大尺寸葉片的成形及回彈模擬

花 魁， 馮小明， 張 會， 孟凡瑩

(陜西理工學院 材料科學與工程學院， 陜西 漢中 723000)

0 引 言

板料成形在汽車、航空航天和國防工業(yè)等領域應用十分廣泛，隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對板料成形精度的要求越來越高。傳統(tǒng)的沖壓工藝由于過分依賴設計人員的經(jīng)驗和水平，耗費了大量的人力和物力，難以滿足市場對產(chǎn)品提出的低成本、低生產(chǎn)周期、高質(zhì)量的要求，使企業(yè)失去市場競爭力[1]。自20世紀70年代以來，隨著有限元法和計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)逐漸成為工藝分析及優(yōu)化設計的有效工具[2]。

DYNAFORM軟件可以預測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈，評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設計提供技術支持[3]。本文所研究的對象是企業(yè)生產(chǎn)的大型攪拌槳葉片，屬于大跨度厚板料小變形成形零件，型面又屬于空間曲面，在生產(chǎn)中給尺寸精度的控制帶來很大困難。采用DYNAFORM軟件對大尺寸葉片的沖壓成形及回彈過程進行模擬，并計算其回彈量，為實際生產(chǎn)過程提供技術支持。

1 成形件分析

該葉片為圓弧形，長度為5 138 mm，厚度為18 mm，板材在成形過程中變形量小，所用材料為Q345A鋼(屬性見表1[4]所示)，屬于大尺寸板材彎曲成形件。成形難點主要是板材彎曲后的回彈變形，容易導致葉片報廢，因此葉片回彈量的確定顯得非常重要，通過回彈量的計算可以幫助我們對模具型面進行補償，進而獲得合格的產(chǎn)品。

表1 Q345A材料屬性表

2 葉片的成形模擬

2.1 三維建模

采用三維建模軟件UG對葉片進行建模，其模型如圖1所示。

2.2 模型導入與生成毛坯

將UG所建立軟件模型轉(zhuǎn)為IGS格式，用DYNAFORM軟件打開。通過DYNAFORM中的坯料工程(BSE)分離出零件模型的中性層，以便于能夠準確地進行毛坯尺寸的反求。

2.3 毛坯的網(wǎng)格劃分

對葉片的有限元分析采用的是殼單元類型(四邊形網(wǎng)格)，以殼單元的特性來反應葉片的結(jié)構(gòu)特性。這樣模型前處理工作量小，劃分的單元數(shù)目和節(jié)點數(shù)目少，計算速度快[5]。本次選擇毛坯網(wǎng)格單元大小為30，經(jīng)過網(wǎng)格劃分的毛坯如圖2所示。

圖1 葉片模型圖 圖2 由中性層展開的毛坯網(wǎng)格劃分圖

2.4 模具工具的定義

圖3 模具各工具位置圖

由葉片的三維模型圖可以看出，該葉片的凹面受到?jīng)_壓力作用。因此，可分別將葉片的凹凸面看做是模具的凸、凹模面進行有限元分析。應用DYNAFORM的模面工程(DSE)對模具的凸、凹模進行定義并劃分網(wǎng)格。該零件在沖壓成形時應選擇合理的沖壓方向，以保證當凸模全部進入凹模時，拉延深度差降為最小，目的是最大限度地減小材料流動和變形分布的不均勻性[6]。調(diào)整沖壓方向，模具各個工具的位置圖如圖3所示。

2.5 主要工藝參數(shù)和分析參數(shù)的設定

沖壓工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響存在著很多不確定因素，是成形過程中工藝優(yōu)化的難點[7]。模具接觸類型選擇FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE。為了防止板坯在沖壓成形過程中產(chǎn)生的側(cè)向滑移，經(jīng)多次分析驗證，在板坯的中心以及其他變形量盡可能小的區(qū)域，定義多個板坯在UV方向上的約束。

考慮到?jīng)_壓成形后的回彈分析，為了達到回彈分析精確，較少出現(xiàn)收斂問題，選擇對應沙漏公式(HOURGLASS)8。時間步長設置為-1×10-6，改變罰函數(shù)剛度因子(SLSFAC)參數(shù)為0.01，網(wǎng)格最大自適應等級調(diào)整為3，指定內(nèi)存為512 Mb，選擇單精度求解器。

2.6 模擬結(jié)果分析

任務計算結(jié)束后，進入DYNAFORM的后處理程序eta/Post，打開dynain格式的沖壓模擬結(jié)果文件,應用后處理的分析功能，可看到葉片沖壓成形的FLD成形極限圖和厚度變化圖，分別如圖4、5所示。

圖4 FLD成形極限圖 圖5 葉片厚度變化圖

由于葉片整體的變形量不大，成形極限圖中可以看到葉片的絕大部分區(qū)域顯示的是灰色的拉伸不足狀態(tài)。厚度變化圖能夠以不同顏色顯示毛坯在成形過程中毛坯厚度的變化，通過變薄量的變化可以得知毛坯在成形過程中發(fā)生的破裂起皺等缺陷，以此來評估沖壓件的質(zhì)量[8]。圖5中可以看出，葉片在約束點幾個位置出現(xiàn)增厚，而在其他區(qū)域都呈現(xiàn)的是減薄，尤其是在葉片的邊緣部位，這與葉片的FLD成形極限圖是一致的。葉片厚度最小值為17.918 mm，變薄率為0.46%；厚度最大值為18.039 mm，增厚率為0.22%。工程中常用減薄率是否低于15%來作為衡量制件質(zhì)量的標準之一[9]。表明該葉片在沖壓成形的過程中出現(xiàn)了輕微的減薄，是可以接受的。

3 回彈分析

在板料成形領域，回彈是模具設計中要考慮的關鍵因素，零件的最終形狀取決于成形后的回彈量。回彈使成形后的產(chǎn)品形狀與設計的形狀不一致，影響了產(chǎn)品的精度。因此，準確地計算回彈量，是指導模具設計的重要方面。

采用在成形分析完成后輸出dynain文件，用dynain文件進行葉片的回彈分析。

3.1 分析參數(shù)的設定

圖6 葉片邊界條件的定義

定義邊界條件的原則：在零件上選擇3個節(jié)點。這3個節(jié)點既不能在一條線上，又不能靠近零件的邊緣，也不能選擇變形較大的區(qū)域，而且相互之間應隔開一定的距離[10]。葉片的邊界條件定義如圖6所示。

材料屬性單元公式的選擇與成形分析相同；為減少回彈計算的時間，增加穩(wěn)定性，選擇網(wǎng)格粗化，從而有利于回彈計算的收斂；選擇單步隱式算法，提交任務。

3.2 回彈結(jié)果分析

在后處理中可以看到，由于是單步隱式算法，d3plot文件只有兩幀，分別單擊兩幀可以看到零件發(fā)生了比較明顯的變形，即產(chǎn)生了回彈。其中第一幀(圖7(a))為回彈前的結(jié)果，第二幀(圖7(b))為回彈后的結(jié)果。

(a)回彈前 (b)回彈后圖7 回彈前后對比圖

3.3 回彈量的測量

為了更清楚地表現(xiàn)回彈，可以在零件上某處選擇一條截面線來觀看回彈效果。本文選擇在葉片變形量較大和較小的兩個區(qū)域取截面線來分別查看葉片的回彈過程，如圖8、9所示。

(a)回彈前 (b)回彈后圖8 變形量較大區(qū)域回彈前后對比圖

(a)回彈前 (b)回彈后圖9 變形量較小區(qū)域回彈前后對比圖

通過對比可以看出在變形量大的區(qū)域，所選擇截面線的弦長由1 420.745 mm變?yōu)? 433.409 mm，增加了12.664 mm,圓弧的半徑由973.543 mm變?yōu)? 003.884 mm，增加了30.341 mm；在變形量小的區(qū)域，所選擇的截面線的弦長由871.026 mm變?yōu)?75.203 mm，增加了4.177 mm，圓弧的半徑由1 510.648 mm變?yōu)? 780.056 mm，增加了269.408 mm。由此可知，葉片在沖壓成形結(jié)束后的回彈現(xiàn)象比較明顯，影響了葉片的最終尺寸，因此，根據(jù)回彈數(shù)據(jù)值，可完成對模具型面的回彈補償。

4 小 結(jié)

通過DYNAFORM軟件對大尺寸葉片的沖壓成形及回彈過程進行數(shù)值模擬，比較直觀地了解了沖壓成形的過程和結(jié)果，同時應用數(shù)值模擬的方法分析了葉片成形后的厚度變化以及回彈量，指出了大尺寸葉片在沖壓成形過程中存在的問題，從而縮短了產(chǎn)品的設計周期，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，為產(chǎn)品的實際生產(chǎn)提供了技術指導。

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