时,金属几乎不能流动;而当工作圆角半径过大时,拉深筋的尺寸过大,消耗金属材料多。因此,笔者只对工作圆角半径R=3t～6t进行了分析。

图1 单向拉深力Fig.1 Uniaxial tensile force

表1 第1种拉深筋的半径与阻力关系Tab.1 Type 1 draw bead radii and resistance forces

由图5可知,随着拉深筋工作圆角半径增加,拉深筋的金属流动阻力减小。当工作圆角半径较大时,金属流动阻力下降的速度逐渐减小。因此,用增加拉深筋尺寸和工作圆角半径的方法来减小金属流动阻力不是好方法。当R=4t～5t时,拉深筋有较小的尺寸和较大的金属流动阻力,较适合生产应用。

由表1可见,Dynafo rm自动计算的金属流动阻力与模拟计算的结果不相符,表中f为单位长度拉伸筋在板料厚度方向上所产生的平均流动阻力。

表2和图6为R=4t=4 mm时第1种半圆形拉深筋高度与阻力的关系。由图6可知,当拉深筋高度增加时,拉深筋阻力也增加。当拉深筋高度较小时,拉深筋阻力的增加速度比较大。

表2 第1种拉深筋高度与阻力关系Tab.2 Type 1 draw bead heights and resistance fo rces

表3和图7是W=2R=8t=8 mm,R=4t=4 mm时,第2种半圆形拉深筋高度与阻力的关系。可以看出当拉深筋凸模的宽度一定时,拉深筋的阻力与高度接近直线关系。在实际生产中,拉深筋高度往往先做成较大的尺寸,使拉深筋的阻力较大,然后根据需要再调整拉深筋凸模的高度与其顶部的圆角半径,从而降低拉深筋的阻力,拉深筋的凹模不变。这样调试起来较容易。

表3 第2种拉深筋高度与阻力关系Tab.3 Type 2 draw bead heights and resistance forces

表4 不同材料与拉深筋阻力关系Tab.4 Different materials and draw bead resistance fo rces

表4是R=4t=4 mm,H=R时,不同材料与拉深筋阻力的关系。由表4可知,对于同一拉深筋,当材料变化时,拉深筋的阻力与材料的初始屈服应力之比值几乎不变,为常数。

表5是R=4t=4 mm,H=R时,不同材料厚度与拉深筋阻力的关系。由表5可知,当材料厚度变化时,拉深筋阻力与材料的初始屈服应力之比值随着材料厚度增加稍有增加,但增加量很小,在实际生产中可忽略不计。

3 结 语

1)不同材料和不同材料厚度对拉深筋阻力与材料的初始屈服应力之比值影响不大,在实际生产中可以忽略不计。

2)随着拉深筋工作圆角半径的增加,拉深筋的金属流动阻力减小。在实际生产中,可根据表1和图5选用第1种半圆形拉深筋的工作圆角半径。

表5 不同材料厚度与拉深筋阻力关系Tab.5 Differentmaterials gauges and draw bead resistance forces

3)随着拉深筋高度的减小,拉深筋的金属流动阻力减小。在实际生产中,可根据表2和图6选用第1种半圆形拉深筋的高度,由表3和图7选用第2种半圆形拉深筋的高度。

[1]王孝培.冲压设计资料[M].北京:机械工业出版社,1983.

[2]L IDa-yong,JIAO Shang-hai,WANG Yu-wei.Robust Op timizition of D raw bead Fo rces fo r the Bpillar Stamping[M].Congress:Severstal North America Inc,2009.

[3]韩鹏彪,李 军,秦志国,等.筒形件拉深工艺的优化设计[J].河北工业科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),1999,16(1):35-37.

[4]孙兰英,翟封祥,张 耕.焊接板材毛坯冲压成形中残余应力的测试与分析[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2000,21(1):69-72.

Study on semi-circle draw beads by using Dynafo rm

HAN Peng-biao,Q IN Zhi-guo,L IU Bo,LU Su-ling
(College of Material Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China)

One CAD model was built in this study.The relationshipsof differentmaterials,differentmaterial gauges,different draw bead shapes and different draw bead sizes w ith the ratios of the draw bead resistance forces to the material initial yield stresses were studied respectively from the CAD model by using Dynaform.The study concluded that different materials and different material gauges slightly affected the ratios of the draw bead resistance forces to thematerial initial yield stresses.A lso,it derived that the draw bead shapes and the draw bead sizes are related w ith the ratios of the draw bead resistance fo rces to thematerial initial yield stresses,and the relationship curves were p resented.

draw beads;Dynaform;numerical simulation;flow resistance

TG386

A

1008-1542(2010)02-0147-04

2009-10-20;

2010-01-11;责任编辑:张士莹

韩鹏彪(1968-),男,辽宁沈阳人,副教授,主要从事塑性成形数值模拟方面的研究。