外文翻譯--拉深模設(shè)計(jì)中拉深壁起皺的分析 中文版

1、<p>　　外文資料名稱：An Analysis of Draw-Wall </p><p>　　Wrinkling in a Stamping Die Design </p><p>　　外文資料出處：Advanced Manufacturing

2、 </p><p>　　Technology </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文 </p><p>　　2.外文原文 </p><p>　　拉深

3、模設(shè)計(jì)中拉深壁起皺的分析</p><p>　　——F．—K．Chen and Y．—C．Liao</p><p>　　臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所</p><p><b>　　李東博譯</b></p><p>　　在帶有斜度的方形盒和帶有階梯的方形盒的拉深中發(fā)生的起皺現(xiàn)象一直在被研究。這兩種類型的起皺現(xiàn)象有一個(gè)共同的特征：全都

4、發(fā)生在相對(duì)無(wú)支撐、無(wú)壓邊的拉深壁處。在帶有斜度的方形盒的拉深中，常受到工序參數(shù)的影響，例如：模具的間隙值和壓邊力等，所以常用有限元模擬的方法來(lái)研究分析起皺的發(fā)生。模擬的結(jié)果表明模具的間隙值越大，起皺現(xiàn)象就越嚴(yán)重，而且增加壓邊力也不能抑制和消除起皺現(xiàn)象的發(fā)生。在帶有階梯的方形盒拉深的起皺現(xiàn)象分析中，常通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)中一種近似的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)研究、試驗(yàn)。當(dāng)凸模與階梯邊緣之間的金屬板料在拉深時(shí)分布并不均衡，就會(huì)在側(cè)壁發(fā)生起皺現(xiàn)象。為了消除起皺現(xiàn)象的

5、發(fā)生，一個(gè)最優(yōu)的模具設(shè)計(jì)常采用有限元的方法進(jìn)行分析。模擬的結(jié)果和起皺試驗(yàn)論證了有限元分析的準(zhǔn)確性，并且表明了在拉深模具設(shè)計(jì)中使用有限元方法分析的優(yōu)越性。</p><p>　　關(guān)鍵詞:側(cè)壁起皺；拉深模；帶有階梯的方形盒；帶有斜度的方形盒</p><p><b>　　一、介紹</b></p><p>　　起皺是金屬板料成形中常見(jiàn)的失效形式之一。由于

6、功能和視覺(jué)效果的原因，起皺通常是不能為零件制品所能接受的。在金屬板料成形加工中通常存在三種類型的起皺現(xiàn)象：法蘭起皺,側(cè)壁起皺和由于殘余壓應(yīng)力在未變形區(qū)產(chǎn)生的彈性變形。在沖壓復(fù)雜形狀的時(shí)候，拉深壁起皺就是在模具型腔中形成的褶皺。由于金屬板料在拉深壁區(qū)域內(nèi)相對(duì)無(wú)支撐，因此，消除拉深壁起皺比抑制法蘭起皺要難得多。我們知道在不被支撐的拉深壁區(qū)域中材料的外力拉深可以防止起皺，這可以在實(shí)踐中通過(guò)增加壓邊力而實(shí)現(xiàn)，但是運(yùn)用過(guò)大的拉深力會(huì)引起破裂失效。

7、因此，壓邊力必須控制在一定的范圍內(nèi)，一方面可以抑制起皺，另一方面也可以防止破裂失效。合適的壓邊力范圍是很難確定的，因?yàn)槠鸢櫾诶盍慵闹行膮^(qū)域以一個(gè)復(fù)雜的形狀形成，甚至根本不存在一個(gè)合適的壓邊力范圍。</p><p>　　為了研究起皺的原因，Yoshida et al.發(fā)明了一個(gè)試驗(yàn)，即：一張薄板延著對(duì)角的一個(gè)方向進(jìn)行不均勻拉深。他們還提出了一個(gè)近似的理論模型，起皺的初始是由于彈性變形導(dǎo)致橫向壓力發(fā)展成為不均勻的

8、壓力場(chǎng)。Yu et al.用試驗(yàn)和理論分析的方法來(lái)研究起皺問(wèn)題。他們發(fā)現(xiàn)根據(jù)他們的理論分析，起皺發(fā)生在兩個(gè)環(huán)形的起伏處，且試驗(yàn)結(jié)果指出了4—6處起皺。Narayanasamy和Sowerby通過(guò)圓錐形凸模和半球形凸模的拉深來(lái)研究金屬板料的起皺。同時(shí)，他們也試圖整理防止發(fā)生起皺的特性參數(shù)。</p><p>　　這些試驗(yàn)都僅僅圍繞在與簡(jiǎn)單形狀成形有關(guān)的起皺問(wèn)題上，例如：一個(gè)圓形的盒件等等。在20世紀(jì)90年代初期，3D

9、動(dòng)態(tài)有限元方法的應(yīng)用成功，使得解決金屬板料成形復(fù)雜形狀的起皺現(xiàn)象的分析變成了可能。目前，研究人員都使用3D有限元方法來(lái)分析帶有斜度的方形盒和帶有階梯的方形盒零件拉深時(shí)在拉深壁處由于金屬板料流動(dòng)引起的褶皺以及在成形過(guò)程中的參數(shù)的影響因素。</p><p>　　一個(gè)有斜度的方形盒，如圖1（a）所示，盒形件的每一個(gè)傾斜的拉深壁都與圓錐盒形件相似。拉深成形過(guò)程中，在拉深壁處的金屬板料是相對(duì)無(wú)支撐的，因此，褶皺是傾斜的。在

10、目前的研究中，各種關(guān)于起皺的成型過(guò)程參數(shù)都被研究。在帶有階梯的方形盒件的研究中，如圖1（b）所示，觀察到了另一種類型的起皺。在當(dāng)前的研究中，為了得出分析的效果，實(shí)際生產(chǎn)用階梯形結(jié)構(gòu)的零件來(lái)研究。使用有限元方法可以分析出起皺的原因，并且可以使一個(gè)最優(yōu)的模具設(shè)計(jì)消除起皺現(xiàn)象。有限元分析使得模具設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中更為合理化。</p><p>　?。╝）帶有斜度的方形盒件</p><p>　?。╞）

11、帶有階梯的方形盒件</p><p><b>　　圖1</b></p><p><b>　　二、有限元模型</b></p><p>　　模具的幾何結(jié)構(gòu)（包括凸模、凹模、壓邊裝置等等），通過(guò)使用CAD和PRO/ENGINEER來(lái)設(shè)計(jì)。使用CAD將3個(gè)節(jié)點(diǎn)或4個(gè)節(jié)點(diǎn)形成殼形的單體，進(jìn)而在模型上形成網(wǎng)格體系。使用有限元模擬，模型

12、被視為是剛性的，并且相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格僅僅可以定義模型的幾何形狀，不能對(duì)壓力進(jìn)行分析。使用CAD所建立的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的殼形單體可以為板料創(chuàng)建網(wǎng)格體系。圖2給出了模型完全建立時(shí)的網(wǎng)格體系和用以成形帶有斜度的方形盒件的金屬板料。由于對(duì)稱的原因，僅僅分析了零件的1/4。在模擬過(guò)程中，金屬板料放在壓邊裝置上，凹模向下移動(dòng)，夾緊板料。凸模向上移動(dòng)，拉深板料至模具型腔。 </p><p>　　為了精確的完成有限元分析，金屬板料的實(shí)際壓

13、力——拉力的關(guān)系需要輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)。從目前的研究來(lái)看，金屬板料的深拉深的特性參數(shù)已經(jīng)用于模擬。一個(gè)拉深的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)用于樣品的生產(chǎn)，并且沿著壓延方向和與壓延方向成45°和90°的方向切斷。平均的流動(dòng)壓力σ可以通過(guò)公式σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，計(jì)算出來(lái)，進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際拉力，如圖3所示，以用于帶有斜度的方形盒件和帶有階梯的方形盒件的拉深。</p><p>　　目前研究中的所有模擬都在SG

14、I Indigo2工作站使用有限元可調(diào)拉深程序完成。完成了用于模擬所需數(shù)據(jù)的輸入（假定凹模速度為10m /s，并且平均摩擦系數(shù)為0.1）。</p><p>　　圖2 有限元模擬的網(wǎng)格體系</p><p><b>　　實(shí)際壓力（GPa）</b></p><p>　　圖3 金屬板料的實(shí)際壓力——拉力的關(guān)系</p><p>　

15、　實(shí)際拉力（mm/mm）</p><p>　　三、帶有斜度的方形盒件的起皺</p><p>　　一個(gè)帶有斜度的方形盒可以給出草圖的相關(guān)尺寸，如圖1（a）所示。從圖1（a）可以看出方形凸模頂部每邊的長(zhǎng)度為2Wp，凹?？诓块L(zhǎng)度為2Wd以及拉深高度H——影響起皺所考慮的關(guān)鍵性尺寸。凹模的口部尺寸與凸模頂部尺寸差值的一半為凸模的間隙，即：G=Wd－Wp。拉深壁處金屬板料相對(duì)無(wú)支撐的程度可能取決于凸

16、模的間隙，并且增加壓邊力也有可能抑制起皺現(xiàn)象的發(fā)生。在有斜度的方形盒拉深中，與發(fā)生起皺有關(guān)系的兩個(gè)參數(shù)——凸模間隙和壓邊力，他們對(duì)起皺的影響也正在研究之中。</p><p><b>　　1.凸模間隙的影響</b></p><p>　　為了研究凸模間隙對(duì)起皺的影響，現(xiàn)在分別用凸模間隙為20mm，30mm和50mm的帶有斜度的方形盒進(jìn)行拉深模擬。在每次模擬拉深中，凹?？诓?/p>

17、尺寸為200mm固定不變，并且拉深高度均為100mm。在3次模擬中，均使用尺寸為380mm×380mm的方形板料，且板料厚度均為0.7mm，凹模對(duì)板料的壓力——拉力關(guān)系，如圖3所示。</p><p>　　圖4 帶有斜度的方形盒件的褶皺模擬圖（G=50mm）</p><p>　　模擬結(jié)果表明：三個(gè)有斜度的方形盒均發(fā)生了起皺現(xiàn)象，圖4給出了凸模間隙為50mm的方形盒的形狀。從圖4可以

18、看出，起皺分布在拉深壁處，并且拉深壁鄰近的拐角處起皺現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。經(jīng)分析，在拉深過(guò)程中，起皺是由于拉深壁處存在過(guò)大的無(wú)支撐區(qū)域，而且凸模頂部和凹模口部長(zhǎng)度的不同是由于凸模間隙的存在。在凸模頂部與凹模之間的金屬板料的延伸變得不穩(wěn)定，是由于斷面壓力的存在。在壓力作用下，金屬板料的無(wú)約束拉深是在拉深壁處形成褶皺的主要原因。為了比較三個(gè)不同凸模間隙的試驗(yàn)結(jié)果，需要引入兩個(gè)主應(yīng)力的比值β，β為εmin/εmax, εmin/εmax是主應(yīng)力相對(duì)的

19、最小值和最大值。Hosford和Caddell指出，β值比臨界值更重要，如果起皺發(fā)生，那么β值越大，起皺現(xiàn)象就可能越嚴(yán)重。</p><p>　　如圖4和圖5的曲線所示，三次不同凸模間隙的拉深模擬，沿M——N截面的相同拉深高度處的β值。從圖5可以看出，在3次模擬中位于拉深壁的拐角處起皺比較嚴(yán)重，在拉深壁的中間起皺比較弱。還可以看出，凸模間隙越大，比值β就越大。因此，增加凸模間隙將可能增加帶有斜度的方形盒件在拉深壁處

20、起皺的可能性。</p><p><b>　　2.壓邊力的影響</b></p><p>　　眾所周知，增加壓邊力可以幫助削弱拉深過(guò)程中發(fā)生的褶皺。為了研究增加壓邊力的影響，采用凸模間隙為50mm，不同的壓邊力數(shù)值來(lái)對(duì)有斜度的方形盒進(jìn)行拉深起皺的模擬。壓邊力從100KN增加到600KN，以提供壓邊力0.33Mpa到1.98Mpa。其他模擬條件和先前的規(guī)定保持一致（在模擬當(dāng)

21、中采用了300KN的壓邊力）。 </p><p>　　模擬結(jié)果表明：增加壓邊力并不能消除拉深壁處起皺現(xiàn)象的發(fā)生。如圖4所示，在M——N截面處的β值，和壓邊力分別為100KN、600KN的拉深相比較，模擬結(jié)果指出，在M——N截面處的β值都是相同的。為了分析兩次不同壓邊力時(shí)出現(xiàn)起皺的不同，從拉深壁頂部到直線M——N處，對(duì)5處不同高度截面進(jìn)行了分析，如圖4所示，圖6給出了所有情況的曲線。從圖6可以看出，幾種情況截面處的

22、波度是相似的。這就證明壓邊力與有斜度的方形盒件拉深中的起皺現(xiàn)象無(wú)關(guān)，因?yàn)轳薨櫟男纬芍饕怯捎诶畋谔幋竺娣e無(wú)支撐區(qū)域存在較大的橫斷面壓力，所以壓邊力并不影響凸模頂部與凹模肩部之間的制件形狀的不穩(wěn)定狀況。</p><p><b>　　距離（mm）</b></p><p>　　圖5 對(duì)于不同凸模間隙在M——N截面處的β值</p><p>　　圖6

23、在不同的壓邊力狀態(tài)下，拉深壁不同高度處的橫斷面線。(a)100KN.(b)600KN.</p><p>　　四、帶有階梯的方形盒件</p><p>　　在帶有階梯的方形盒件的拉深中，即使凸模間隙不是這樣重要，而在拉深壁處仍然會(huì)發(fā)生起皺。圖1（b）所示為帶有階梯的方形盒件拉深用的凸模，圖1（b）給出了拉深壁C和階梯處D、E。目前，實(shí)際生產(chǎn)中一直在研究這種類型的幾何結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)中，板料的厚度為0

24、.7mm，壓力——拉力關(guān)系從應(yīng)力試驗(yàn)中獲得，如圖3所示。</p><p>　　這種拉深件的生產(chǎn)是通過(guò)深拉深和整形兩個(gè)工序組成的。由于凸模拐角處的小圓角半徑和復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在盒形件的頂部邊緣發(fā)生破裂，在盒形件的拉深壁處發(fā)生褶皺，如圖7所示。從圖7中可以看出，褶皺分布在拉深壁處，尤其在階梯邊緣的拐角處更為嚴(yán)重，如圖1（b）所示的A——D和B——E處。金屬板料在凸模頂部的邊緣開(kāi)裂，進(jìn)而形成破裂，如圖7所示。<

25、;/p><p>　　圖7 產(chǎn)品上的褶皺和破裂情況</p><p>　　圖8 模擬產(chǎn)品起皺和破裂的盒形件外形圖</p><p>　　為了對(duì)拉深過(guò)程中金屬板料出現(xiàn)的變形現(xiàn)象有更進(jìn)一步的了解，生產(chǎn)中仍然采用了有限元分析方法。最初的設(shè)計(jì)已經(jīng)用有限元模擬完成。模擬的盒形件外形如圖8所示。從圖8可以看出，盒形件頂部邊緣的網(wǎng)絡(luò)拉深比較嚴(yán)重，褶皺分布在拉深壁處，這與實(shí)際生產(chǎn)中的狀況是一

26、致的。</p><p>　　小的凸模圓角，例如A——B邊緣的圓角和凸模拐角A處的圓角，如圖1（b）所示，是拉深壁處破裂的主要原因。然而，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，通過(guò)加大上述兩處圓角可以避免破裂的產(chǎn)生。較大的拐角圓角這種想法通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)加工被驗(yàn)證是可行的。</p><p>　　還有一些試驗(yàn)也是模擬褶皺的。最初時(shí)將壓邊力增加到初始值的2倍。然而，正如和有斜度的方形盒件拉深時(shí)獲得的結(jié)論是一樣的，壓

27、邊力對(duì)起皺的影響并不是最主要的。相同的結(jié)論是增大摩擦或者增加坯料的尺寸。因此我們得出的結(jié)論是：通過(guò)增加壓邊力是不能抑制起皺現(xiàn)象的發(fā)生的。</p><p>　　起皺的形成是由于在某些區(qū)域發(fā)生多余的金屬板料流動(dòng)，所以應(yīng)在起皺的區(qū)域增加壓桿裝置來(lái)控制多余的金屬料流。壓桿應(yīng)加到平行于起皺的方向，以便能有效的控制多余的金屬料流。在這種理論分析下，兩個(gè)壓桿應(yīng)加到拉深壁的臨近處，如圖9所示以便能控制多余的金屬料流。模擬的結(jié)果表

28、明：正如所期望的那樣，通過(guò)壓桿的作用，階梯拐角處的起皺被控制住了，但是一些褶皺還是存在于拉深壁處。這就表明：需要在拉深壁處設(shè)置更多的壓桿，以控制多余的金屬料流。但是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度考慮，這種結(jié)構(gòu)是不可行的。</p><p>　　圖9 在拉深壁處增加的壓桿</p><p>　　在拉深工序中采用有限元分析的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以通過(guò)拉深模擬來(lái)監(jiān)視、控制金屬板料的形狀變形，而這些在實(shí)際生產(chǎn)中是不可能做

29、到的。在拉深過(guò)程中，仔細(xì)地看金屬板料的流動(dòng)，可以看出金屬板料首先由凸模拉深進(jìn)凹模腔內(nèi)，直到金屬板料到階梯邊緣D——E處時(shí)，褶皺才開(kāi)始形成。褶皺的形狀如圖10所示。有限元分析還可以為模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。 </p><p>　　圖10 金屬板料接觸階梯邊緣時(shí)形成褶皺</p><p>　　圖11 切斷階梯拐角后的外形圖</p><p>　　圖12 凸模設(shè)計(jì)修

30、改后的外形模擬圖</p><p>　　最初推斷發(fā)生起皺的原因是由于凸模拐角圓角A處和階梯拐角圓角D處的金屬板料不均勻、不穩(wěn)定拉深形成的。因此，模具應(yīng)設(shè)計(jì)成在階梯拐角處切斷一部分，如圖11所示，以有利于改善拉深條件。通過(guò)增加階梯邊緣而使板料均勻、穩(wěn)定的拉深。然而在拉深壁處還是存在起皺現(xiàn)象。結(jié)果指出：起皺的原因是由于凸模頂部邊緣和整個(gè)階梯邊緣的板料不均勻、不穩(wěn)定的拉深，這與凸模拐角和階梯拐角不同。毫無(wú)疑問(wèn)，模具的設(shè)計(jì)

31、結(jié)構(gòu)應(yīng)有兩處需要調(diào)整，一處是切斷整個(gè)階梯；另一處是增加拉深工序，使用2次拉深可以獲得期望的形狀。如圖12所示，是這種成形方法模擬出的外形。如果較低的臺(tái)階被切斷去除，那么這種盒形件的拉深就與矩形盒件的拉深十分相似，詳見(jiàn)圖12。從圖12可以看出，褶皺被去除了。</p><p>　　在兩次拉深過(guò)程中，金屬板料首先拉深成較深的臺(tái)階，如圖13（a）所示。因此，較低的階梯是在第二次拉深工序中形成的，此時(shí)，可以獲得我們所期望的

32、外形，如圖13（b）所示。從圖13（b）中可以清楚地看出，帶有階梯的方形盒件通過(guò)兩次拉深被制作出來(lái)，而且沒(méi)有褶皺。在兩次拉深工序中，如果假想使用相反的順序拉深，較低的階梯首先成形，然后再拉深成較高的臺(tái)階，那么在較深臺(tái)階的邊緣處，如圖1（b）A—B處，容易形成破裂現(xiàn)象，因?yàn)榘寄Ｖ性谳^低階梯處的金屬板料很難流動(dòng)。</p><p>　　有限元模擬分析指出要想獲得理想的帶有階梯的方形盒件，使用一次拉深幾乎是不可能成功的。

33、然而，使用兩次拉深則增加了生產(chǎn)成本，因?yàn)槟＞叱杀竞椭圃斐杀驹黾恿?。為了維持較低的生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)師對(duì)盒形件外形做了適當(dāng)?shù)男薷?，并且根?jù)有限元模擬的結(jié)果，修改了模具，切斷去除了較低的階梯，如圖12所示。修改之后，拉深模制造出來(lái)了，并且盒形件消除了褶皺問(wèn)題，如圖14 所示。盒形件的外形也與用有限元模擬所獲得的外形效果一樣好。</p><p>　　圖13 （a）第一次拉深工序 （b）第二次拉深工序</p>

34、<p>　　圖14 消除褶皺后的產(chǎn)品圖</p><p>　　為了更進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模擬的結(jié)論，將從模擬的結(jié)果中獲得的截面GH處的板料厚度的分布情況與實(shí)際生產(chǎn)中的情況進(jìn)行比較。比較情況如圖15所示。從圖15的比較情況可以斷定：通過(guò)有限元模擬的厚度分布與實(shí)際生產(chǎn)的情況基本上一致。這就證明了有限元分析方法的有效性。</p><p><b>　　厚度（mm）</b>

35、</p><p><b>　　距離（mm）</b></p><p>　　圖15 模擬與實(shí)際生產(chǎn)中，GH截面處的板料厚度分布比較圖</p><p>　　五、簡(jiǎn)要論點(diǎn)及結(jié)束語(yǔ)</p><p>　　在拉深過(guò)程中發(fā)生的兩種類型的褶皺通過(guò)有限元分析研究以及對(duì)起皺原因做的試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)了抑制起皺的方法。</p><

36、;p>　　第一種類型的起皺出現(xiàn)在帶有斜度的方形盒件的拉深壁處。在凹模口部的高度尺寸和凸模頂部的高度尺寸等因素中，起皺的發(fā)生歸因于較大的凸模間隙。較大的凸模間隙會(huì)導(dǎo)致拉深到凸模頂部與凹模肩部的金屬板料處產(chǎn)生較大的無(wú)支撐區(qū)域，而金屬板料較大的無(wú)支撐區(qū)域是形成起皺的最終原因。有限元模擬表明這種類型的起皺是不能通過(guò)增加壓邊力而抑制的。</p><p>　　另一種類型的起皺發(fā)生在實(shí)際生產(chǎn)中帶有階梯的幾何結(jié)構(gòu)的方形盒件

37、中。研究發(fā)現(xiàn)即使凸模間隙影響不是很重要，起皺還是會(huì)發(fā)生在階梯上面的拉深壁處。根據(jù)有限元分析，起皺的原因主要是由于凸模頂部和臺(tái)階邊緣之間的不均勻拉深造成的。為了避免起皺，在模具設(shè)計(jì)中使用有限元模擬做了一些試驗(yàn)，試驗(yàn)最終確定的最優(yōu)設(shè)計(jì)就是將階梯去除。修改后的模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)出了無(wú)缺陷的盒形零件。模具分析的結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)所獲得的結(jié)論證明了有限元分析的準(zhǔn)確</p><p>　　性和使用有限元模擬的有效性。因此可以說(shuō)：有限元方