彎梁沖壓成形極限和壁厚分布研究

王興元，謝秉順，艾國平，盧文壯

(1.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司工業(yè)化部，江蘇 南京 210031；2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 前言

城市軌道車輛上彎梁零件屬于復雜薄壁件沖壓成形件，其成形過程難于控制，成形過程中容易產(chǎn)生起皺、破裂、局部壁厚變化過大等成形缺陷，嚴重影響制品品質(zhì)。成形極限是板材成形領(lǐng)域中重要的性能指標和工藝參數(shù)，反映了板材在塑性失穩(wěn)前所能取得的最大變形程度[1-2]。成形極限圖( forming limit diagram, FLD)為方便地研究板材成形極限、評價板材成形性能及解決板材成形領(lǐng)域中眾多難題提供了技術(shù)基礎(chǔ)和實用判據(jù)[3]。為了研究工藝參數(shù)對某城市軌道車輛上彎梁零件成形極限和壁厚變化的影響，減小起皺、破裂、局部壁厚變化過大等成形缺陷，本文采用板料沖壓成形仿真軟件Dynaform研究了工藝參數(shù)對彎梁成形極限和壁厚變化的影響，預測缺陷部位，以期為大型薄壁沖壓件的工業(yè)生產(chǎn)提供有效的理論指導。

1 有限元模型

研究對象為某型號城市軌道車輛車廂彎梁零件，成形工藝采用模具沖壓成形。彎梁成形板料厚度為2mm的Q355GNH高耐侯結(jié)構(gòu)鋼板材，Q355GNH的彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比ν=0.29，密度7.8×103kg/m3，下屈服強度σs=355MPa，抗拉強度σb≥600MPa，強化系數(shù)k=320，硬化指數(shù)n=0.21，應變率參數(shù)c=40，p=5。

彎梁的成形分析幾何模型是在Pro/E中建立，幾何模型包括模具和小彎梁零件兩個部分。在彎梁沖壓成形有限元仿真分析中采用BelytSChko—Wong—Chiang薄殼單元[4]。根據(jù)成形分析要求，有限元模型中模具模型定義為剛性板，彎梁模型為實體模型。綜合考慮計算精度和計算時間，彎梁成形用毛坯板料采用精細的網(wǎng)格劃分，沖壓模具采用剛體材料模型，其網(wǎng)格劃分采用細密網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后的彎梁成形分析有限元模型如圖1所示。

圖1 彎梁成形分析的有限元模型

根據(jù)相關(guān)理論可知，模具與成形零件之間的摩擦系數(shù)、沖壓速度是影響成形的最主要工藝參數(shù)[5]，本文針對彎梁零件成形的實際工藝條件，數(shù)值模擬中摩擦系數(shù)μ選擇0.1，0.13，0.15，沖壓速度v選擇200mm/min，1000mm/min，2000mm/min。

2 彎梁成形極限和壁厚分布

2.1 摩擦系數(shù)的影響

板料成形的成品質(zhì)量與接觸面摩擦力大小有關(guān)[6]，接觸面摩擦力與接觸面間的接觸形式和潤滑狀態(tài)有關(guān)。分析模型采用面面接觸，主要有三個接觸面：凸模與板料接觸面、凹模與板料接觸面、壓邊圈與板料接觸面。摩擦系數(shù)μ是指這三個接觸面之間的摩擦系數(shù)，不同的潤滑方式會使得μ值發(fā)生改變。

圖2 不同摩擦系數(shù)時的彎梁成形極限圖(FLD)

成形極限圖和壁厚變化是工程界最為關(guān)心的兩個物理量[7]，數(shù)值模擬可以顯示各時刻板料的成形極限和壁厚分布。圖2是摩擦系數(shù)μ為0.1，0.13，0.15時的成形極限圖(FLD)。從FLD可以看出彎梁板材成形面絕大部分區(qū)域都落在安全區(qū)內(nèi)，對應位置的板材不會產(chǎn)生破壞。上圓弧曲面、壓延邊與側(cè)面筋板上極少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)褶皺趨勢，對這些部位需要采取增加壓邊力等工藝措施來消除褶皺。

圖3分別是摩擦系數(shù)μ為0.1，0.13，0.15時的壁厚分布圖，總體上側(cè)面筋板變薄，最大變薄的位置在壓延邊與側(cè)面筋板交界位置。根據(jù)圖3得到這三個摩擦系數(shù)下的最大增厚率和最大減薄率如表1所示。從表1中可以看出，隨著摩擦系數(shù)μ的不斷增大，板料最大增厚率和最大減薄率逐漸增大，使沖壓時板料起皺和破裂的趨勢增大。工藝上通過加強潤滑，可以降低摩擦系數(shù)，降低最大拉應力，減少破裂缺陷，提高成形品質(zhì)。

圖3 不同摩擦系數(shù)時的彎梁壁厚分布圖

摩擦系數(shù)μ0.10.130.15最大厚度/mm2.2012.2012.201最大增厚率/%10.02610.05210.070最小厚度/mm1.5501.5411.535最大減薄率/%22.52222.94823.252

2.2 沖壓速度的影響

從微觀上看，金屬的塑性變形主要是由位錯運動引發(fā)的晶體滑移造成的，沖壓速度越快，位錯運動越不充分，導致塑性變形越不充分。從宏觀上看，沖壓速度過快，極易造成變形劇烈區(qū)域的最大拉應力在瞬間超過材料的強度極限，造成材料拉裂[8]。沖壓速度過慢，影響彎梁的生產(chǎn)速率，但是沖壓速度過快，可能導致板料塑性變形不充分和變形內(nèi)部應力的快速集中，增加板料的破裂趨勢。

圖4 不同沖壓速度時的彎梁成形極限圖(FLD)

圖4是沖壓速度v為200mm/min，1000mm/min，2000mm/min時的成形極限圖(FLD)。數(shù)值模擬采用的三個速度下彎梁板材成形面內(nèi)應變值基本都落在安全區(qū)，對應位置板材不會產(chǎn)生破壞，只有上圓弧曲面、壓延邊與側(cè)面筋板極少數(shù)區(qū)域有褶皺的趨勢。

圖5是沖壓速度v為200mm/min，1000mm/min，2000mm/min時的壁厚分布圖，總體上側(cè)面筋板變薄，最大變薄的位置在壓延邊與側(cè)面筋板交界位置。上圓弧曲面和壓延邊厚度增加，厚度增加的區(qū)域面積和厚度增加量隨著速度的增大而增大，厚度增加最大的位置在上圓弧曲面的中部。

根據(jù)圖5的壁厚分布圖，得到這三個沖壓速度下的最大增厚率和最大減薄率如表2所示。從表2中可以看出，隨著沖壓速度v的不斷增大，板料最大增厚率和最大減薄率逐漸增大，使板料沖壓時起皺和破裂趨勢增大。通過降低沖壓速度，可以降低最大拉應力，減少破裂缺陷，提高成形品質(zhì)。

圖5 不同沖壓速度時的彎梁壁厚分布圖

沖壓速度v/(mm/s)20010002000最大厚度/mm2.1102.1232.220最大增厚率/%5.5206.13810.021最小厚度/mm1.5561.5471.538最大減薄率/%22.21022.64423.119

3 結(jié)語

采用有限元法可以預測板料成形過程中的成形極限和壁厚變化規(guī)律，模擬成形過程中的起皺、破裂，能夠比較準確地分析工藝參數(shù)對成形過程的影響。利用有限元軟件對某型號城市軌道車輛彎梁成形過程進行了數(shù)值模擬，獲得了彎梁成形極限圖和厚度分布圖。研究結(jié)果可為城市軌道車輛彎梁零件設(shè)計及其沖壓成形工藝開發(fā)提供重要的參考。

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