不銹鋼板沖壓成型過程的有限元模擬

1、不銹鋼板沖壓成型過程的有限元模擬原思宇,張立文,王宇挺,呂成,陳磊,王富崗大連理工大學(xué)材料工程系不銹鋼板沖壓成型過程的有限元模擬Finite element simulation in stainless steelsheet forming process原思宇,張立文,王宇挺,呂成,陳磊,王富崗(大連理工大學(xué)材料工程系摘要:基于彈塑性有限元變形理論,采用有限元軟件MSC.Marc建立不銹鋼板材沖壓成型過程有限元模型。分析了變形過程中應(yīng)變、厚度和摩擦力的分布情況以及凸凹模間隙尺寸對成形過程的影響。通過板材法蘭形狀的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行的比較證實了模型的可靠性和可行性。關(guān)鍵詞:不銹鋼沖壓成型

2、有限元 MSC.MarcAbstract:Based on the elastic-plastic finite element method, a finite element model has been used to simulate the forming process of stainless steel sheet by the FE software MSC.Marc. The model has been used to analyze the strain, thickness of element and contact friction force distribut

3、ion. And the gaps between blank and die filleted affects the forming process has been analyzed. Comparison between theoretical and experimental results of the flange shape shows the security and the feasibility of the model.Key words: stainless steel,sheet metal forming,finite element,MSC.Marc1 概述金屬

4、板料成形是利用沖壓模具使金屬薄板發(fā)生塑性變形生產(chǎn)薄殼零件的一種塑性成形工藝。傳統(tǒng)的板材沖壓工藝要經(jīng)過模具設(shè)計反復(fù)沖壓實驗、修改模具-定型、實際生產(chǎn)一系列復(fù)雜的過程。這種過程耗費大量的人力、物力、財禮,而且由于周期較長、增加成本,已經(jīng)不適合當(dāng)今社會小批量、快速、低成本的生產(chǎn)模式。板材成形過程是多重非線性的復(fù)雜變形過程,采用有限元法模擬板材成形過程可以減少試模時間,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低產(chǎn)品的開發(fā)費用1。目前,板材成形的數(shù)值模擬方法已經(jīng)受到廣泛的重視,并且正在逐步實現(xiàn)實際生產(chǎn)中的模具設(shè)計、沖壓過程模擬、缺陷的預(yù)防及分析等2。對于U形和盒形類的簡單沖壓成形過程的數(shù)值模擬已進行了較多的研究3-4,而對

5、復(fù)雜沖壓件成形過程的數(shù)值模擬5研究進行的較少。本文采用大型有限元分析軟件包MSC.Marc對不銹鋼板水槽沖壓成型過程進行了模擬,模型考慮了板材的回彈過程。對模擬結(jié)果的分析考察了板材在沖壓成型過程中的應(yīng)變分布、板材厚度變化與分布以及摩擦力的分布情況,討論了凸凹模間隙大小對板材沖壓過程的影響。通過比較板材邊緣的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果,證明了模型的可靠性與可行性。2 有限元模型的建立2.1 基本模型的建立不銹鋼水槽制件圖如圖1所示。在沖壓過程中,壓邊圈將不銹鋼板料壓在凹模上,壓邊通過給定壓邊力實現(xiàn)。板料隨著沖頭的勻速向下運動被壓入型腔。卸載后,沖頭與板料間的接觸消失,板材經(jīng)回彈后得到最后形狀。采用MSC

6、.Marc軟件繪制模型,模具、毛坯有限元網(wǎng)格圖如圖2所示。為了簡化模型縮短計算時間,根據(jù)水槽結(jié)構(gòu)沿中線左右對稱、受力和變形也沿中線對稱的特點,在取其1/2創(chuàng)建有限元模型。材料參數(shù)如表1所示。模具采用剛性體,不可變形。板料與凸模間的摩擦系數(shù)為0.3,與凹模間的摩擦系數(shù)為0.1。考慮到板料在拉延過程中發(fā)生大位移,因而采用更新的拉格朗日法和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)。表1 材料參數(shù)材料彈性模量(GPa 屈服點(MPa應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系式(MPa 板厚(mm STS304BA 292.95 287.4 4923.0=0.83.1560 圖1 不銹鋼水槽制件圖圖2 模具、毛坯有限元模型2.2 板殼單元板材定位為可變形體

7、。由于板材厚度僅為0.8mm,且板厚與產(chǎn)品的曲面曲率半徑相比很小,因而采用雙線性四邊形殼單元。雙線性四邊形殼單元具有兩個自由度,分別是體位移和轉(zhuǎn)動。并且在幾何特性定義中輸入殼單元的厚度。2.3 回彈過程的處理材料的沖壓成形卸載后,回彈是不可避免的現(xiàn)象。由于不銹鋼材料塑性變形后的回彈較大,如果忽略將對模擬結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。因此在建立模型過程中加入對回彈過程的模擬。模型中回彈的實現(xiàn)是當(dāng)沖壓件達到成形要求時,計算此時各結(jié)點所受外力大小,然后將這些外力卸除,此時要分步進行卸載,以保證真實的回彈數(shù)值模擬。由于回彈是伴隨卸載過程而發(fā)生,因此回彈的計算類似于成形的計算,采用逐步卸載的方法,并且載卸在計

8、算中采用彈塑性本構(gòu)方程。卸載回彈分析仍采用平衡迭代方法求解方程。2.4 模型的其他處理沖壓過程是一個復(fù)雜的變形過程,一些限制條件對實際過程影響很小,因而可以進行一些必要的簡化與假設(shè)。模型的主要簡化及假設(shè)如下:1 材料采用各向同性模型且均質(zhì);2 忽略在加工過程中的溫度變化及熱效應(yīng)對板材的影響;3采用V on Mises 屈服準(zhǔn)則、各向同性硬化法則和Prandtl-Reuss 關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)則描述塑性; 4 摩擦采用Coulomb 摩擦模型,且假設(shè)整個過程中摩擦系數(shù)保持不變。3 模擬結(jié)果與分析3.1 應(yīng)變分布與分析 在水槽沖壓過程中,板材受到?jīng)_頭的作用變形,變形后等效塑性應(yīng)變分布如圖3所示。從圖中可以

9、看出模具拐角處,即板材變形較大處應(yīng)變最大(圖上A 、B 、C 區(qū),側(cè)壁、底面及上表面所受應(yīng)變較小。這是由于在沖壓過程中,沖壓頭邊緣與板料接觸處首先變形,板料在此處受力的作用下繼續(xù)變 形。這些拐角處也是應(yīng)力集中的位置。 3.2 厚度變化分布與分析如圖4所示,板材沖壓后板料厚度變化分布。從圖中可以看出在沖壓頭拐角與板料接觸部分板料厚度變化最大,板料不同位置上厚度均有不同程度的減小。厚度最薄的部分僅為0.4718mm ,此處也是在加工和使用過程中最容易發(fā)生破裂,產(chǎn)生缺陷的部位。而位于凹模表面部分的板材出現(xiàn) 一定程度的板料堆積。這是由于變形的不均勻性以及凸凹模間隙擠壓的影響,在這些部位板材處于壓應(yīng)力狀

10、態(tài)。 3.3 接觸摩擦力分布與分析圖5所示為板材沖壓后板料與沖頭間接觸摩擦力的分布情況。由圖可以看出在板材與凹模圓角接觸部位的接觸摩擦力最大,其他部位的摩擦力分布較為均勻且數(shù)值不大。因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)該注意在這些接觸摩擦力大的部位施加潤滑,減小摩擦系數(shù),降低摩擦力的大小。3.4 凸凹模間隙大小對成形過程的影響凸凹模間隙大小Z與板材厚度t滿足關(guān)系式:Z=kt,系數(shù)k的選取對于板材的成形過程、板材缺陷的形成起到非常重要的作用。如圖6所示為k值過大時板材起皺的模擬結(jié)果,與實際結(jié)果一致。當(dāng)k值較大時,板材懸空區(qū)域受到垂直于變形方向的切向的壓應(yīng)力,這是產(chǎn)生起皺現(xiàn)象的主要原因。當(dāng)k值逐漸減小時,板材懸空區(qū)

11、域沿變形方向的切向的拉應(yīng)力增大,當(dāng)超過許用應(yīng)力范圍時將會發(fā)生拉裂的缺陷,這也是板材沖壓過程中較為常見的缺陷之一。此外k值的減小,也將導(dǎo)致板材在凹模表面上的產(chǎn)生嚴(yán)重堆積。3.5 法蘭的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較圖7所示為板材法蘭形狀實驗與模擬結(jié)果比較,從圖中可以看出兩結(jié)果基本吻合,相差很小,從而證明了模型的正確性和可行性。 4 結(jié)論(1 有限元模擬方法可以很好地再現(xiàn)板材成型過程。有限元分析軟件MSC.Marc可以有效的模擬變形過程中板材受力、變形、缺陷的產(chǎn)生等情況;(2 沖壓頭拐角與板料接觸的地方應(yīng)變最大,厚度減小也大,板材位于凹模表面的部分存在一定程度的板料堆積;(3 板材與凹模圓角接觸部位的摩擦

12、力最大;(4 k值較小時板材容易產(chǎn)生拉裂的缺陷,k值較大時板材懸空區(qū)容易產(chǎn)生起皺的缺陷,合理的k值將影響板材沖壓的成形性。(5 數(shù)值模擬的變形后法蘭形狀與實驗結(jié)果基本吻合。2003 年 MSC.Software 中國用戶論文集 參考文獻： 1 A. Makinouchi. Sheet metal forming simulation in industryJ 1996 (60:19-26。 塑性工程學(xué)報 1996 Journal of Materials Processing Technology 2 鄭瑩，吳勇國，李尚健，等。板料成形數(shù)值模擬進展J 3(4:34-47。 3 D.Zhou,

13、R. H. Wagoner. Development and application of sheet-forming simulationJ Journal of Materials Processing Technology 1995 (50:1-16。 4 Li-Ping Lei, Sang-Moon Hwang, Beom-Soo Kang Finite element analysis and design in stainless steel sheet forming and its experimental comparisonJ Journal of Materials Processing Technology 2001 (110:70-77。 5 M. Samuel Experimental and numerical p