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有限元分析在连续拉深圆形件工艺设计中的应用

2018-07-30王百辉徐广宏宋晓虹

机械工程师 2018年7期
关键词:薄率压边凹模

王百辉, 徐广宏, 宋晓虹

(1.黑龙江省质量认证中心,哈尔滨 150036;2.黑龙江省机械设备进出口公司,哈尔滨 150001;3.黑龙江省机械科学研究院,哈尔滨 150040)

0 引言

在冲压行业中,模具设计在很大程度上依赖于过去的经验法和多次冲压试验。图1为连续拉深圆形杯件料带,条料在模具中移动,在每一次冲压过程中,级进模在各个工位进行一系列的冲压成形。在这个过程中最关键的难题是如何确定最小拉深次数和相应的模具形状尺寸,同时保证拉深件的壁厚。这个过程需要投入大量的时间,加大了模具开发的时间成本。而利用计算机进行有限元分析的方法是非常可取的,借助这种方法我们可以设计一套可靠的级进模拉深工艺方案,并降低模具成本。

图1 连续拉深圆形杯件料带

在本研究中,通过有限元模拟结果为基础进行工艺决策,应用在圆杯拉深的级进模设计中。有限元分析由商业有限元分析软件DEFORM 2D执行,将从有限元法获得的各拉深道次工艺设计和使用过去的经验和试验得到的结果进行比较。结果表明,有限元法为基础的工艺决策大致相当于实践多年的工程师水平。

图2 几何形状尺寸

1 基于有限元法的模具设计方法

本研究使用有限元模拟分析设计一个零件的多道次级进拉深工艺,如图2所示。模具设计过程中必须确定:拉深次数,每个拉深道次凸、凹模的形状尺寸(凸、凹模直径,凸、凹模的圆角半径),每道次拉深深度,每道次拉深的压边力。

图3 各道次拉深凸模直径变化与壁厚关系

在最初几道次拉深中拉深系数较高,如图3所示冲头直径和最大壁厚减薄率的变化趋势。后几道次拉深的变形相较于初始阶段相对较小,冲头直径也急剧减少。基于这一趋势,限制首道次拉深部分的最大壁厚减薄率应低于4。所有拉深道次中,凸、凹模圆角半径之比小于1,即从0.75到0.95,在确定每道次拉深的的凸模和凹模圆角半径时,应考虑这一比值。

2 工艺设计

2.3 首道次拉深的凸、凹模直径以及拉深深度

2.1 仿真模型

所用的仿真模型如图4所示。由于几何模型在Z轴对称,故变形模式采用关于轴对称变形模式。将板材划分为轴对称四边形单元体沿分布。定义模具为刚性,模具和变形材料的应力应变关系为

定义库仑摩擦因数0.1,选定细化分布的有限元模拟,使用这些参数模拟分析A部分得到实验结果。初始板料直径db定为165 mm,通过体积不变使用图2给出零件的尺寸。在模拟中使用的下压速度为150 mm/s。

图4 仿真模型

2.2 首道次拉深的压边力

通过对不同压边力进行模拟,确定了首道次拉深的压边力。模拟过程中压边圈将向上移动,如果压边力不足,则有限元模拟会有所体现,如产生起皱。首道次拉深时,压边圈向上运动,施加最小压边力为50 kN,防止起皱。以同样的方法来确定以后各道次的压边力。

凸模直径和拉深深度对壁厚的影响最大。首道次拉深中最大壁厚减薄率应小于4。如表1所示,不同凸、凹模直径得到不同的减薄率。根据表1可以确定最佳凸、凹模直径,从而控制壁厚,使减薄率低于4。查模具设计手册获得拉系数为1.55、1.6和1.65,用于确定初始的凸模直径。分别计算凸模直径为98 mm、100 mm、102 mm时的减薄率。表1中的最后一列是从有限元法得到的最大减薄率。凸模直径为98 mm和100 mm时最大壁厚减薄率小于4,为了减少拉深次数,选择凸模直径为98 mm。

有限元模拟中,最重要的是可以看拉深后工件最薄位置。技术人员可以使用这些信息来选定后续拉深的凸模直径。首道次拉深凸模半径为49 mm。拉深完成后,最大减薄率3.2发生在距离从中心线44 mm的位置,如图5所示。因此,若在第2道次拉深及以后各次拉深凸模半径大于等于49 mm时,将会使工件壁厚过薄。所以,第2次拉深凸模半径应小于49 mm。通过有限元模拟,可得出下一道次拉深凸模直径的最大值,再进行仿真模拟可以确定后续各道次拉深的最佳凸模直径。零件在前4个拉深工位完成拉深,最大减薄率应低于6。

表1 确定最佳凸模直径的模拟数值

图5 首道次拉深中最小壁厚位

2.4 首道次拉深凸、凹模的圆角半径

表2 确定最佳凸、凹模圆角半径的模拟数值

图6 有限元法和经验法设计的凸模直径比较

图7 有限元法和经验法设计在壁厚上的区别

在选定各道次拉深凸、凹模的直径后,还需要确定拉深凸、凹模的圆角半径。初次拉深选定的凸、凹模圆角如表2所示。其中的凸、凹模圆角半径取自模具设计手册。表2最后一列是不同凸、凹模圆角得到各自的壁厚变薄率。由表2可见,当拉深凸模、拉深凹模圆角半径分别为30.5 mm、31.5 mm时满足设计标准,既保证壁厚变薄率低于4,又可以减少拉深次数。以相同的方法可以得到以后各道次拉深时的凸、凹模圆角半径。

3 级进模设计中有限元法和经验法的比较

使用有限元法和使用经验法得到的拉深凸模直径如图6所示。相比之下,使用有限元分析得到的设计结果是需要10个道次的拉深而经验法需要九道次拉深。使用有限元法得到的各道次拉深凸模直径基本是成线性变化的,而拉深系数较大用经验法设计的前5道次拉深并没有线性关系。使用有限元分析和经验法得到工件的厚度分布差异如图7所示。从图中可以看出通过改变各道次拉深凸模的直径使得零件壁厚在后部分布更均匀。

4 结论

在这次研究中,将有限元模拟分析的方法用于级进拉深圆形杯形件的级进模工艺设计中,并且将有限元法得到的设计结果和经验法进行了比较。研究表明,在模具设计时将计算机辅助工程CAE与经验法相结合可以减少模具设计时间。此外,CAE技术也有助于复杂工件模具设计,同时减少工作量、实验量以及错误发生的可能性。通过有限元分析模拟,可以得到场变量、应变分布、应力分布、材料流动以及形成缺陷,这些分析结果可以提高一个经验丰富设计师的设计能力和专业知识。这项研究得出的主要结论是:1)综合有限元法和经验法可以减少修模试模的次数缩短设计周期;2)采用有限元法进行模具设计,能够优化产品属性,如壁厚、公差等;3)在冲压行业中,要使有限元成为先进实用的工具,模具设计师和有限元分析工程师的紧密合作至关重要,此外,经验丰富的模具设计师也可进行有限元软件方面的进修。

[参 考 文 献]

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[5] 张荣清.模具制造工艺[M].北京:高等教育出版社,2013.

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