半圓形拉深筋的Dynafo rm研究

韓鵬彪,秦志國,劉 波,魯素玲

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

半圓形拉深筋的Dynafo rm研究

韓鵬彪,秦志國,劉 波,魯素玲

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

設(shè)計(jì)了一種幾何模型,基于該模型用Dynaform對不同材料、不同板料厚度、不同拉深筋形狀和尺寸與拉深筋的阻力之間的關(guān)系分別進(jìn)行了研究,得出不同材料和不同板料厚度對拉深筋的阻力與材料的初始屈服應(yīng)力之比影響不大,拉深筋形狀和尺寸與拉深筋的阻力與材料的初始屈服應(yīng)力之比有關(guān)等規(guī)律,并給出了其關(guān)系曲線。

拉深筋;Dynafo rm;數(shù)值模擬;流動阻力

拉深筋的設(shè)計(jì)是控制金屬流動的一種重要手段,雖然拉深筋不是模具的主要結(jié)構(gòu),但它在某些特殊情況下卻決定了拉深工藝的成敗。因此,對拉深筋深入全面地進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義。但是,因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)過程中,拉深筋的使用情況非常復(fù)雜,很難用標(biāo)準(zhǔn)的模型把它全面描述出來,因此現(xiàn)在還沒有關(guān)于拉深筋的全國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。沖壓設(shè)計(jì)資料[1]只對拉深筋作了一個簡單的說明,一般的模具公司都是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)罱?。筆者在生產(chǎn)中曾經(jīng)遇到使用上百個拉深件來調(diào)試?yán)罱畹那闆r,當(dāng)拉深件的尺寸較大時,材料的消耗及工時費(fèi)會造成調(diào)試?yán)罱畹某杀具^高。

FEM模擬技術(shù)在沖壓成形中得到了廣泛的應(yīng)用,為拉深筋的分析研究提供了一個有力的手段。國際上一些大的汽車公司,如 Ford[2],利用FEM技術(shù)曾對拉深筋應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究。然而,中國國內(nèi)的一些沖壓成形企業(yè),特別是中小企業(yè),他們使用FEM的時間比較短,還沒有對此問題進(jìn)行深入的研究。鑒于此,筆者根據(jù)多年使用Dynafo rm的經(jīng)歷,對拉深筋進(jìn)行如下的分析研究。

1 Dynaform中拉深筋的分析方法及討論

Dynaform中拉深筋的應(yīng)用方法有3種:1)直接定義拉深筋上的金屬流動阻力;2)根據(jù)3種Dynaform拉深筋的剖面形狀和尺寸——矩形、半圓形、邊緣形,由Dynaform自動計(jì)算金屬流動阻力;3)在模具表面上直接設(shè)計(jì)出拉深筋,進(jìn)行模擬分析。

對于第1種方法,在Dynaform中調(diào)試?yán)罱顣r,不需要重新劃分單元和設(shè)定模擬,只需改變拉深筋上的金屬流動阻力。因此該方法在模擬中使用起來最省力和省時,但關(guān)鍵是如何將拉深筋上的金屬流動阻力與拉深筋形狀對應(yīng)起來。

對于第2種方法,其使用情況與第1種方法相似。在模擬中,只需改變拉深筋的剖面尺寸,從而改變拉深筋上的金屬流動阻力,不需要重新設(shè)定模擬。該方法的問題是Dynaform中拉深筋的剖面形狀有限,往往與實(shí)際設(shè)計(jì)不同。此外,該方法的準(zhǔn)確性還未得到驗(yàn)證。

第3種方法是在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常使用的方法。該方法使用恰當(dāng),能獲得可接受的工程精度。該方法的問題是每次修改拉深筋后,必須重新劃分單元,并重新設(shè)定模擬,因此該方法費(fèi)時最多。

綜上所述,如果能獲得拉深筋上的阻力與拉深筋的尺寸關(guān)系,就可以使用第1種方法,只調(diào)整拉深筋上的金屬流動阻力,用Dynafo rm模擬和調(diào)試?yán)罱睢?/p>

2 利用Dynaform進(jìn)行拉深筋模擬分析

半圓形拉深筋是生產(chǎn)中最常用的一種拉深筋,其突出的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸小,節(jié)省材料,此外其加工與調(diào)試也較容易。因此筆者將選用半圓形拉深筋,用Dynaform對其進(jìn)行分析研究。

為了驗(yàn)證所用的Dynafo rm模型的力學(xué)分析有一定的精度,首先進(jìn)行了一個單向拉深分析,參見圖1。所用材料為B1700P1-37,初始屈服應(yīng)力σ0=192.4 MPa,厚度t=1 mm,板寬L=100 mm。由Dynafo rm模擬計(jì)算的拉深力-位移曲線可得其初始屈服應(yīng)力約為210 M Pa,誤差為9%,曲線形狀與拉深試驗(yàn)的曲線形狀也很符合。

就2種半圓形拉深筋(bead cavity)進(jìn)行分析可知:第1種半圓形拉深筋的凸模與凹模都有圓角,見圖2,并且工作圓角的半徑(R)相等,都為n倍的板厚(R=nt);第2種半圓形拉深筋的凹模頂部和底部都有圓角,其工作圓角的半徑R=nt;凸模只有頂部圓角,底部為尖角,凸模寬度W=2R=2nt,頂部圓角半徑由高度H確定,見圖3。

在Dynaform模擬中,為了提高精度,采用較細(xì)化的單元,單元尺寸為1 mm。對于Dynaform計(jì)算中載荷-時間曲線的波動情況,取平均載荷。拉深筋部分工作面上的摩擦系數(shù)為0,毛坯夾持部分上的摩擦系數(shù)為0.5,板寬L=100 mm,這是平面變形的拉深筋,與多數(shù)拉深筋的實(shí)際使用情況接近。圖4為一個拉深筋的模擬模型和模擬結(jié)果。

表1和圖5為第1種半圓形拉深筋在高度H=R時,工作半徑與阻力的關(guān)系。可以看出:當(dāng)工作圓角半徑≤2t時,金屬幾乎不能流動;而當(dāng)工作圓角半徑過大時,拉深筋的尺寸過大,消耗金屬材料多。因此,筆者只對工作圓角半徑R=3t～6t進(jìn)行了分析。

圖1 單向拉深力Fig.1 Uniaxial tensile force

表1 第1種拉深筋的半徑與阻力關(guān)系Tab.1 Type 1 draw bead radii and resistance forces

由圖5可知,隨著拉深筋工作圓角半徑增加,拉深筋的金屬流動阻力減小。當(dāng)工作圓角半徑較大時,金屬流動阻力下降的速度逐漸減小。因此,用增加拉深筋尺寸和工作圓角半徑的方法來減小金屬流動阻力不是好方法。當(dāng)R=4t～5t時,拉深筋有較小的尺寸和較大的金屬流動阻力,較適合生產(chǎn)應(yīng)用。

由表1可見,Dynafo rm自動計(jì)算的金屬流動阻力與模擬計(jì)算的結(jié)果不相符,表中f為單位長度拉伸筋在板料厚度方向上所產(chǎn)生的平均流動阻力。

表2和圖6為R=4t=4 mm時第1種半圓形拉深筋高度與阻力的關(guān)系。由圖6可知,當(dāng)拉深筋高度增加時,拉深筋阻力也增加。當(dāng)拉深筋高度較小時,拉深筋阻力的增加速度比較大。

表2 第1種拉深筋高度與阻力關(guān)系Tab.2 Type 1 draw bead heights and resistance fo rces

表3和圖7是W=2R=8t=8 mm,R=4t=4 mm時,第2種半圓形拉深筋高度與阻力的關(guān)系?？梢钥闯霎?dāng)拉深筋凸模的寬度一定時,拉深筋的阻力與高度接近直線關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中,拉深筋高度往往先做成較大的尺寸,使拉深筋的阻力較大,然后根據(jù)需要再調(diào)整拉深筋凸模的高度與其頂部的圓角半徑,從而降低拉深筋的阻力,拉深筋的凹模不變。這樣調(diào)試起來較容易。

表3 第2種拉深筋高度與阻力關(guān)系Tab.3 Type 2 draw bead heights and resistance forces

表4 不同材料與拉深筋阻力關(guān)系Tab.4 Different materials and draw bead resistance fo rces

表4是R=4t=4 mm,H=R時,不同材料與拉深筋阻力的關(guān)系。由表4可知,對于同一拉深筋,當(dāng)材料變化時,拉深筋的阻力與材料的初始屈服應(yīng)力之比值幾乎不變,為常數(shù)。

表5是R=4t=4 mm,H=R時,不同材料厚度與拉深筋阻力的關(guān)系。由表5可知,當(dāng)材料厚度變化時,拉深筋阻力與材料的初始屈服應(yīng)力之比值隨著材料厚度增加稍有增加,但增加量很小,在實(shí)際生產(chǎn)中可忽略不計(jì)。

3 結(jié) 語

1)不同材料和不同材料厚度對拉深筋阻力與材料的初始屈服應(yīng)力之比值影響不大,在實(shí)際生產(chǎn)中可以忽略不計(jì)。

2)隨著拉深筋工作圓角半徑的增加,拉深筋的金屬流動阻力減小。在實(shí)際生產(chǎn)中,可根據(jù)表1和圖5選用第1種半圓形拉深筋的工作圓角半徑。

表5 不同材料厚度與拉深筋阻力關(guān)系Tab.5 Differentmaterials gauges and draw bead resistance forces

3)隨著拉深筋高度的減小,拉深筋的金屬流動阻力減小。在實(shí)際生產(chǎn)中,可根據(jù)表2和圖6選用第1種半圓形拉深筋的高度,由表3和圖7選用第2種半圓形拉深筋的高度。

[1]王孝培.沖壓設(shè)計(jì)資料[M].北京:機(jī)械工業(yè)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]韓鵬彪,李 軍,秦志國,等.筒形件拉深工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),1999,16(1):35-37.

[4]孫蘭英,翟封祥,張 耕.焊接板材毛坯沖壓成形中殘余應(yīng)力的測試與分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(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;責(zé)任編輯:張士瑩

韓鵬彪(1968-),男,遼寧沈陽人,副教授,主要從事塑性成形數(shù)值模擬方面的研究。