1、 1.2|3鋁合金失效準則板料沖壓成形過程中,斷裂和起皺是其主要的成形障礙,起皺可以通過加大壓邊力,合理設置拉深筋以及調整毛坯的形狀來克服,斷裂則說明零件傳力區不勝負擔成形力,局部材料已達到變形極限,所以,成形極限一般是指斷裂極限而言。目前,關于判斷斷裂的方法很多,如成形極限圖、成形極限應力圖、最大變薄率、應變率突變準則、厚度梯度準則以及韌性斷裂準則等等。當前,在板料成形有限元數值模擬技術中,應用FLD是預測斷裂發生的主要方法。自上個世紀60年代s,P.Keelerl211和G.M.Goodwinl221分別用實驗方法建立成形極限圖以來,它一直廣泛應用于實際生產中,成為金屬板料成形工藝分析和工

2、藝設計的有效工具。很多學者對實驗成形極限圖的制作做了大量工作。但是這不僅需要繁雜的實驗,而且也受實驗條件(如模具的形狀、尺寸等等和測量方法的影響,所得到的實驗數據一般比較分散,使其在實際應用中受到限制。到了60年代后期人們開始了理論成形極限曲線的研究。Hill模型【23J計算的曲線在FLD拉一壓區與實驗結果吻合的相當好,而在拉一拉區還不能被其所預測;而M.K溝槽模型124J計算的曲線在等雙拉區域附近也是不能正確地預測,針對以前集中性失穩一些理論的缺陷,先后對某些模型進行了修正和改進,這些改進工作主要集中在M.K模型上。一方面認為MK理論預測結果比試驗結果大的原因之一是與帶二次屈服函數的屈服曲面

3、有關,進而改進M.K模型125-28。另一方面把塑性損傷引進到原來的MK模型中,修正初始厚度不均勻系數,使預測結果與實驗結果相符合29.31】。同時,MK原始模型是建立在材料在塑性變形過程中無相變的條件下的,近些年,如TRIP類型鋼板的開發和使用,M-K模型需要考慮含相變的材料應變硬化模型【”j,材料是該模型比較準確地預測TRIP類型鋼板的成形極限。=墨=飛心.I A .#=,鼻嘲m、1'_。刪。k n一fracture :另I、一。Jh、s-t3二2mmi艨門孰曲詵I、Ll T鬟琢Material:A2024P.S.:910mm Blank profileInitial radius

4、,mm Predicted result Experimental result圖卜3預測圓筒件拉深成形極限“5163墨p 苦H 度對于頸縮現象的產生具有重要的作用。Naka等人【461利用圓筒件拉深試驗,實驗研究凹模法蘭溫度對5182.O拉深比的影響,研究發現,隨著法蘭溫度升高,拉深比增大。 (a冷成形(b溫成形圖1-6溫成形鋁合金件 (3Li等人1'471也做了類似的實驗研究,并發現拉深高度隨著凹模法蘭溫度升高而增大,而隨著凸模溫度的升高而減小。為了提高復雜形狀零件的可成形性和工藝的魯棒性,很有必要合理確定溫拉深中初始溫度分布。通過有限元模擬和實驗設計方法確定拉深中初始溫度分布,是

5、一種高效率的方法【4引。(2變壓邊力技術變壓邊力控制技術作為改善車身覆蓋件成形質量、提高板料成形性能的一種簡單、有效的控制手段,日益受到國內外研究者的關注。變壓邊力是指在薄板成形過程中,壓邊力大小隨位置或凸模行程發生變化。它不僅可以顯著提高沖壓件的成形性能,減少和消除覆蓋件成形過程中出現的起皺、開裂和回彈等缺陷。圖1.7是分塊式變壓邊力的示意圖,在盒形件拉深中,壓邊圈由lO個壓邊塊組成,在不同位置施加不同的壓邊力。 分塊式壓邊圈方盒件拉深有限元模型圖1-7變壓邊力示意圖S.Thinamdchelvallf49】以鋁板杯形件拉延為例,分析了壓邊力與沖壓力成正比(約34%拉延過程,在實驗的基礎上得

6、出采用變壓邊力形式將有利于提高杯形件的成形質量,降低了拉延開始時的拉裂危險性。Ahmetoglu等人j對下降的BHF曲線進行了進一步的實驗,他們用鋁合金2008一T4進行方形盒拉深,實驗和有限元分析結果表明從較大的壓邊力逐步減少到僅能消除起皺的常壓邊力的壓邊力變化曲線能顯著減小皺紋的高度,且可以避免較大的常壓邊力所造成的斷裂。Murata和Matsui睜”對分塊式壓邊圈進行了研究,并實驗驗證了它對盒形件拉深的效果。實驗表明,用這種分塊壓邊圈的變壓邊力控制方案生產鋁合金杯,獲得的最大深度比采用整體式恒壓邊力的壓邊圈獲得的要大約1.3倍。陳關龍和孫成智等人口2l提出了基于有限元模擬和自適應響應面法

7、的變壓邊力優化設計方法,利用該方法計算出圓筒拉深件隨時間變化的壓邊力和不等深盒形件拉深時隨位置變化的壓邊力優化結果,提高了變壓邊力優化的精度和效率。(3液壓成形技術由于液壓成形技術具有一系列的優點,近些年來受到各工業領域的重視,尤其是汽車制造業。液壓成形技術從原材料上分為2大類,如圖1.8所示,一類是管材液壓成形,也稱為內高壓成形;另一類是板材液壓成形技術,以流體介質取代凹模或凸模進一步又可分為充液拉深技術和液壓脹形技術。 (a充液拉深 (b液壓脹形圖卜8板料液壓成形技術10日本較早地開展工藝試驗研究,并已進入實用階段。如圖1-9所示,是汽車外板用的難成形材料AL6111-T4,采用充液成形工

8、藝制成的零件f531。液壓成形技術的起源可以追溯到19世紀末。到目前為止,板材液壓成形技術得到了迅猛發展,在傳統加工方式上,增添了一些新技術,并且在鋁合金板成形上得到應用。 圖卜9液壓成形的汽車外板件(材料A16111-T4”日本學者采用高頻振動充液拉深技術,采用不同的潤滑劑對鋁合金5052.O 拉深行為進行了試驗研究,并獲得較高的拉深比15”。中村和彥采用差溫充液拉深技術,分析了各種工藝因素對鋁合金板成形能力的影響,并一次加工出拉深比為3.4的鋁制件】。康達昌教授和郎利輝博士在液壓充液拉深成形技術方面進行了大量的實驗研究工作【“58】,提出了康式充液拉深模式,并取得了一些重要的成果。1.4覆

9、蓋件模具CAD技術研究現狀CAD是一種劃時代的新技術,它的出現極大地推動了制造業的發展。而同時模具技術又是制造業中發展最快的技術之一,它的特點是數量很大,批量很小,換代非常快。從理論上說,模具行業是CAD技術最能發揮優越性的領域。但我國目前模具CAD的成果并不十分顯著,尤其是在汽車覆蓋件模具CAD技術的應用方面,這項技術的巨大潛力還沒有充分發揮出來。1.4.1企業中的應用現狀在國外,一些汽車制造公司早在20世紀的60年代初期就開始了對CAD技術的研究。這一研究最初始于汽車車身的設計,各大汽車公司都先后建立了自己的CAD/CAM系統,并在隨后的時間里將其應用于模具設計與制造。圖1.10為國外現代

10、覆蓋件模具設計過程中,計算機輔助設計、仿真和制造的應用現狀。 拉伸試驗是在上海交通大學材料學院萬能電子材料實驗機zWck上進行。通過單向拉伸試驗機自動采集數據中,可獲得單向拉伸的力一行程曲線;并根據試樣的基本尺寸,自動計算出鋁合金板的名義應力一工程應變曲線。圖2-2是鋁合金板6111-T4斷裂的拉伸試樣。 圖2-2斷裂后6111.T4單拉試樣2.2.2試驗結果與討論圖23是試驗獲得的不NSL相J方位的鋁合金板6111.T4和5754一O名義應力一工程應變關系曲線,它們的初始厚度分為為1.0mm和1.5mm,該圖給代表了這兩類鋁合金板單向拉伸試驗的一些特性。一芏一價價uIuJozEngineer

11、ing strain(%(a6111-T4(厚度1.0mm (b5754.O(厚度1.5mill圖2.3鋁合金板單向拉伸應力一應變曲線 2.3鋁合金板的材料參數板料的性能參數在塑性加工分析中占有重要的地位,例如,(1迅速而準確地確定汽車板對某種沖壓工藝的適應情況,以及分析和判斷生產中出現的與材料性能參數有關的質量問題;(2根據各類覆蓋件的成形特點和工藝要求,合理地選擇材料級別、材料牌號,指導選材;(3有利于建立材料制造商和產品生產商之間“參數供貨”的供貨關系;(4是金屬塑性成形過程的有限元分析中不可缺少的。沖壓成形中,常用的材料參數包括彈性模量E,密度p,泊松比r,屈服強度佩,抗拉強度仉,總延

12、伸率矗均勻伸長率蠡,強度系數足,硬化指數n和厚向異性系數,及板平面方向性,硬度值H等等。對于鋁及其鋁合金來說,前3種參數基本保持不變,其余的材料參數對不同牌號的材料是不同的,甚至不同批次之間也有一定程度上的波動。目前,常規的板料性能參數的獲取是建立在標準矩形單向拉伸試驗上的。圖2-6是從圖2-3中獲得的材料真應力一真應變曲線。在圖1和圖2-6單向拉伸曲線基礎上,獲得本研究中各種牌號鋁合金板的材料參數如表2.2至表2.5。(a611lT4 (a6111_T4圖2-6鋁合金板真應力一真應變曲線 一equivalent biaxial tension;一plane strain tension;一u

13、niaxial tension;一pure shear;一uniaxial compression(c成形極限圖圖3.7預測結果 圖3-8試驗件照片其他鋁合金板x61l-“和5754.0的破裂極限也被式(3-13計算。圖3.9是三種鋁合金板預測的和試驗的結果對比。在圖5中,所有的初始板坯直徑為200mm,且恒定壓邊力為100kN。圖3.9(a是預測的臨界凸模行程和試驗值的比較,而圖3.9(b是預測破裂處的最小厚度值與試驗值的對比。圖3.9所顯示的結果說明,預測的結果與試驗值吻合很好。這證明,在有限元模擬中,可以使用式(1來評估鋁合金板的破裂極限。 3.3.2矩形盒件拉深成形本研究中,應用Oya

14、ne韌性斷裂準則評價不等轉角盒形件拉深成形中破裂極限。研究對象是X611-T4,初始厚度為1.0mm。盒形件拉深模具的幾何尺寸主要有:凹模型腔長度280mm,寬度為145mm,且長度兩側轉角不同,其半徑分別為30ram和50mm,如圖3.10所示,凸凹模圓角半徑分別為10ram。矩形板料的初始尺寸為400x300mm,長度方向為軋制方向。除恒定壓邊力外,其他試驗條件同前述試驗。 圖3.11有限元模型為了核查有限元仿真的精度,將仿真的厚度同試驗值進行了比較。圖3一12是x611-T4拉深成形中仿真厚度分布和試驗值的比較,圖中OC和OD代表所研究的截面如圖3.11所示。在圖1中,測量點見的間隔距離

15、為10mm其凸模行程為60mm。在拉深試驗中,初始板坯為圓形,且直徑為由200mm,恒定壓邊力為30kN。從圖3.12中可以看出,模擬結果和試驗值是吻合的。這說明模擬中輸入的模型和邊界條件是切實可行的。E-Y堂.Ct'-O riginal dislan ce from the centek mm圖3.12仿真厚度和試驗值的比較39圖3.13是試驗件照片,其中恒定壓邊力為80kN。從該圖中可以看出,裂紋出現在轉角為30mm傾0的凸模圓角位置附近,且裂紋周圍并沒有明顯的縮頸現象出現。圖3.14顯示的是E點和F點處面內剪應力分布情況,E點和F點的位置如圖310所示,處于成形件圓角與直邊相交線位置,且距離邊緣的距離是相等的。由于E 點的剪應力明顯大于F點的,所以在AC側(見圖310所示圓角位置板料法蘭部分的板面內彎曲變形更大。這種板面內彎曲變形阻礙了板料向凹模型腔內流動,并聚集在圓角入口附近,致使此側板料流入量小,裂紋先于另一側出現。 圖3-