板料冲压成型的变参数研究

陈 玲 ，方建丰 ，高 东

（1.天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384；2. 天津理工大学 机械工程学院，天津 300384）

0 引言

板料冲压成型是一种广泛应用在航空航天、机械、国防军工等领域的十分重要的材料加工方法[1]，随着塑性成型理论的成熟，数值模拟方法逐渐应用于冲压成型的模具设计和工艺优化之中[2-4]。

国外的学者近十年来做了大量的研究工作：Naceur H.等利用显示动力学有限元法，结合梯度型优化算法对拉延筋阻力等参数进行优化[5]，S.K. Panthi等利用一种基于完全弹性增量塑性应变（TEIP）的大变形算法的有限元方法，对典型板料弯曲的回弹过程进行了模拟分析[6]，2010年Mehmet Firat,等利用显示—增量隐式迭代有限元法结合正交回归，对冲压成形过程进行了设计[7]。

国内学者谢晖等应用基于起皱临界应力计算的有限元法，对优化问题进行了研究[8]。2007年，苏海波等人使用Autoform模拟了轿车发动机罩外板的成形过程，并对钢板长宽对调后各向异性对零件成形质量的影响进行了分析[9]。

以上研究成果在理论上的贡献是卓著的，但是有的研究在实际应用中的可操作性差。本文基于显示动力学有限元求解器Ls-Dyna的冲压成型数值模拟软件Dynaform，对某公司生产的压缩机外壳在冲压成型过程中的压边力、摩擦系数以及板料厚度等相关工艺参数进行了研究；并将成型极限图作为评判其质量的主要依据，对影响板料成型质量的参数做了进一步的分析计算。

1 压缩机外壳的几何模型

图1为压缩机外壳的几何模型，为了便于描述，将该模型分为三个区域：顶部区域、圆角区域和侧壁区域。

图1 压缩机外壳的几何模型

2 有限元模型的建立

板料的网格划分采用基于Mindlin板壳理论的Belytschko-Tsay薄壳单元，并开启网格的自适应功能，在单元厚度方向上采用5个积分点，单元的尺寸为3×3mm。凸模，凹模以及压边圈的网格均采用shell163薄壳单元。其中凹模的网格通过凸模网格偏置3.5mm生成，保证了板料与模具接触时不会由于距离太近而发生初始穿透现象。压边圈通过专业冲压成型模拟软件Dynaform中的BSE模块生成，单元大小为3×3mm。图2为模具与板料的整体有限元模型。

图2 模具与板料的整体有限元模型

3 材料参数

厂方实际生产的板料厚度为3.5mm，模拟采用3参数的Barlat屈服条件，

对于平面应力问题，Barlat屈服条件的表达式如下：

式（1）中，m为屈服函数的幂指数，对面心立方晶体材料m的推荐值为8，对体心立方晶体材料m的推荐值为6。

p的值需由下式迭代解出：

凹模、凸模和压边圈的材料为钢材，模具在模拟时均被设置为刚性体（Rigid Body）。其力学性能参数如表1所示。

4 工艺参数和边界条件

在板料成型的数值模拟中，影响成型质量的主要工艺参数有冲压速度，压边力以及摩擦系数。为验证该模拟方法的准确性，在本文的计算中采用实际生产中的冲压参数：压边力24300N；摩擦系数0.125；板料厚度3.5mm。将凸模平动和转动自由度全部约束；凹模和压边圈约束3个方向的转动自由度以及X和Y方向的平动自由度。对接触和摩擦的处理采用库伦摩擦定律，考虑壳单元厚度变化并开启初始穿透检测功能。设置模具与板料间的静摩擦系数为0.125，动摩擦系数为0。

通过对模型中测试点的误差估计如图3所示，模拟的误差范围基本控制在5%左右，模拟的精度较高，说明该模拟方法正确。

表1 材料的力学性能参数

图3 测试点厚度模拟结果的误差

5 变参数的模拟研究

模拟计算结果与实际产品基本一致，厂方提出希望对压边力，摩擦系数和板料厚度进一步研究，以得到各参数对产品的影响，为改进设计提供理论依据。

5.1 压边力的影响及结果分析

压边力是通过压边圈作用于压料面来带动板料运动完成成型过程的作用力，是影响板料成型质量的关键因素之一。模拟中摩擦系数与板料厚度分别固定为0.125和3.5mm，只是将压边力在24300N的基础上扩展为16200N～32400N，以研究压边力的变化对于板料成型质量的影响。

表2是在不同压边力下产品成型后的厚度变化，从表2中可以看出，随着压边力的增大，板料的厚度随之变薄，当压边力超过30375N时，板料开始出现拉裂的现象，如图4压边力为32400N时板料的成型极限图，从图中可以观察到出现拉裂的位置。而压边力减小时，板料厚度随之增厚，但当压边力小于18225N时，板料会出现压缩失稳即褶皱这样的缺陷。图5示出了压边力为16200N时褶皱发生的位置。

图4 压边力32400N时的成型极限图

表2 压边力对成型结束后板料厚度的影响

图5 压边力16200N时的成型极限图

5.2 摩擦系数的影响及结果分析

摩擦系数是指模具与板料间的接触关系，它主要与板料和模具所使用的材料有关，一般来讲摩擦系数的取值范围不会很大；但在生产过程中，考虑到模具的磨损会增大摩擦系数，而润滑剂的使用又会减小摩擦系数，增强板料的流动性。故研究时将摩擦系数取值范围扩展到0.06～0.19。

表3是压边力与板料厚度一定时，改变摩擦系数的计算结果：摩擦系数减小，板料的厚度随之增大，从成型极限图分析，板料的总体成型质量会变好。然而，摩擦系数太小，仅为0.06时如图6，板料也会出现压缩失稳即褶皱这样的缺陷；随着摩擦系数的增大，板料的厚度也随之减小，当摩擦系数超过0.17时板料开始出现潜在的拉裂区域，随着摩擦系数继续增大，板料就会出现拉裂，如图7所示。

表3 摩擦系数对成型结束后板料厚度的影响

图6 摩擦系数0.06时成型极限图

图7 摩擦系数0.19时的成型极限图

5.3 板料厚度的影响及结果分析

板料厚度的变化会影响成型过程中板料的流动性，也是影响板料成型质量的重要因素。在数值模拟中分别取3.0mm和3.5mm厚度的板料，研究厚度对成型质量的影响。

表4 板料厚度对于成型结束后板料厚度的影响

表4列出了两种厚度的模拟结果，3.0mm的板料在成型结束后板料厚度的减薄程度比3.5mm的板料要大，且最小厚度亦比3.5mm的板料要小。此外，在图8和图9的成型极限图中也可以看出，3.0mm板料在成型后，材料的变形更加趋近于材料的使用极限，这也使得压边力和摩擦系数的选择范围要相应变窄。

图8 厚度3.0mm的成型极限图

图9 厚度3.5mm的成型极限图

6 结束语

当压边力过大和过小均会出现褶皱和拉裂的缺陷，根据模拟结果，压边力的取值范围在20250N～28350N时板料的成型质量较好。摩擦系数对于板料的影响与压边力相似，适当的减小摩擦系数可以增加板料的流动性，提高整体的成型质量，摩擦系数的取值范围在0.09～0.16时成型质量较好。板料的厚度也会对成型后板料的质量产生一定的影响，当板料厚度变薄后，板料成型后的厚度会变得更薄，更容易出现拉裂的缺陷。

[1] 张铁山.板料冲压成型中的摩擦与回弹研究[D]. 南京:南京理工大学,2004.

[2] 李体彬.冲压成型工艺[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3] 周军.基于CAE的薄板冲压毛坯反算技术与应用[D].长沙:湖南大学,2002.

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[5] Naceur H., Gao Y.Q., Batoz J.L. Knopf-Lennoir C.Optimization of draw bead restraining fores and draw bead design in sheet metal forming process. International Journal of Mechanical Science[J], 2001, 43(24): 07-34.

[6] S.K. Panthi,N.Ramakrishnan, K.K. Pathak etc. An analysis of springback in sheet mental bending using finite element method(FEM). Journal of Materials Processing Technology[J], 2007, 186(1-3): 120-124.

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