U形件彎曲加載壓邊力的有限元模擬

施于慶

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

U形件彎曲加載壓邊力的有限元模擬

施于慶

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

由于平板彎曲成U形件后要發(fā)生回彈，對(duì)此在彎曲模上增加壓邊裝置能顯著地減少回彈?？墒牵壳凹虞d多大的壓邊力并沒有相應(yīng)的計(jì)算公式而是憑經(jīng)驗(yàn)估算。壓邊力過小，模具結(jié)構(gòu)緊湊，但抑制回彈效果不大；壓邊力過大，抑制回彈效果明顯，但彈性元件尺寸變大，模具結(jié)構(gòu)龐大，閉合高度過高，沖壓作業(yè)取件困難。因此，我們將彎曲頂件力作為加載壓邊力的參照值進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果顯示：壓邊圈施加的壓邊力數(shù)值并非越大越好。壓邊力數(shù)值小于等于頂件力數(shù)值，回彈變化較大；壓邊力數(shù)值大于等于頂件力數(shù)值，回彈值或回彈形狀的變化趨于平穩(wěn)，抑制了回彈。

U形件；彎曲；回彈；壓邊力；有限元模擬

U形件彎曲成形后的回彈是一個(gè)難以避免的問題[1-5]。模具設(shè)計(jì)制造前一般不能確定制成后會(huì)產(chǎn)生多大的回彈值，而回彈值改變了彎曲件的設(shè)計(jì)尺寸并且造成了彎曲件尺寸的不確定性，即不能確定U形件彎曲成形后能否達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。由于彎曲模增加壓邊圈并加載壓邊力不改變?cè)心＞咴O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)就能顯著地控制回彈[6-10]，因此應(yīng)用這種帶壓邊圈的彎曲模具逐漸增多,如在壓邊圈上加載變化的壓邊力進(jìn)行彎曲[11-13]。然而，究竟加載多大的壓邊力能比較理想地抑制回彈，其計(jì)算公式和經(jīng)驗(yàn)估算的方法至今并沒有給出，這就給設(shè)計(jì)模具或沖壓作業(yè)帶來(lái)了一定的困難。壓邊力過小，模具結(jié)構(gòu)雖然緊湊了，但抑制回彈效果不大，幾乎起不到控制回彈的效果；壓邊力過大，抑制回彈效果明顯，但如果彈性元件取彈簧，由于彈簧可壓縮行程有限，而采用壓邊力就要將板料全部拉進(jìn)凹模模腔內(nèi)，這就使得彈簧的鋼絲直徑和彈簧外徑取值非常大，而且彈簧個(gè)數(shù)增多，致使模具結(jié)構(gòu)龐大，閉合高度過高，沖壓作業(yè)取件困難。如果彈性元件取橡皮，同樣也存在這些問題。一般的彎曲模結(jié)構(gòu)都是設(shè)計(jì)成正裝模的，即凸模在上，凹模在下。彎曲U形件時(shí)需要多大的彎曲力由彎曲力計(jì)算公式所得，根據(jù)彎曲力數(shù)值選擇液壓機(jī)的公稱壓力或噸位。液壓機(jī)的公稱壓力要大于彎曲力數(shù)值。液壓機(jī)工作時(shí)，施加方向向下的壓力并借助于彎曲模凸模來(lái)完成板料的彎曲。很多情況下，彎曲后的U形件往往是卡在彎曲模的凹模中的，這時(shí)就需要有一個(gè)往上頂?shù)捻敿?，將卡在凹模中的U形件往上頂起才能方便地取出成形后的U形件。頂件力的經(jīng)驗(yàn)推薦值為彎曲力的60%～80%[14]，從生產(chǎn)使用情況來(lái)看，取彎曲力的60%就比較合適了，足以將卡在凹模模腔里的工件頂出。壓力機(jī)的頂件油缸的壓力一般取壓力機(jī)公稱壓力的60%。因此，將頂件力取彎曲力的60%作為壓邊力參考值，通過有限元模擬給出壓邊力數(shù)值的范圍，即指出多大的壓邊力是合適的，對(duì)帶有壓邊圈的彎曲模設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 U形件彎曲模設(shè)計(jì)

圖1 不帶壓邊圈的彎曲模Fig.1 Bending die with no blank-holder

圖2 帶壓邊圈的彎曲模Fig.2 Bending die with blank-holder

圖3 拉彎工藝后的板料的變形狀態(tài)Fig.3 Deformation state of sheet-metal after stretch bending

2 有限元模擬及結(jié)果討論

U形件彎曲模幾何模型如圖4所示，帶壓邊圈和不帶壓邊圈的彎曲模有限元模型如圖5所示。

圖4 彎曲模幾何模型Fig.4 Geometric model of bending die

圖5 彎曲模有限元模型Fig.5 Finite element model of bending die

設(shè)U形件參數(shù)：板厚2 mm；凸模與凹模圓角半徑均取r=6 mm,凸模與凹模之間的單邊間隙取2.3 mm；彎曲時(shí)坯料牌號(hào)為16MnL。16MnL材料特性為：彈子模量E，206 GPa；泊松比ν，0.29；屈服極限σs，355 MPa。

圖6 測(cè)量角度Fig.6 Measure angle

有限元模擬進(jìn)行彎曲成形時(shí)，將板料彎曲壓制成U形件后，借助于頂塊從凹模模腔里頂出彎曲件至凹模上平面位置時(shí)，觀察左右兩直邊分別與底面的夾角大小來(lái)確定回彈的大小(圖6)。凸模、壓邊圈及推板隨時(shí)間變化的位移如圖7所示。在凸模向下移動(dòng)時(shí)加載壓邊力，彎曲完成后，壓邊力卸載，然后凸模往上移動(dòng)。凸模往上移動(dòng)給彎曲件有足夠的空間后，推板再往上移動(dòng)。模擬采用ANSYS/LS-DYNA工程軟件,利用ANSYS的前處理模塊中強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具來(lái)構(gòu)造有限元模型，并結(jié)合LS-DYNA的計(jì)算及后處理功能。本模型單元數(shù)為：凸模5 090個(gè),壓邊圈5 000個(gè),板料8 000個(gè),推板5 400個(gè),凹模5 070個(gè)。模擬采用摩擦因數(shù)0.1。表1是加載壓邊力情況對(duì)比的模擬結(jié)果。模擬結(jié)果表明，不加壓邊力時(shí)，彎曲件回彈比較明顯，α1和α2分別為89°與91°。壓邊力加載較小時(shí)，如壓邊力分別為100、500 N時(shí)，抑制回彈所起的作用不大，α1和α2分別為90°與91°。當(dāng)壓邊力增加到1 000 N時(shí),抑制回彈變形情況略有改善，α1和α2分別為89°與90°。而當(dāng)壓邊力取1 500、2 000、2 500 N時(shí)，α1和α2均為90°。

圖7 位移Fig.7 Displacement

表1 加載不同的壓邊力數(shù)值后工件回彈情況Table 1 Springback with loading different values of blank-holder force

圖8是加載不同壓邊力工件成形后頂出凹模的應(yīng)力對(duì)比，從中可以看出，壓邊力小的工件成形后的應(yīng)力大；壓邊力大的工件成形后的應(yīng)力小。事實(shí)上這也是殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力越大，回彈值就越大,發(fā)生回彈變形也就越大，這說(shuō)明提高壓邊力是比較有利的。

圖8 加載不同壓邊力的工件應(yīng)力對(duì)比Fig.8 Comparing strains of parts loaded with different blank-holder forces

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)彎曲模時(shí)，加載壓邊力有利于減少回彈。然而，加載壓邊力數(shù)值如取得過小，雖可使模具結(jié)構(gòu)緊湊，但抑制回彈的效果不佳。壓邊力取值也并非越大越好，加載過大的壓邊力，會(huì)使彈性元件尺寸變大，進(jìn)而模具結(jié)構(gòu)龐大，造成所設(shè)計(jì)模具的閉合高度過高，沖壓作業(yè)取件困難。有限元模擬結(jié)果表明，加載的壓邊力有一個(gè)合理的范圍，只要在這個(gè)范圍之內(nèi)，都具有抑制回彈的效果，U形件的回彈完全可以控制在產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸的范圍內(nèi)。

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Finiteelementsimulationwithloadingblank-holderforceinbendingformingforU-shapedparts

SHI Yuqing

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

A U-shaped part bent from sheet-metal blank can induce springback, which can be obviously reduced by installing a blank-holder on bending die. However, there is no calculation formula to figure out the blank-holder force loaded and only empirical estimation is resorted to at present. If the blank-holder force is excessively small, the die structure will be compact, which will have an undesirable effect on inhabiting springback. If the blank-holder force is excessively large, it is apparent to inhabit springback, but the enlarged elastic element dimensions, together with the enormous die structure, will result in excessive size in shut height, and difficulty in stamping operations. Therefore, it is plausible to conduct finite element simulation of the blank-holder force with ejecting force of bending die as reference value. The results show that the greater the blank-holder force is not always the better. When the bank-holder force is no greater than the ejecting force in force value, spring-back varies greatly. When the blank-holder force is no less than the ejecting force in force value, the resilience value tends to be stable with moderate changes, and springback is inhabited.

U-shaped part; bending forming; springback; blank-holder force; finite element simulation

TG386.32

A

1671-8798(2017)06-0425-04

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.06.005

2017-03-22

施于慶(1959— )，男，浙江省杭州人，教授，碩士，主要從事板料成形及計(jì)算機(jī)仿真研究。E-mail:syu163@163.com。