金属板材成形过程的计算机辅助分析和设计外文翻译资料

 2022-01-02 05:01

金属板材成形过程的计算机辅助分析和设计：

第三部分：冲压模面设计

摘要

板料成形工艺的有限元模拟有助于方法和工具工程师通过将昂贵的冲压车间试验转移到计算机辅助设计环境来设计冲压件的成形界面。用于钣金成形性和冲压可行性评估研究的有限元模型通常基于理想的刚性模面设计。该假设通常与目前的工业经验一致，即使对于传统钢的大型拉模也是如此。然而，在形成中等厚度的高强度钢的情况下，这是不可行的，因为形成坯料所需的压力负荷相当高。因此，在评估潜在的可成形性和回弹问题时，可能需要在成形过程中估计模面变形，并且在确认生产之前应考虑与通常的冲压模设计和施工程序相关的可能补偿问题。在这部分研究中，提出了一种工程方法用于在金属板材成形过程中对冲压模具和模面设计进行结构评估。在本研究所要使用的计算机辅助分析和设计概念在前面的第I部分和第II部分中已给出，所提出的方法被用于汽车冲压部件的成形界面设计，包括完整的模具结构。研究结果表明模面变形对成形性和回弹变形有一定的影响。

关键词：板料成形;成形性;回弹;模具设计

1.简介

众所周知，钣金冲压模具生产的关键部分本质上是模面设计的发展，其目标是在必要的质量限制内加工出表面的几何形状并提供完全展开的坯料形状的无缺陷冲压形式。冲压加工元件的设计以零件几何形状作为基本输入数据，方法工程师尝试并确定给定冲压形式的最小操作次数，以便在满足目标冲压标准的同时降低成形工具成本[1]。从车间试验结束到冲压件的批量生产阶段，方法工程师对成形工艺设计进行各种试验。由于冲压模面设计和金属板的塑性可加工性决定了坯料变形的特性，因此在形成高强度钢时应特别注意其变形特性，以便适应较低的成形性和较高的回弹变形[ 2]。由于计算机辅助设计和分析工具的进步，方法和工具工程师采用基于有限元优点的方法，且在与给定的冲压形式设计的模面相关基础上，在计算机生成的虚拟设计环境中可靠地执行模具的试用阶段，模拟预测可能的成形性问题，例如裂缝，皱纹或过度变薄等。在修剪操作和回弹变形后，还可以估算最终零件的几何形状。这种工程方法假设拉伸过程中的模面变形可以忽略不计，并且在工业实践中证明了这种假设对于传统拉拔质量钢的情况下即使是大型内板拉模也是有效的[3]。然而，当涉及到形成具有中等厚度的新型高强度钢时，理想的刚性拉模结构的概念变得有争议，因为由于相对高的成形压力而可能不具有更大的模面扭曲，所以被认为是无足轻重的[4]。因此，在提交到生产之前，应考虑与模具设计相关的模面变形及其影响。

在本文中，简要回顾了冲压模设计实践; 研究提出了一种计算方法，用于评估和控制板料成形过程中的模面变形。基于本研究的第I部分和第II部分给出的计算机辅助设计和分析概念，所提出的方法用于驾驶室主体构件的成形过程设计。；在工艺工具的计算机辅助设计中考虑了模面变形，进行了零件成形性分析和回弹变形分析，包括加工变形。本文讨论了理想刚性和可变形成形界面之间的相对差异，并通过增加冲压铸造壁厚来满足理想刚性模面设计的假设。

2.模面设计理念

用于金属板成形模具的模面设计可以被定义为完整表面几何形状的组合，其通过确保刚性工具构造将金属板坯料塑性变形为期望的冲压形状。设计过程

以零件几何图形作为基本输入数据开始，方法工程师首先通过将零件倾斜到最有利的轴来确定图纸方向，并消除根切的风险。然后，使用材料成形性和最小允许厚度确定拉伸变形量，并估算拉伸—延展操作的数量。使用钣金零件的一半的厚度设定几何形状，设计者通过扩展零件边缘，填充锐边并在CAD环境中展开几何形状的几何图形来为冲头面设置额外的曲面。使用材料特性和最大拉伸变形量，估算可达到的最大拉深深度，并且可以在冲头和模具上增加一组拉杆和反杆表面，以便在成形过程的初始阶段最小化变形梯度。在决定了压力机操作类型后，使用一组表面或可展开的表面生成粘合剂的几何形状，并且通常与拉延筋和对应的金属元素结合，以便限制材料在冲头上的流动与受控制的方式[5]。在打孔和粘合剂界面创建之后，通常通过使用CAD软件设置表面的间隙量，其通常比金属板厚度大几个百分点，以此来开发它们的几何对应物。在此阶段，使用部件允许减薄，可以使用体积恒常性假设来完成拉伸量和坯料尺寸估计。

一旦方法工程师在CAD环境中创建了坯料和模具面的完整几何描述，通过假设一个理想的刚性模具结构来形成载荷[6,7]，就可以执行有限元素分析，以便根据回弹性和回弹后的零件几何形状研究工艺可行性。冲压过程的有限元模拟通常分两步完成，首先，进行成形分析以确定给定冲头和粘合剂载荷的金属变形；其次，以成形应力分布和成形步骤的变形几何形状作为输入计算工具移除后的回弹变形和材料厚度分布[8]。根据工艺和材料参数的相对质量，可能需要进行几次虚拟试验，以达到最佳的加工几何形状和成形元件。此时，成形载荷和拉伸动作的类型根据可用的压力线规格确定。最后，完整的冲压工具表面被批准并提交给拉丝模具制造和制造部门。

在汽车工业中，冲压模具的设计和施工实践根据所选择的制造压力机的类型，采用钣金类型。通常，在模具元件的材料选择中遵循内部模具设计和构造标准，包括铸造和热处理程序的详细规格。使用开发的模面设计作为冲头，内部标准中给出的指导原则用于主要结构元件的尺寸和集成，例如上下粘合剂元件的起始尺寸，下模和上模转接板，冲头和粘合剂铸件，导柱和衬套以及耐磨板。另外，通过选择冲压工具，摇枕-冲头几何形状和冲头冲程完全定义了成形模具结构[4,10]。在此阶段使用CAD系统允许设计工程师使用多个几何参数（例如内部闸板关闭高度和适配器板的几何形状）构建成型模具的上半部和下半部

的虚拟原型，冲头和粘合剂壁厚度或压边块平衡块的位置。在整个成形周期期间对冲头，冲模和压边元件进行多次位置分析以控制干涉和重叠，以消除冲头冲程和拉拔量之间的任何不一致。

3.模面形状控制

金属板材成形工艺是由冲压模具和坯料组成的复合系统，涉及压力机和基础结构的一组机械相互作用，并且金属板材成形需要提供必要的成形能[4,5,10,11]。假设一个理想刚性的模具结构连接到理想刚性压力机的冲头和垫板上并忽略所有模面扭曲，这有助于方法工程师按照纯几何建模程序设计成形过程[2-5]。否则，将所有这些机械系统包含在计算模型中将是一项巨大的工程设计，该计算模型旨在模拟成形过程中的金属板变形响应。因此，最实用的方法是将成形界面（即模面设计和坯料）与其余部分隔离开来，并模拟在摩擦接触过程中产生的成形力下的坯料变形与纯粹的几何描述的模具设计。此外，在传统的金属板材的情况下，这一提议在工业中广泛用于大型内板拉丝模具。然而，由于需要较高的成形载荷，在形成高强度钢时，理想的刚性拉模结构可能会出现问题。此外，在形成具有非对称轮廓的大型结构零件时会产生侧面信托，这可能会在气缸体、冲头和粘合剂元件之间的耐磨板上施加非常高的载荷，从而增加磨损。在这些情况下，生产工具的变形应包括在成形过程的计算建模中。

目前，考虑到计算机硬件和有限元软件的进步，建立计算机模型以模拟整个过程系统是可行的，但是，由于计算机分析时间较长，从工业角度来看几乎不可行。相反，基于各个特征分别在完整的压制循环期间经历的变形，一个相当简单但实用的工程方法可能是将冲压系统与由坯料加上模面设计和仅包含完整拉模设计的模具零件组成的加工零件分离。考虑到仅加工零件，与模面变形的比例相比，金属板坯和成形界面存在相互作用，导致坯料形状发生较大变化。因此，由于变形的运动学特征，应该使用基于大应变和有限增量变形理论的有限元公式来模拟加工零件[8]。另一方面，叠加在大位移历史上的小变形瞬变表征了在单个成形循环期间拉模元件的变形。因此，拉模结构的小应变弹塑性有限元分析可能是合适的。

两个计算方面的相互作用是根据适当的数据传输程序定义的（图1）。对于加工零件，成形模拟使用来自模面设计的几何信息作为刚性表面实体，将坯料用作弹塑性变形体，并且时间位移驱动的粘合剂和冲头运动实现了成形过程。主要的输出是回弹后的坯料的变形几何和生产应力分布以及成形载荷历史以及模面元件上的摩擦接触应力分布。另一方面，对于加工零件，成形载荷历史是评估模面变形分析的基本输入。对于给定的压制循环，完整的拉模设计的有限元分析提供了模面材料点的位移，并且更新的模面设计可以反馈到用于下一次迭代的过程部件。此外，在完整的压制循环期间计算的弹塑性应力—应变历史以及冲头和粘合剂元件之间通过耐磨板和平衡器块的接触力对拉模结构元件的相互作用产生了显著的影响。

  1. 工业应用

上一节中概述的工程方法用于在模具生产之前对前侧驾驶室车身构件的冲压模设计进行结构评估（图2）。该部件的强度是驾驶室框架的碰撞能量管理的基本特征。这种大型结构构件的传统设计实践使用厚度为1.7-2.2mm的拉伸质量钢。作为一种可行的替代方案，1.5mmHSLA钢的商业可用性具有更高的屈服应力和中等水平的成形性[1,3]，具较强的强度性能以及约10％-15％的重量减少。

图1 模面形状控制方法

图2 前侧构件的三维CAD模型

4.1拉伸模具的成形界面设计

零件冲压成形的成形工艺设计遵循纯几何建模方法，并且假设刚性冲压工具的所有模面变形都被忽略。对使用的零件三维CAD模型，首先进行根切检查，以确定在单个操作中形成零件的可能性。在研究零件的尖端角度之后，将三维零件几何形状旋转到冲头的运动方向，使零件适当地定位在压力坐标系中，其中压力轴平行于零件绘制轴（图3）。使用零件的三维CAD模型，生成一组用于上模几何形状的表面，其偏移量等于钣金厚度的一半，并且在该组表面几何形状中添加一组附加区域。由于部件边线遵循弯曲形式，因此延伸表面几何形状遵循大致相似的形式，扫描粘合剂表面和附录生成凸缘以完成模具和上部粘合剂冲压工具的表面（图4）。该3-D复合材料表面形成成形界面几何形状，从中获得其他工具元件。冲头和活页夹界面通过CAD环境中的简单几何复制生成，通过使用它们的几何对应物设置按压和法线方向上的厚度。在此阶段，获得模面设计的完整CAD描述，该描述可用于有限元网格生成，用于可成形性评估和回弹分析。冲头，活页夹和模具表面共有21,908个三节点和四节点壳单元，所有曲率均由六层元素表示（图5）。尺寸为3045mm·685mm的毛坯与四节点减少集成的Belytschko-Tsay外壳元件啮合，具有七个贯穿厚度的积分点，尺寸为5mm。坯料具有460MPa的初始屈服应力和平均颈缩18％的均匀伸长率。用简单拉伸试验测定的平均各向异性系数r0，r45，r90分别计算为0.86,1.24和1.07，强度系数和硬化指数计算为980MPa和0.202。假设材料的硬化行为是多轴各向同性类型，材料的初始各向异性由Hill的四次屈服函数描述[12]。在坯料和刚性工具表面之间假设摩擦系数恒定为0.12。使用Ls-Dyna代码的共享存储器并行版本在Pentium-4双处理器计算机上执行所有计算。

图3 使用前侧构件的3-D CAD模型进行底切检查

图4 上模的CAD表面

图5 成形界面的有限元网格

使用本研究的第I部分和第II部分中描述的概念和方法进行可成形性评估和回弹变形分析。在第一个有限元模拟运行中，使用预定的位移时间历史函数为成形界面元素定义成形载荷。在成形过程中，冲头固定在其初始位置，并且粘合剂和模具都在位移控制中加载，其中上下粘合剂之间的恒定间隙值比初始板高10％，厚度保持不变。此类型加载旨在模拟典型的切换绘图按压操作。对计算的金属板变形的研究表明，单拉伸成形工艺的可行性在没有材料区域时往往会过度拉伸或起皱（图6）。然而，等效塑性应变分布确实显示出三个具有相对较高值的定位区域，并且由于局部材料不稳定性可能导致潜在的冲压失效。计算的减薄量约为25％，这对于该部件来说不是可接受的冲压成形性标准。上粘合剂和下粘合剂之间的固定间隙约束导致高接触力以及坯料上的较高摩擦约束力，从而增加拉伸变形。成形载荷变化曲线表明最大冲压力为816吨，而预测的压边力非常高，其值约为冲压力的一半。然而，降低粘合剂区域上的金属板保持力将显著减少拉伸变形量以及金属板变薄，并且这可以通过替换有限元件模拟模型中的固定的清除约束来实现，上部和下部粘合剂受到压边力的控制。此外，整个钣金变形模式和预测的定位区域表明了单步拉伸成形工艺的可行性，并采用适当的压边负荷作为该部件的实际冲压设计方法。

图6 使用理想刚性的成形界面（mm）的毛坯引入值

使用恒定的压边负载进行一组压边力控制的活页夹闭合的模拟运行，其中压边力从100吨增加到300吨，增量为50吨（图7）。使用减薄量和回弹变形后的形状变形来评估与每个压边力值对应的金属板成形工艺条件的可行性。为了评估回弹后成形几何形状和冲压几何形状之间的形状扭曲，引入以下参数作为回弹变形的全局测量。

在上面的表达式中，x和X分别表示回弹前后空白处的节点的位置矢量分量，N是空白网格上的节点数。考虑到材料允许的减薄极限为18％（图8），通过增加压边力来检查形状变形参数和最大变薄的曲线，表明约为215吨的压边力将是极限。对于更高的压边力值，回弹变形后的形状变形以指数形式减少到零，这意味着冲压件几乎是一个网状形状，但材料暴露在相对较高的拉伸力下，导致过多的厚度减小，这可能导致撕裂形式的成形失效。另一方面，从成形性的角度来看，较低的压边力是好的;从来没有因为减少膜塑性应变而增强了回弹变形。例如，在100吨的压边力的情况下，冲压形式的最大减薄量减少到14.7％，与200吨压边力情况相比，塑性应变分布相似（图9）。然而，与200吨压边力下的预测相比，回弹变形显增著加，因此形状扭曲参数在这两个压边力载荷之

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