附录B： 外文原文
Stamping die design deep drawing wrinkling
Wrinkling that occurs in the stamping of tapered square cups and stepped rectangular cups is investigated. A common characteristic of these two types of wrinkling is that the wrinkles are found at the draw wall that is relatively unsupported. In the stamping of a tapered square cup, the effect of process parameters, such as the die gap and blank-holder force, on the occurrence of wrinkling is examined using finite- element simulations. The simulation results show that the larger the die gap, the more severe is the wrinkling, and such wrinkling cannot be suppressed by increasing the blank-holder force. In the analysis of wrinkling that occurred in the stamping of a stepped rectangular cup, an actual production part that has a similar type of geometry was examined.
The wrinkles found at the draw wall are attributed to the unbalanced stretching of the sheet metal between the punch head and the step edge. An optimum die design for the purpose of eliminating the wrinkles is determined using finite-element analysis. The good agreement between the simulation results and those observed in the wrinkle-free production part validates the accuracy of the finite-element analysis, and demonstrates the advantage of using finite-element analysis for stamping die design. Keywords: Draw-wall wrinkle; Stamping die; Stepped rectangular cup; Tapered square cups 1. Introduction Wrinkling is one of the major defects that occur in the sheet metal forming process. For both functional and visual reasons, wrinkles are usually not acceptable in a finished part. There are three types of wrinkle which frequently occur in the sheet metal forming process: flange wrinkling, wall wrinkling, and elastic buckling of the undeformed area owing to residual elastic compressive stresses. In the forming operation of stamping a complex shape, draw-wall wrinkling means the occurrence of wrinkles in the die cavity. Since the sheet metal in the wall area is relatively unsupported by the tool, the elimination of wall wrinkles is more difficult than the suppression of flange wrinkles. It is well known that additional stretching of the material in the unsupported wall area may prevent wrinkling, and this can be achieved in practice by increasing the blank- holder force; but the application of excessive tensile stresses leads to failure by tearing. Hence, the blank-holder force must lie within a narrow range, above that necessary to suppress wrinkles on the one hand, and below that which produces fracture on the other. This narrow range of blank-holder force is difficult to determine.
For wrinkles occurring in the central area of a stamped part with a complex shape, a workable range of blank-holder force does not even exist. In order to examine the mechanics of the formation of wrinkles, Yoshidaetal developed a test in which a thin plate was non-uniformly stretched along one of its diagonals. They also proposed an approximate theoretical model in which the onset of wrinkling is due to elastic buckling resulting from the compressive lateral stresses developed in the non-uniform stress field. Yuetal investigated the wrinkling problem both experimentally and analytically. They found that wrinkling could occur having two circumferential waves according to their theoretical analysis, whereas the experimental results indicated four to six wrinkles. Narayanasamy and Sowerby examined the wrinkling of sheet metal when drawing it through a conical die using flat-bottomed and hemispherical-ended punches. They also attempted to rank the properties that appeared to suppress wrinkling. These efforts are focused on the wrinkling problems associated with the forming operations of simple shapes only, such as a circular cup. In the early 1990s, the successful application of the 3D dynamic/explicit finite-element method to the sheet- metal forming process made it possible to analyse the wrinkling problem involved in stamping complex shapes. In the present study, the 3D finite-element method was employed to analyse the effects of the process parameters on the metal flow causing wrinkles at the draw wall in the stamping of a tapered square cup, and of a stepped rectangular part. A tapered square cup, as shown in Fig. 1(a), has an inclined draw wall on each side of the cup, similar to that existing in a conical cup. During the stamping process, the sheet metal on the draw wall is relatively unsupported, and is therefore prone to wrinkling. In the present study, the effect of various process parameters on the wrinkling was investigated. In the case of a stepped rectangular part, as shown in Fig. 1(b), another type of wrinkling is observed. In order to estimate the effectiveness of the analysis, an actual production part with stepped geometry was examined in the present study. The cause of the wrinkling was determined using finite-element analysis, and an optimum die design was proposed to eliminate the wrinkles. The die design obtained from finite-element analysis was validated by observations on an actual production part. 2. Finite-Element Model The tooling geometry, including the punch, die and blank- holder, were designed using the CAD program PRO/ ENGINEER. Both the 3-node and 4-node shell elements were adopted to generate the mesh systems for the above tooling using the same CAD program. For the finite-element simulation, the tooling is considered to be rigid, and the corresponding meshes are used only to define the tooling geometry and are not for stress analysis. The same CAD program using 4- node shell elements was employed to construct the mesh system for the sheet blank. Figure 2 shows the mesh system for the complete set of tooling and the sheet-blank used in the stamping of a tapered square cup. Owing to the symmetric conditions, only a quarter of the square cup is analysed. In the simulation, the sheet blank is put on the blank-holder and the die is moved down to cla
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附录A： 译文
冲压模具设计拉深起皱
研究了锥形方杯和阶梯矩形杯冲压过程中出现的起皱现象。这两种皱纹的一个共同特点是在相对不结实的拉伸壁上发现了皱纹。在锥形方杯冲压过程中，采用有限元模拟研究了模具间隙、压边力等工艺参数对起皱发生的影响。仿真结果表明，模具间隙越大，起皱越严重，这种起皱现象不能通过增加压边力来抑制。在分析阶梯式矩形杯冲压过程中出现的起皱现象时，对具有相似几何形状的实际生产零件进行了检验。在拉伸壁上发现的皱纹是由于冲压头和台阶边缘之间的板材拉伸不平衡造成的。通过元素分析，确定了消除皱纹的最佳模具设计。模拟结果与无皱件的模拟结果吻合较好，验证了网元分析的准确性，验证了网元分析在冲压模具设计中的优越性。
关键词：拉延壁起皱；冲压模；阶梯式转角杯；锥形方杯。
介绍起皱是板料成形过程中的主要缺陷之一。由于功能和视觉上的原因，皱纹通常是不能接受的，在一个裸露的部分。板料成形过程中经常出现的起皱有三种类型：拉延壁型起皱、壁面起皱和残余弹性压应力引起的未变形区弹性屈曲。在复杂形状冲压成形过程中，拉延壁起皱是指模具型腔内出现的起皱现象。由于壁面上的板料相对不受工具的支撑，因此消除壁面皱纹比消除更能抑制起皱。众所周知，在无支承墙区域对材料进行额外拉伸可以防止起皱，这在实践中可以通过增加压边力来实现，但施加过大的拉应力会导致撕裂失效。因此，压边力必须在一个狭窄的范围内，一方面在抑制皱纹所必需的范围之上，另一方面在产生断裂的范围之下。这一狭窄范围的空白保持力是确定对于形状复杂的冲压零件中心区域出现的皱纹，甚至不存在可操作的压边力范围。为了研究皱纹形成的机理，吉田等人。发展了薄板沿其对角线不均匀拉伸的试验。他们还提出了一个近似的理论模型，其中起皱的原因是在非均匀应力中产生的压侧应力所引起的弹性屈曲。他们对起皱问题进行了实验和分析研究。他们发现，根据理论分析，有两种周向波会出现起皱，而实验结果则有四到六条皱纹。Narayana samy和Sowerby研究了在用在底部和半球形结束的冲头上用圆锥形模具拉出金属板材时的起皱情况。他们还试图对那些看起来能抑制皱纹的属性进行排序。这些努力集中在褶皱问题会形成简单的形状，如一个圆形杯。20世纪90年代初，三维动态/显式网元法在板料成形过程中的成功应用，使得分析冲压复杂形状所涉及的起皱问题成为可能。本文采用三维网元法，分析了工艺参数对锥形方杯冲压成形和阶梯矩形件拉深壁起皱的金属的影响。锥形方形杯，在杯子的每一侧都有一个倾斜的画墙，类似于圆锥形杯中存在的壁。在冲压过程中，拉深壁上的板料相对没有支撑，因此容易起皱。本文研究了不同工艺参数对起皱的影响。在阶梯矩形零件的情况下，观察到另一种类型的起皱。为了评价分析的有效性，本文研究了一个具有阶梯几何形状的实际生产零件。通过元素分析确定了起皱原因，并提出了消除起皱的最佳模具设计方案。通过对实际生产件的观察，验证了网元分析得到的模具设计。利用CAD程序PRO/ENGINEER对模具几何结构进行了有限元建模。采用3节点和4节点壳单元， 用相同的CAD程序生成上述模具的网格系统。对于网元模拟，模具被认为是刚性的，对应的网格仅用于模具几何，而不用于应力分析。采用4节点壳单元的CAD程序构建了板料毛坯的网格系统。明白了用于锥形方杯冲压的全套模具和板坯的网格系统。由于对称条件，只分析了四分之一的方杯。在仿真中，将板坯置于毛坯座上，模具向下移动，使板坯与毛坯夹紧。然后将冲头向上移动，将金属片拉到模具腔中。为了进行准确的网元分析，需要将板料的实际应力-应变关系作为输入数据的一部分。在本研究中，采用具有拉深质量的板料进行模拟.对沿滚动方向0°与车制方向成角45°和90°的试样进行了拉伸试验。从方程计算出的平均低应力，对每个实测的真实应变，如图3所示，用于模拟锥形方杯冲压件和阶梯式矩形杯的冲压件。本研究中的所有模拟都是在SGI Indigo2工作站上运行的，使用的是元素程序图PAMF STAMP。为了完成模拟所需的输入数据集，将冲头速度设为10ms1，并假定库仑摩擦系数f=0.1。锥形方形杯的皱褶图显示了锥形方杯的相关尺寸。方冲头(2Wp)、模腔开口(2wd)和拉深高度(H)的两侧长度是影响起皱的关键尺寸。在本研究中，模具腔开口尺寸与冲头尺寸之差的一半称为模具间隙(G)，即GW DWP.拉拔壁上相对没有支撑的板料的程度可能是由于模具间隙造成的，而皱纹应该通过增加压边力来消除。在下面的章节中，研究了模具间隙和压边力对锥形方杯冲压过程中起皱发生的影响。为了考察模具间隙对起皱的影响，对20mm、30mm和50mm三种不同模具间隙的锥形方杯冲压成形进行了数值模拟。在每次模拟中，模腔开口的为200mm，并将杯子拉到100mm的高度。在这三个模拟中使用的薄板是380mm的380mm的方形薄板，厚度为0.7mm，材料的应力应变曲线。仿真结果表明，三种锥形方杯均出现起皱现象，图4显示了50mm模隙拉伸杯的模拟形状，图4显示了拉拔壁上的起皱现象，尤其是在相邻壁之间的拐角处，起皱现象尤为明显。结果表明，冲压过程中拉深壁处有较大的无支撑区，冲压过程中凸模头的侧长和模腔的开度因模具间隙的存在而不同。在冲头和模腔肩之间拉伸的薄板由于存在压缩横向应力而变得不稳定。金属板材在压缩下的无约束拉伸似乎是拉拔壁产生扭动的主要原因。为了比较三种不同的模具间隙的结果， 引入了两个主菌株的比值，即min/max，其中max和min分别是主菌株的主菌株和次要菌株。Hosford和Caddell已经证明，如果绝对值大于临界值，就应该发生起皱，而绝对值越大，起皱的可能性就越大。所知的的具有不同模具间隙的三种模拟形状在相同绘图高度上的横截面M-N值。可以看出，严重的皱纹位于靠近拐角的地方，而所有三种不同的模具间隙在画墙中间都会出现较少的皱纹。同时指出，模具间距越大，其绝对值越大。因此，增加模具间隙将增加在锥形方杯的拉延壁上发生起皱的可能性。3.2压边力的影响众所周知，增加压边力有助于消除冲压过程中的起皱。为了研究提高毛坯夹持力的效果，在不同的压边力值下，模拟了与上述严重起皱有关的50mm锥形方杯的冲压过程。压边力由100kN提高到600kN， 压边压力分别为0.33MPa和1.98MPa。其余的模拟条件与上一节中所述的保持相同。模拟中还使用了300kN的中间压边力.模拟结果表明，增加拉坯夹持力并不能消除拉深壁产生的起皱现象。图4所示的沿横截面M-N的值是在100kN和600kN的压边力的冲压过程中相互比较的。模拟结果表明，两种情况下沿横截面M-N的数值基本一致.为了检验两种不同的压边力的褶皱形状的差异，在图中为这两种情况绘制了从底部到M-N线的不同高度的画墙的橫截面。从图中可以看出，两种情况下横截面的波纹是相似的。这表明压边力不影响锥形方杯冲压成形中起皱的发生，因为起皱主要是由于拉深壁无支撑区域较大，存在较大的压横向应力所致。毛坯夹持力在f中对冲头与模腔肩之间材料的失稳模式没有影响。阶梯式矩形杯冲压过程中，虽然模具间隙不明显，但在拉深壁处出现起皱现象。显示了用于冲压阶梯矩形杯的冲孔形状的草图，其中的拉延壁C后面跟着步骤D-E。在本研究中，对具有这种几何形状的实际生产部件进行了研究。该件的材料厚度为0.7mm，拉伸试验得到的应力-应变关系。冲压车间生产该冲压件的工序包括拉深后修边。在拉深过程中，在模具表面不使用拉深珠来促进金属的产生。然而，由于冲孔角半径小，复杂的几何形状，在冲头顶部边缘出现裂开，在实际生产部件的拉延壁上出现皱纹。可以看出，皱纹分布在拉深壁上，但在台阶的角边缘更严重。金属沿着冲头的整个顶部被撕裂，形成一个裂口。为了进一步了解冲压过程中板料的变形情况，进行了元素分析。对原设计进行了网元模拟，并进行了第一次模拟.可以看出零件的模拟形状。可以看出，该零件顶部的网格可以很好地拉伸，并在拉延壁上分布起皱，类似于实际零件中所观察到的形状。小冲头半径，例如沿边A-B的半径和冲孔角A的半径，被认为是造成墙体破损的主要原因。然而，根据网元素分析的结果，可以通过增加上述半径来避免分裂.这一概念已通过实际生产部分的大角半径制造的验证。还进行了几次消除皱纹的尝试。首先，压边力增加到原来值的两倍.然而，与前一节中关于锥形方杯拉深的结果一样，毛坯夹持力对消除起皱的影响并没有被认为是的作用。通过增加摩擦力或增大毛坯尺寸，也得到了相同的结果。我们的结论是，这种褶皱不能通过增加拉伸力来抑制。由于褶皱是由于金属过低而形成的，在某些区域，板材承受较大的抗皱应力，因此消除皱纹的一种简单方法是在起皱区域添加拉杆以吸收多余的材料。拉杆应平行于皱纹的方向添加，以便有效地吸收多余的金属。基于这一概念，两个拉杆被添加到相邻的墙壁上，以吸收多余的材料。仿真结果表明，拉杆增加了拐角处的皱纹会像预期的那样被拉杆吸收，但是在残留的墙壁上仍然会出现一些皱纹。这表明需要在抽油墙上放置更多的拉杆来吸收所有多余的材料。然而，从零件设计的考虑来看，这是不允许的。在冲压过程中使用网元素分析的优点之一是可以在整个冲压过程中监控板坯的变形形状，这在实际生产过程中是不可能的。仔细观察冲压过程中的金属表明，板坯是通过冲头拉入模具腔的，直到板坯接触标记的台阶边D-E时，才形成褶皱。起皱的形状如图所示。这为模具设计提供了有价值的信息。最初的猜测是板料在冲孔角半径A和台阶角半径D之间的不均匀拉伸。因此，进行了模设计中台阶角被切断的设计，从而有利于改变拉伸条件，通过增加台阶边使更多的拉伸得到应用。然而，在杯子的画壁上仍然发现了皱纹。这一结果表明，由于整个冲头边缘与整个台阶边緣之间的拉伸不均匀，而不仅仅是冲头角与台阶角之间的拉伸不均匀，导致了皱纹的产生。为了验证这一思想，提出了模具设计中的两种莫迪设计方法：一种是切断整个台阶，另一种是增加一种拉深操作，即用两种拉深操作绘制所需的形状。前一种方法的模拟形状。由于下一步被切断，拉深过程的矩形杯形拉深过程非常相似。皱纹被消除。在两次操作的绘图过程中，板坯被拉到更深的一步。然后，在第二次绘图操作中形成较低的步骤，然后得到所需的形状。可以清楚地看到，阶梯式矩形杯可以通过两次拉深加工而不起皱。还应注意的是，在两次操作的拉深过程中，如果采用相反的顺序，即下一步形成，然后是更深一步的绘图，则深台阶的边缘容易撕裂，因为金属很难在较低的台阶上进入模具型腔。有限元模拟表明，只需一次拉深操作，就可以实现对所需阶梯矩形杯的冲压模具设计。然而，由于模具成本和操作成本的增加，两次拉深工艺的制造成本预计会高得多。为了保持较低的制造成本，零件设计工程师进行了适当的形状改变，并根据元素模拟结果对模具设计进行了修正，以切断下台阶。采用模具设计，生产实际冲压模具，生产出无皱纹的模具，零件形状与网元模拟结果吻合较好。为了进一步验证网元模拟结果，模拟结果所得到的沿横截面G-H的厚度分布与从生产部分测得的厚度分布进行了比较。对比结果，可以看出，网元模拟预测的厚度分布与生产部分直接测量的厚度分布吻合得很好。该协议验证了均方根法分析元素的有效性.采用元素分析法，对冲压工艺中发生的两类起皱现象进行了总结和总结，探讨了产生起皱的原因，提出了消除起皱的方法。在锥形方形杯的冲压过程中，第一次起皱出现在拉延壁上。出现起皱的原因是模具间隙过大，即模腔开口的边长与冲头的边长之间的差异。当金属被拉进模具型腔时，大的模具间隙会导致大面积的无支撑金属片，以及冲头与模具腔肩之间的不利拉伸。因此，大面积的无支撑金属片容易起皱。网元模拟结果表明，这种起皱方式不能通过增加压边力来实现。另一种类型的褶皱研究发生在一个实际的冲压零件，它有一个阶梯矩形的几何形状。结果表明，虽然模具间隙不适合，但在台阶上方的拉深壁处仍会出现起皱现象。根据元素分析， 起皱的原因是冲头和台阶边缘之间的拉伸不均匀。在模具设计中进行了几次尝试， 采用网元模拟消除起皱现象， 并在此基础上建立了优化设计方法。通过一个无缺陷生产零件的生产，验证了莫迪模具消除皱纹的设计。模拟结果与拉深部分的模拟结果吻合较好，验证了网元分析的准确性，从而验证了用网元模拟代替昂贵的实际试模方法的有效性。作者对此表示感谢，感谢中华民国国家科学委员会给予NSC-86-2212-E 002-028的资助， 使这一项目成为可能。他们还想感谢Kym提供的生产部分。
冲压模具设计中的拉深起皱分析在锥形方杯和阶梯形的矩形杯的冲压中发生起皱。这2种起皱的共同特征是：在拉伸壁上发现的皱纹是相对不受支持的。在一个锥形方杯的冲压中，工艺参数的影响，如模间隙和压边力，对起皱的发生是利用有限元模拟。仿真结果表明，模具间隙越大，越严重的起皱，和这样的起皱不能被抑制通过增加的压边力。在一个阶梯形的矩形杯的冲压成形过程中，在分析起皱时，检查了一个具有类似几何形状的实际生产零件。在画壁上发现的皱纹是由于在冲压头和台阶边缘之间的金属片的不平衡拉伸。利用有限元分析方法确定了消除皱纹的最佳模设计。模拟结果和无皱生产部分中所观察到的良好的协议验证的有限元分析的准确性，并演示了使用有限元分析的优点，冲压模具设计。
起皱是板材成形过程中出现的主要缺陷之一.对于功能和视觉的原因，皱纹通常是不可接受的，在完成部分。有三种类型的起皱，板料成形过程中经常发生：法兰起皱、侧壁起皱，弹性屈曲变形区由于残余压应力。在冲压成形操作中，复杂的形状，画壁起皱是指在模腔中出现皱纹的现象。由于在墙上的金属片，是相对不支持的工具，消除壁皱纹是更困难比抑制法兰皱纹。众所周知，额外的材料拉伸的拉伸壁区域中可以防止起皱，这可以在实践中通过增加压边力实现；但运用过大的拉伸力导致失败的撕裂。因此，压边力必须在一个狭窄的范围内，一方面抑制皱纹，另一方面又会产生裂缝的产生。这种窄范围的压边力是很难确定的。对于一个复杂的形状，一个可操作的范围内，一个可操作的范围内的一个复杂的形状，在中央区域的褶皱发生的皱纹，甚至不存在。为了检验皱纹的形成机理，吉田等进行了一项试验，薄钢板非均匀伸展沿其对角线。他们还提出了一个近似的理论模型，在该模型中，起皱的发病是由于弹性屈曲产生的压缩横向应力在非均匀应力场开发。研究了起皱问题的实验和分析。他们发现，起皱可能会出现二周波，根据他们的理论分析，而实验结果表明四至六皱纹。他和材料检查板材拉深时的起皱通过使用平底和半球形冲头锥模结束。他们还试图等级的属性，似乎抑制起皱。这些现象都集
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