冲压成形范文

冲压成形范文（精选8篇）

冲压成形 第1篇

1 板材冲压的特点

1.1 高的材料利用率。

1.2 可加工薄壁、形状复杂的零件。

1.3 冲压件在形状和尺寸方面的互换性好。

1.4 能获得质量较轻而强度高、刚性好的零件。

1.5 生产率高, 操作简单, 容易实现机械化和自动化。

冲压模具制作成本高, 因此适应大批量生产。对于小批量、多品种生产, 常采用简易冲模, 同时引进冲压加工中心等新型设备, 以满足需求。板材冲压常用的金属材料有低碳钢、铜、铝、镁合金及高塑性的合金钢等。冲压生产设备有剪床和冲床。剪床是用来将板材剪切成具有一定宽度的条料, 以供后续冲压工序使用, 冲床可用于剪切和成形。

2 冲压技术的发展水平

进行柔性冲压生产的大型多工位压力机是轿车覆盖件冲压成形的发展方向, 并具有最先进的技术水平, 是世界大型轿车覆盖件冲压技术的最高级发展阶段。

2.1 生产效率高。

在人工上下料的冲压线上生产大型汽车覆盖件, 平均每分钟3~5件;由上下料机械手组成的冲压自动化线, 生产同样的零件, 平均每分钟6~8件;由电子伺服三坐标送料的多工位压力机系统, 每分钟达到16~25件, 大大提高了冲压件的产量。

由于多工位压力机采用电子伺服送料系统, 送料系统的元件减少, 伺服电动机直接驱动送料杆, 送料系统的惯量减小, 更容易加速和减速, 送料速度提高, 系统结构紧凑, 间隙小, 高速时的振动较小, 送料误差小, 避免了因掉料而停机处理。

2.2 柔性好电子伺服多工位送料的每个动作都是由伺服电动机驱动, 行程、速度和加速度柔性可控。

并且能够与压力机同步运行, 机械送料的多工位压力机送料动作由机械凸轮驱动, 送料的行程初始位置和终点位置都是由机械结构定死的不能改变, 所以机械送料的多工位只适合一定范围的零件加工。大型电子伺服送料多工位压力机柔性好, 不但能够冲压大型的覆盖件, 而且能够冲压小型零件。当冲压小型零件时, 送料距离减短, 节拍提高, 能够生产更多的零件, 通过合理的模具设计和布置, 一次冲压可以生产2~3个零件。

2.3 全自动化、智能化。

从垛料的拆垛、板料及工件的传送到板料成形和工件的码垛, 全部实现自动化, 整台的多工位压力机成套系统只需1~2人进行监控。当模具更换时, 只需输入所要更换模具的编号, 其余工作自动完成, 整个换模时间只需5min。换模的同时, 多工位压力机的运行特性作智能化调整, 主要包括以下几个方面:压力机的行程次数、压力机的平衡器风压、电子伺服三坐标送料的送料距和节拍初始位置。

2.4 最先进的控制技术。

压力机主机的运动采用大功率直流调速技术或大功率的变频调速技术, 电子伺服三坐标送料系统采用交流伺服矢量控制技术以及同步运动技术, 数控液压拉深垫采用液压伺服技术, 为了使整套设备协调运行, 采用了计算机和网络技术。

3 金属板材的冲压成形

金属板材的成形性能是指板材对冲压成形工艺的适应能力。板材成形性能的好坏会直接影响到冲压工艺过程, 生产率, 产品质量和生产成本。板料的冲压成形性能好, 对冲压成形方法的适应性就强, 就可以采用简便工艺, 高生产率设备, 生产出优质低成本的冲压零件。

对冲压成形件来说, 不产生破裂是基本前提, 同时对它的表面质量和形状尺寸精度也有一定要求, 故板料冲压成形性应包括:抗破裂性, 贴模性和形状冻结性能等几个方面。所谓冲压成形就是板材可成形能力的总称, 或者叫做广义的冲压成形性能。广义成形性能中的抗破裂性能, 可视为狭义的冲压成形性能。板料在成形过程中, 一是由于起皱, 塌陷和鼓包等缺陷而不能与模具完全贴合;另一方面因为回弹, 造成零件脱模后较大的形状和尺寸误差。通常将板材冲压成形中取得与模具形状一致的能力, 称为贴模性;而把零件脱模后保持其既得形状和尺寸的能力, 称为形状冻结性。通常把材料开始出现破裂时的极限变形程度作为板料冲压成形性能的判定尺度。目前对抗破裂性的研究已取得了不少成果。根据把冲压成形基本工序依其变形区应力应变的特点分为伸长类 (拉伸类) 与压缩类两个基本类别的理论, 可以把这种冲压成形的分类与冲压成形性能的分类建立对应关系。板料冲压成形的试验方法有多种, 概括起来分为直接试验和间接试验两类。直接试验中板材的应力和变形情况与真实冲压基相同, 所得的结果也比较准确;而间接试验时板材的受力情况与变形特点却与实际冲压时有一定的差别。所以, 所得的结果也只能间接地反映板材的冲压性能, 有时还要借助于一定的分析方法才能做到。常用的方法为:直接试验中的模拟试验和间接试验中的拉伸试验。

4 板材拉伸试验

拉伸试验是评价板材的基本力学性能用成形性能的主要试验方法。由于简单可行, 所以是目前普遍采用的一种方法。拉伸试验与冲压成形性能有密切关系的几项主要性能参数如下:

4.1 称屈强比

较小的屈强比几乎对所有的冲压成形都是有利的。屈强比小, 对压缩类成形工艺有利。拉深时, 如果板材的屈服点低, 材料起皱的趋势小, 防止起皱所必需的压边力和摩擦损失也会降低, 对提高极限变形程度有利。例如, 低碳钢的拉伸时, 极限拉深系数m=0.48~0.5;65Mn时, 极限拉深系数则为m=0.68~0.7在伸长类成形工艺中, 如胀形, 拉型, 拉弯, 曲面形状的成形等, 当系数低时, 为消除零件的松弛等弊病和为使零件的形状和尺寸得到固定所需的拉力也小, 所以成形工艺的稳定性高, 不易出废品。弯曲件所用板材的 低时, 卸载时的回弹变形也小, 有利于提高零件精度。可见屈服比对板材的冲压成形性能的影响是多方面的, 而且也是很重要的。

4.2 均匀伸长率

板材在拉力作用下开始产生局部集中变形 (缩颈时) 的伸长率。称为总伸长率, 是在拉伸中试样破坏时的伸长率。一般情况下, 冲压成形性都在板材均匀变形范围内进行。所以, 表示板材产生均匀的或稳定增长的塑性变形的能力, 它直接决定板材在伸长类变形中的成形性能。可以用间接表示伸长类变形的极限变形程度, 如翻边系数, 扩口系数, 最小弯曲半径, 胀形系数等。实验结果表明, 大多数材料的翻边变形程度都与成正比例关系, 具有很大胀形成分的复杂曲面拉深件用的钢板, 要求具有很高的值。

4.3 硬化指数

数控单元冲压模具的快速成形技术 第2篇

摘 要: 介绍了基于简单图形元素的单元冲模快速成形的数字化编码,给出了数控单元冲压模具的结构示意图,详细地介绍了用AT89C52单片机构成的冲模控制系统,用VB6.0编制的系统程序框图和上位机与单片机的通信程序框图，

关键词: 数控;单元图形;冲压模;快速成形;单片机

1 前 言

随着经济的快速发展和市场需求的多样化,人们对产品生产周期的要求越来越短,尤其在小批量甚至单件生产方面,要求现代制造技术不仅要有较高的柔性,还要有更新的、更能满足市场要求迅速变化的生产模式。数控单元冲压模具快速成形技术,就是为适应此种状态而产生的。

2 单元冲模快速成形的数字化编码钣

钣件的形状可分割成一些简单的图形元素,然后合成所需图形。例如:矩形是4个直角的合成;波浪形是一些曲线的合成等。因此,对于一些精度要求较高的小批量甚至单件生产的钣金件,可以用一些通用件迅速组装成单元冲压模具,采用数控技术,使之快速成形。将被加工钣金件看成一个可被分割的平面图形,对分割出来的简单图形元素进行数字化处理。即按其方位进行定位编码。如图1所示的非等距简单图形零件的数字化,缺口1、2、3、4的(Δx,Δy)均相等,方孔5的(Δx,Δy)均等于2倍的(Δx,Δy),设现有通用冲头的宽等于Δx,长等于Δy,则按如图1所示进行编号。缺口1由位置(2,0)以及位置(3,0)合成,缺口2、3、4同样由两个位置合成,方孔由8个位置合成。如果采用矩形单元快速成形,可以获得如图2所示的二维编码,由于划分过细使得到的编码较长。如果采用正方形单元快速成形,则可以获得如图3所示的二维编码,其编码减小一半。

矩形单元二维编码如下：

对于等距简单图形零件如钥匙齿形的快速成形由于齿距相等河以进一步简化编码。钥匙齿形编码示意图，如图2所示。图中采用三角形单元，实际应用采用的是梯形单元编码可以降为一维数组。

参数定义:

齿数--冲压的次数，现假使为5。

齿距--冲压时，Y方向的每次移动的距离。

级差值冲压时X方向移动一个单位时的距离。

级差数--冲压时，X方向的移动单位。

当选定齿距和级差值后，钥匙的齿形加工位置可以转换为级差数最后齿形编码为一维数组((2 1 3 2 1)。由以上可知数字化编码是单元冲模快速成形的关键，合适的编码不仅可以提高生产效率，而且可以节省存储内存。

3 快速成形的结构设计

目前，大部分中小型企业尚不具备购买高档数控冲床的经济实力，数控单元冲压模具可以直接安装在普通冲床上作为简易数控冲床来使用。

快速成形模具机构示意图如图3所示。上模为凸模机构。光电头安装在上模板下方以检测凸模的起落。坯料的装夹要根据不同的需要进行设计。料板由步进电机控制丝杠分X,Y方向驱动。下模为凹模机构，直接安装在工作台上。

4 快速成形的控制系统设计

4.1 电机驱动及选用

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，

共有3种:永磁式、反应式和混合式。混合式集中了前二种的优点，从性价比方面进行综合考虑，拟选用步进角1.8º的两相混合式步进电机。

驱动器的型号、种类较多，细分型为考虑对象。因为细分型可消除电机的低频振荡，可提高电机的输出转矩及分辨率。顾及速度和精度细分系数定为4。

4.2 系统硬件设计

数控单元冲模是安装在曲轴式压力机上的，机床的冲压原理不变。需要控制的是两方面内容:首先要确定零点以及各工位点的位置;其次在上冲模往复动作的启停间被加工件的按编码所得的X,Y方向的快速进给送料运动以及这两个动作的协调。即实现冲压和送料动作的同步控制。控制系统框图，如图4所示。光电信号检测电路图，如图5所示。

数控系统的人机界面采用键盘输入LED显示键盘具有数字键、设定、修改、查寻、X及Y方向的调整、执行等的功能键，可用来完成加工程序的输入、修改及对控制的操作和调整等。操作人员根据被加工件的形状在计算机上进行编码，自动生成加工程序，通过串行口将加工程序下载给单片机并且保存在FLASH ROM中。工模安装后手动调整零位。进入执行后单片机从FLASH ROM中取得加工程序，并计算X,Y方向的步进距离后再将其转换成相应的步进脉冲数控制X,Y方向的步进电机的转动步数。当光电信号检测到上模位于开启位置时数控系统迅速将待加工件定位到加工位置，并且启动冲床上冲模下压，实现一次冲压。在冲床带动上冲模开启时数控系统迅速地将待加工件移动到下一加工位置等待下次冲压，直到完成加工停止冲床运动。

4.3 系统软件设计

整个系统由上位机来管理。系统软件语言采用Visual Basic 6 .0编制其集成开发环境(IDE)集设计、修改、调试、生成等功能于一体，人机交互界面十分友好。它是功能强大的Windows环境下的编程语言简单易学可视化程度高。

系统软件结构采用模块化结构，共有5个功能模块:系统开机后进入Windows界面双击“数控单元冲模”图标，即弹出应用界面，可选择功能模块。系统软件功能模块图如图6所示。

编辑模块用来完成用户对所设定的参数组进行操作的程序的编辑、修改、生成。

参数设定模块将输入的参数组制成数据表，送入数据库以备程序的调用。

运行管理模块负责程序的运行、中断。

通信模块负责上、下位机之间的通信管理，就是将控制程序段及调用的参数组使用MSCOMM控件，通过RS232串行口送入单片机使单片机执行控制工作。

查询模块。方便用户对已存文件的查看与调用。

单片机的程序也采用模块化结构，与上位机一样共有5个功能模块通过通信接口接受上位机的输入指令，控制X,Y方向步进电机的运动。也可以脱离上位机直接控制运行。上位机通信程序流程图，如图7所示。下位机通信程序流程图，如图8所示。

5 结束语

汽车覆盖件冲压成形及其仿真研究 第3篇

汽车覆盖件的质量要求

一般而言, 根据设计的要求, 汽车覆盖件冲压成形应满足如下的要求:

(1) 尺寸精度高汽车覆盖件必须有很高的尺寸精度, 以保证焊接或组装时的准确性、互换性, 便于实现车身焊接的自动化和无人化。

(2) 形状精度高特别是对于汽车的外覆盖件, 要求具有很高的形状精度, 必须与主模型相符合。

(3) 表面质量好外覆盖件 (尤其是轿车) 表面不允许有波纹、皱纹、凹痕、擦伤、压痕等缺陷, 棱线应清晰、平直, 曲线应圆滑、过渡均匀。

(4) 刚性好覆盖件在成形过程中, 板料应有足够的塑性变形, 以保证零件具有足够的刚性, 使汽车在行驶中受振动时, 不会产生较大的噪声, 减轻驾驶人员的疲劳, 更不能因振动而产生早期损坏甚至空洞。

(5) 良好的工艺性良好的工艺性是针对产品设计结构而言, 即在一定生产规模条件下, 能够比较容易的安排冲压工艺和冲压模具设计, 能够最经济、最安全、最稳定地获得高质量的产品。

汽车覆盖件的成形特点

汽车覆盖件毛坯的绝大部分变形在拉延工序中完成, 成形过程和成形后出现的产品缺陷也多与此工序设计不当有关, 故在覆盖件成形研究领域和实际的成形过程设计中, 核心的研究对象是拉延成形工序。汽车覆盖件的拉延过程与简单形状零件相比有许多不同的特点, 具体可总结如下:

(1) 多为一次拉延成形由于汽车覆盖件结构复杂、成形途径多种多样, 其变形规律难以定量把握, 以目前的技术水平还不能进行多次拉延工艺参数的确定;而且对外覆盖件来说, 多次拉延易形成的冲击线和弯曲痕迹线也会影响喷漆后的表面质量。因此, 汽车覆盖件拉延成形尽可能一次完成。

(2) 多为拉深、胀形的复合过程汽车覆盖件成形过程中毛坯变形并不是简单的拉深, 而多是拉深和胀形同时存在的复合成形。

(3) 成形过程中常伴有多处局部成形由于车身的美观性和功能性等特殊需要, 很多覆盖件整体轮廓内部带有局部形状特征, 这对成形控制技术提出更多更高的要求。

(4) 动态变化的变形路径毛坯在拉延过程中的运动是一个逐步贴模的过程, 其间使板料保持塑性变形的成形力不断发生变化, 即毛坯各部位的板面内部平面主应力方向与大小及主应力之比等不断变化, 内部毛坯材料主应变方向和大小及主应变之比等也随之不断改变, 故毛坯材料在拉延过程中的路径也不断变化。

汽车覆盖件冲压成形缺陷分析

由于影响冲压成形过程的因素很多, 往往不能精确地控制材料的流动, 导致冲压成形过程中会产生多种多样的缺陷, 影响零件的外观、几何精度、表面质量和力学性能。总结起来, 汽车覆盖件冲压成形的主要缺陷有起皱、破裂和回弹。

1. 起皱

起皱是压缩失稳在板料冲压成形中的主要表现形式。板料在冲压成形时, 为使金属产生塑性变形, 模具对板料施加外力, 在板内产生复杂应力状态。由于板厚尺寸与其他两个方向尺寸比较起来很小, 因此厚度方向是不稳定的。当板料的内应力使板厚方向达到失稳极限时, 板料不能维持稳定变形而产生失稳, 这种失稳形式称为压缩失稳。

起皱发生时, 皱纹的扩展方向与压力垂直, 但是不能认为所有的起皱都是因压应力引起的。在板料冲压成形过程中产生的起皱多种多样, 一般可以分为压缩力、剪切力、不均匀拉深力及板平面内弯曲力等四类, 如图1所示。

2. 破裂

破裂是拉深失稳在薄板冲压成形中的主要表现形式。在板料成形过程中, 随着变形的发展, 板料的承载面积不断减小, 其应变强化效应却不断增加。当应变强化效应的增加能够补偿承载面积缩减时, 变形稳定地进行下去;当两者恰好相等时, 变形处于临界状态;当应变强化效应的增加不能补偿承载面积缩减时, 即越过了临界状态, 板料的变形将首先发生在承载能力弱的位置, 继而发展成为细颈, 最终导致板料出现破裂现象。

3. 回弹

汽车覆盖件冲压成形过程含有大量的弯曲与反弯曲变形, 当成形结束时, 在毛坯体积内, 尤其是板料厚度方向上存在着残余应力。未脱模时, 这些残余应力与工具的接触力保持平衡关系。当工具被释放后, 拉延件将寻找新的应力平衡位置, 即局部应力的释放, 随之导致成形件的最终尺寸与预期尺寸之间存在一定的偏差, 产生回弹现象 (见图2) 。

传统的覆盖件冲压生产存在的问题

汽车覆盖件冲压是使用模具生产的, 传统的设计与制造模式都是人工设计绘制二维图形, 然后进行加工, 出现问题后由工人凭借经验修改模具, 修改后再进行试模。在整车开发过程中车身覆盖件及其模具的设计与制造周期占整车设计与制造过程的60%左右。据调查, 大型覆盖件模具的调试周期一般需要1~2个月, 试模费约占模具总费用的22.7%, 其中模具修正费占20.7%, 冲床使用费和材料费2.0%。当前的覆盖件冲压生产调试周期长、生产费用高, 导致覆盖件成形的生产效率低, 产品投放市场的周期长, 不利于新车型的研发。

汽车覆盖件冲压仿真的分析方法

随着计算机的应用和发展以及有限元方法的成熟, 近年来发展了板料成形仿真技术, 该技术在减少甚至取消试模过程、缩短产品开发周期、降低开发成本方面发挥了越来越重要的作用。在板料冲压成形有限元分析中, 当仿真结果出来后, 要对零件起皱、破裂、成形不充分等成形缺陷进行工艺性分析, 根据经验制定相关解决方案, 包括调整等效拉伸筋参数以及工艺补充, 再进行仿真分析。而板料成形性能的成形极限图是进行结果分析的主要手段。

1.成形极限图概述

2 0世纪6 0年代国外学者Keeler和Goodwin分别用实验方法建立了评价板料成形性能的成形极限图 (Forming Limit Diagram, 简称F L D) , 在F L D图 (见图3) 中, 以两向平面应变状态1和2为坐标, 包含一条由“拉-拉”和“拉-压”应力状态下的所有成形极限点构成对应材料的成形极限曲线 (Forming Limit Curve, 简称F L C) 。成形过程及成形后的板料各点平面应变如位于F L C以内, 表示该点变形状态安全, 反之, 若位于F L C以外, 则该点所处区域材料破裂或起皱 (与起皱极限对应的FLD也可称为Wrinkle Limit Diagram, 简称WLD) 。

2. 成形极限图的作用

成形极限图对板料冲压成形起者十分重要的指导性作用, 具体概括如下:

(1) 可以用来预测设计工艺规程的危险性。

(2) 可以看出成形过程中可控因素变动时对变形效果的影响, 进而有目的地进行调整, 使得成形过程得到优化。

(3) 可以对成形过程进行观察与监控。

3. 成形极限图的显示方法

目前大多数商业有限元分析软件都将成形极限图 (F L D图) 作为板料成形数值仿真分析的主要手段。采用成形极限图分析时, 需要预先建立板料的理论成形极限图, 然后将板料单元的应变状态与理论成形极限图对比, 进行云图显示, 通过与颜色条的对应关系可以直接观察到哪些单元位于破裂区域、起皱区域或危险区域。如果进入了破裂区域, 则可认为板料出现了破裂, 根据有限元模型上破裂单元的位置直接寻找到实际零件的破裂位置, 真正达到了有限元仿真分析的目的。

冲压成形仿真实例及分析

本例主要是应用成形极限图对冲压仿真结果进行分析, 如图4所示的是笔者对某型号汽车上的覆盖件进行冲压成形仿真后所得到的成形极限图。从图4中可以很直观地发现, 在一些红色的区域有破裂, 在边缘四周区域有起皱。破裂区域的单元或节点位于零件的上下两端的内壁, 以红色显示, 对应于成形极限图中黄色的成形极限曲线上破裂区的红点。在两条成形极限曲线之间的部分是过渡区, 位于该区域的单元和节点处的板料存在破裂的可能。绿色的部分表示的是正常的变形区域, 是安全的。蓝色的区域是拉压变形区, 属于安全的变形。起皱区域的单元或节点用粉红色表示, 在零件的边界和左边, 对应于成形极限图中左下方的起皱区内的点。

仿真研究表明该冲压件存在明显的破裂区域, 是不可以用于成形加工的, 必须通过修改工艺方案或工艺参数, 使所有的点都位于临界区域以下的安全区域内。

冲压成形 第4篇

现代汽车的造型既要符合空气动力学特性又要满足审美观的变化, 这些都要求汽车车身造型技术不断更新和提高, 从而造成汽车覆盖件日趋复杂。车身内外覆盖件及加强板、连接板等金属冲压件是汽车的重要部件, 但是这些冲压件在冲压过程中产生的回弹对汽车的密封性能、汽车的装配质量乃至汽车的安全性能都有重大影响, 从某种意义上讲, 汽车覆盖件的制造质量将制约汽车的档次、质量、周期及其改型换代, 甚至直接影响汽车在市场上的竞争力。

汽车覆盖件冲压成形时产生回弹缺陷的原因十分复杂, 表现形式也不尽相同, 这给抑制对策的研究带来了很大难度。传统的以成形极限为基础的成形方式在高精密度汽车覆盖件生产中存在诸多问题, 如作为影响尺寸精度的定形性方面的缺陷就显得十分突出。随着计算技术的发展, CAE技术在对零件和产品进行仿真检测、确定产品和零件的相关技术参数、发现产品缺陷、优化产品设计等方面都有着广泛的应用。应用CAE技术进行高精密度汽车覆盖件冲压成形回弹研究及控制, 是解决回弹缺陷的有效途径, 特别在提高回弹分析的计算精度方面显示出明显的优越性。

1 面外变位形成机制

1.1 分析模型的建立

汽车覆盖件以空间曲面结构为主。与一般的薄板拉深件相比, 总体尺寸大, 材料相对厚度小, 形状复杂, 尺寸精度、表面质量要求高;同时, 在成形时影响毛坯变形的因素又很多, 如冲模结构和参数、材料性能和质量、冲压设备性能、润滑等。车身覆盖件的成形过程涉及几何非线性、材料非线性和复杂的接触与摩擦等问题。高精密度汽车覆盖件在冲压成形过程中, 板材承受成形载荷, 但由于成形形状、成形条件以及摩擦等因素的影响, 其面内应力呈不均匀分布状况。冲压成形在这种应力分布不均匀的状态下卸载, 回弹将出现。一般情况下, 回弹量随材料强度、模具间隙及弯曲半径的增加而增加, 随板厚的增加而减少, 而材料的各向异性将导致各处的回弹量不同。如果不能有效地控制回弹量, 就会影响高精密度汽车覆盖件的尺寸精度和形状精度。

为了研究高精密度汽车覆盖件冲压成形时的回弹, 假设以成形体上两个相互毗近的元素为研究对象, 分别把它们称为A、B区域, 如图1。设成形中的膜应力、线长以及拉伸方向的曲率半径分别是

1.2 冲压成形的面外变位形成机制

汽车覆盖件冲压成形是由弹性变形过渡到塑性变形的, 在塑性变形中依然有弹性变形存在。当卸除外载时, 覆盖件外层纤维因弹性恢复而缩短, 内层纤维因弹性恢复而伸长, 结果使覆盖件的曲率和角度发生显著的变化而与卸除外载之前不一致, 从而引起回弹。

(1) 由弹性回复时的膜应变引起的失稳与线长相比较, 曲率半径非常大时, 卸载后的线长收缩与加载时在同一平面内产生。由弹性回复引起的膜应变如图2。

由图2看出, 成形时应力小的区域卸载后将产生残余应力, 反之亦然。当这个残余应力的绝对值小于失稳抗力时, 它将以残余应力的形式留在成形体中;当残余应力大于失稳抗力极限时, 将出现失稳而导致面外变位。一般情况下, 汽车覆盖件冲压成形时的残余应力总是小于屈服应力, 所以这种面外变形现象只是弹性失稳。

(2) 弹性回复线长差引起的曲率变化。当线长与曲率半径相差不大时, 图1模型中的A、B两区域在卸载时由于线长减小而向新的曲面移动, 当卸载后周围约束力小而被忽略时, 可以认为A、B间的线长差是由曲率半径差产生的。

(3) 不均匀的弹性回复力矩所产生的面外变形。汽车覆盖件冲压变形后将成形力卸去时, 成形体中弯曲变形部分的塑性弯矩被放开, 由于成形应力在板面内分布不均匀或者截面曲率变化较大, 使得其中的弹性回复部分弯矩在成形体面内分布不均匀, 从而导致了面外变形。

1.3 二次成形产生的面外变形机制

汽车覆盖件板材一般在经过第一次成形后, 还要经过切边、翻边等二次成形工序才能成为成品。板材在二次成形时将可能附加或消去一些力矩, 而力矩的变化或应力的重新分布将再次导致新的面外变形。

(1) 切边引起的残余应力释放。通常汽车覆盖件在冲压成形后, 成形体的凸缘、侧壁等区域将有残余应力存在。二次成形中, 将有一部分被切除或者形状发生变化, 这样就使残余应力得以释放, 应力的重新分布将诱发新的力矩出现。这个力矩的作用使得抗刚性较小的成形件底部的曲率发生变化, 导致面外变形发生。

(2) 翻边引起的附加弯矩。汽车覆盖件成形体经常在剪边后进行卷边或者翻边等弯曲变形工序。当弯曲线非直线时, 伴随着凸缘的伸缩变形, 板内很容易出现不均匀的弹性回复弯矩。当弯曲线是直线时, 由于弯曲线两端的弯曲矩不连续或由于一次成形时加工硬化现象的产生等, 弯曲周边板面内产生不均匀弹性回复矩, 导致面外变位。

2 回弹CAE分析方法

2.1 影响高精密度汽车覆盖件回弹量的因素

(1) 材料力学性能:回弹量大小与材料的屈服强度成正比关系, 与材料的弹性模数成反比关系。

(2) 变形区域:变形区域愈大, 回弹量亦大。变形区域的大小与弯曲件形状和弯曲角α有关。

(3) 压制方法:冷压比热压回弹量大;冷压自由弯曲比冷压校正弯曲回弹量大。

(4) 相对弯曲半径r/t:在其他条件相同情况下, 弯曲半径与板厚之比值增大, 回弹量也相应增大。

(5) 板厚与模具间隙:一般情况下, 回弹量随板厚的增加而减少, 随模具间隙的增加而增加。

(6) 校正弯曲时的校正力:校正力小, 回弹量大;增大校正力可以减少回弹量。

此外, 材料的成分偏析、钢板的纤维方向、热处理时各部位受热状况、材料厚度偏差等都可能影响回弹量。

2.2 高精密度汽车覆盖件回弹分析与计算的CAE技术

本文以ANSYS/LS-DYNA软件为研究平台。

(1) 高精密度汽车覆盖件回弹CAE分析与计算工作流程 (如图3)

(2) 高精密度汽车覆盖件回弹CAE分析与计算实例

a.工件参数和边界条件

工件参数:如海马车侧壁上内板, 材料采用日本标准SPCC, 厚度0.9 mm, 杨氏模量E=202 MPa, 泊松比υ=0.32, 密度ρ=7.6106g/cm3, 硬化系数K=0.57 MPa, 硬化指数n=0.238, 各向异性指数r0=1.67、r45=1.32、r90=2.32, 硬化曲线σ=K (ε0+εp) n。

边界条件:摩擦因数μ=0.125, 压边力350 kN。

b.试验与数据

首先是三维数据的导入。利用Pro/E设计软件对数学模型进行整理, 确定相关材料、板厚及其偏置方向等相关参数, 避免存在重叠面、尖角、漏洞等现象, 包括冲压方向、工艺补充面等, 而后导入Dynaform分析软件中。为了得到均匀规则的分析网格, 提高分析精度, 要进一步检查片体是否存在负角, 并对局部尖角部位进行型面光顺。然后设置当前层, 进行网格划分, 分别建立有限元凹模、压料圈和毛坯模型。以海马车侧壁上内板 (如图4) 冲压为例。该侧壁上内板采用多步冲压过程完成, 包括了拉深、修边冲孔、整形翻边3道典型的冲压工序。对多步冲压过程进行数值模拟时, 在每道工序结束后都考虑了板料的回弹, 然后将回弹模拟的结果输入下一道工序。图5为拉深后及拉深回弹后的等效应力分布。图6为修边冲孔后及修边冲孔回弹后的等效应力分布。图7为整形翻边后及整形翻边回弹后的等效应力分布。

c.试验结果分析

从图5～图7可以看出, 在各道工序后的回弹模拟中, 板料上绝大部分的节点都处于卸载状态, 但在部分节点附近的区域出现了局部加载的现象, 如图5b中的区域a、图7b中的区域b。这是因为回弹虽然属于小变形非线性问题, 但本质上是从复杂的全应力转向弹性卸载的过程。这是一个非常复杂的过程, 不同于一般的弹性变形计算。

利用CAE技术进行高精密度汽车覆盖件回弹分析时, 仿真模型的单元尺寸、材料参数和等效拉延筋模型、回弹分析中参数选择、冲压成形过程仿真结果的精度等都将直接影响回弹分析结果的精度。在高精密度汽车覆盖件的冲压成形中, 由于回弹分析时模型中只有板料, 没有接触与摩擦, 也没有大位移、大转动、大变形等复杂情况, 应该说回弹分析本身对于回弹结果精度的影响是有限的。也就是说, 只要规范相关参数的选择, 回弹分析本身是不会出现大的离散度现象的。

通常冲压成形时弯曲回弹量计算公式如下

式中, rp为回弹前弯曲件的半径, m m;r为回弹后弯曲件的半径, m m;σs为板料的屈服极限, MPa;E为板料的弹性模数, MPa;t为板料的厚度, mm。

图8为计算回弹量与实际回弹量对比。从图8反映的情况看, 实际回弹量曲线与计算回弹量曲线形状相似, 说明公式计算基本表达出冲压成形时的回弹规律。曲线的斜率随着弯曲半径的增大而增加, 说明回弹量增加的幅度超过弯曲半径增加幅度。计算回弹量与实际回弹量的误差也随着弯曲半径的增大而增加, 相差值随之增大, 但对厚的板材, 如本案例0.9 mm厚SPCC钢板, 特别是在大弯曲半径时, 回弹量的偏差更加明显。此时, 采用有限元分析和CAE进行冲压成形回弹分析, 其精确度就明显显示出来。试验证明, CAE模拟分析技术在冲压成形过程中具有很强的准确性、直观性。

2.3 高精密度汽车覆盖件回弹的控制

高精密度汽车覆盖件冲压成形中的回弹是覆盖件质量控制最棘手的问题, 主要体现在回弹量大小的精确计算和控制上。由汽车覆盖件冲压成形回弹的面外变位形成机制可以看出, 不同类型的面外变位形成机制虽貌似各异, 但究其根源都是成形应力分布不均所致;材料的屈服应力、模具间隙以及板料厚度是影响弹性回弹的主要因素。由此可见, 在汽车覆盖件冲压成形时控制成形应力分布问题才是抑制回弹缺陷的根本。如果不能有效地控制回弹量, 就会影响冲压件的形状质量。从上述实例可以看出, 利用CAE技术对高精密度汽车覆盖件冲压件的回弹量进行精确预测, 对模具设计、边界条件设置、工艺参数的确定等都有很重要的指导意义, 可以将回弹量控制在允许的范围之内。例如, 对于形状简单汽车覆盖件, 可用“两次弯曲”法消除, 即首先采用大的弯曲半径进行初始弯曲, 然后用要求的小的弯曲半径进行二次弯曲;或用“过弯”法消除, 即减少弯曲夹角, 使零件产生过分弯曲以补偿其回弹量。

3 结论

(1) 汽车覆盖件冲压成形过程中产生弹性回弹是不可避免的。高精密度汽车覆盖件回弹问题十分复杂, 影响因素多而复杂, 且相互影响、相互制约, 加上实际生产条件的复杂多变性, 使问题变得更加难以把握。基于经验和反复工艺试验的回弹控制方法显然无法满足这样的要求。

(2) 在高精密度汽车覆盖件冲压成形过程中采用有限元分析和CAE进行回弹分析, 能够较为准确地掌握覆盖件弯曲弹性回弹的规律, 找出影响弹性回弹的主要因素。

冲压成形 第5篇

Dynaform软件是美国ETA公司与LSTC公司合作开发的针对板料成形数值模拟的专业化软件,该软件能模拟拉延、多步冲压、压边、弯曲、回弹、液压成形,进行模具设计等,可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间及试模周期。

一、方形盒冲压成形工艺

方形盒可以看做由直边及圆角部分组成,拉深变形时,圆角部分近似圆筒形件的拉深,直边部分近似板料弯曲,但方形盒的圆角及直边是联系在一起的整体,因而变形时必然又相互的作用及影响。在拉深时,圆角部分的材料向直边部分流动,使直边部分材料受压,横向间距缩小,愈靠角部缩小愈多;纵向间距增大,愈靠转角处增加愈大。同时,圆角部分的材料也向直边部分流动,因而直边部分也增加了横向压缩、纵向伸长的变形,又由于直边区存在金属的流动,使得圆角部分的变形程度大为减小。设计流程如图1所示。

二、方形盒冲压成形仿真

1. 模型导入。

在Pro/E中建立凹模及板料模型,凹模尺寸102.2mm102.2mm,凹模圆角尺寸10mm,保存成.igs格式,再导入Dynaform软件中生成模型。

2. 网格划分。

在Preprocess模块中的Element/Surface Mesh对话框中对坯料和凹模分别设置Max.Size为1.750 0和5.00,并选择Surface为Displayed Surf,其他保持默认完成网格划分。划分好网格后用Preprocess/Model Check/Repair命令对网格进行检查,主要检查模面是否完整,是否有重叠、漏洞,网格的法线方向是否一致,并修复有缺陷的单元。

3. 模型生成。

利用Dynaform中的Quick Setup/Draw Die快速建立模型。选择单动(Single action),下模采用(UpperTool Available)拉延类型;在Material/Material Library中选择坯料为DQSK37,Thickness数值为1.00;再依次定义坯料(Blank)、压边圈(Binder)、凹模(Die)、拉深筋(Draw Bead),设置材料及工具运动的相关参数。图2为完成快速设置后的模型,最后提交LS-DYNA进行求解计算。

4. 仿真结果。

在Dynaform的Post Process中,以云图、等值线等形式显示数值模拟结果。在FLD成形极限图用7种颜色来区分7个不同的安全或失效区域,其中圆角处黄色为破裂危险点,蓝色表示有起皱趋势,粉色处为已起皱,洋红为已严重起皱。

经过修改压边力、凸模行程、凸模圆角半径等工艺参数,进行大量的反复模拟试验,得到当压边力大小在180k N~250k N,凸模圆角半径在12mm左右,拉深行程为25mm时对低碳钢进行拉深时仿真结果可靠,如图3所示。

三、结论

1. 利用Pro/E软件进行CAD建模,并导入Dynaform中生成冲压成形过程中所需的凸凹模、板料和压边圈等模型,经过相关设置完成了该方形盒的冲压成形仿真。

冲压成形 第6篇

引擎盖板是现代工业中的一种常见零部件,其应用非常广泛,需求量也很大。在很多场合对加工精度和加工效率都有较高的要求。采用磨削加工的方法虽然精度较高,但速度较慢,尤其是其加工过程还分为精磨过程和细磨过程,因此加工成本一直居高不下。而冲压成形技术也是一种非常典型的工件加工方法。其采用冲压力的作用下,使板料在模具的作用下发生变形,并最终获得一定形状、尺寸特点的加工工件。冲压成形的工件加工精度主要有加工模具所决定,如果加工模具的精度足够高,并且冲压力控制合适,那么生成的加工工件完全能够达到用户需求的指标。

1 引擎盖板模型分析

1.1 引擎盖板材毛坯

在设计轿车引擎盖冲压件之前,为了有利于产品的成形,同时也为了提高加工材料的利用率,往往需要将毛坯材料减裁成与加工件形状类似的毛坯。根据引擎盖的基本形状特点,本文在设计过程中选择的毛坯形状如图1所示。

1.2 引擎盖板工件冲压方向研究

由于引擎盖板的形状并不规整,因此在加工过程中需要根据零件的形状和尺寸特点,调整冲压方向。本文按照传统的冲压件加工经验,对引擎盖板的数模进行适当的转换,位置转换的过程就是冲压方向的调整过程。通过AUTOCAD软件

提供的软件建模功能,将加工件进行建模并导入系统,然后再通过不断地调试和优化后,获得最佳的冲压方向。

1.3 冲压工艺补充

冲压工艺补充是冲压件成形过程中的一道重要工序,这一步骤主要解决工件在冲压过程中变形、拉伸所带来的影响。因为在引擎盖板冲压过程中,有些部分的形状、轮廓或者凹凸深度的特殊要求,使得加工毛坯达不到预期要求。因此需要设计拉伸件,对原毛坯进行设计补充后才能进行冲压。冲压工艺补充设计的合理与否直接影响到成品工件是否会出现变形、破裂起皱等异常现象。在设计这一工艺式,主要遵循的原则是零件边界唯一的原则,并确保采用冲压工艺补充后,工件拉伸的形状和结构尽可能简单易于操作,且与加工工序一致,不会增加额外的加工负担。如图2为模具冲压工艺补充示意图,图中给出了凹凸模与压边圈之间的位置关系,压料面是指模具中凹模圆角之外的区域,且当工件在拉伸开始时,凹模与压边圈压住毛坯的地方,这是引擎盖板模具设计过程中需要特别注意的地方。

1.4 引擎盖板毛坯材料参数

根据引擎盖板模具的形状特点、凹模、凸模、压边圈与板料之间的现对位置、压边力的计算参数和拉伸强度要求,本文选择的毛坯材料为镇静钢St14,以这种材料做模具毛坯,其相关参数如下:

质量密度:ρ=7.83*103Kg/mm3

杨氏模量:E=260GPa

厚向异性系数:r0=1.8

屈服应力强度:σ=200MPa

泊松比:ν=0.3

材料强化系数:K=600MPa

2 引擎盖板成形技术

为了能够对引擎盖板进行模具生产,首先需要对引擎盖板实体建模成形。通过对实体的成形和建模技术,可以将引擎盖板实体的形状结构用具体数据表描述出来,并能够在此数据表的基础上,方便实现模型的生成、修改、组合、仿真等功能。建模的方法和效率直接影响到最终实体生成的效果和引擎盖板模具的实用性。不同的建模方法所建立实体模型对加工过程的实际加工效果有不同的影响。为了提高加工速度和精度,需要选取合适的加工模型。本文综合考虑了效率和精度两方面的影响,主要采用基于曲面成形技术的建模方法。

引擎盖板模型成形过程中,主要采用曲面成形技术进行生成,用一些经典的曲线和曲面函数去模拟和逼近引擎盖板实体形状,例B样条曲线、贝兹尔曲线等。如果构件的实体模型非常复杂,在一些局部还可以采用多条曲线、曲面通过相交、互补的方式加以生成。该方法通过指定实体之间的并、交等操作从而生成新的实体。大部分情况下,任何复杂的实体都可以用比较简单的规则物体经过相关的集合运算得到结果。为了更形象地表示物体的实际形状,常用树的结构描述实体数据。例如,用叶子节点表示基本实体形状,而非叶子节点则通过叶子节点的一定运算得到。整个过程如图3所示。

本文在生成引擎盖板实体模型时,总共定义了以下几种基本实体结构:长方体、球体、圆柱体、圆环体和圆锥体。对每一个实体,从二维空间定义一条或者一组曲线作为该实体的旋转基准线,以此线绕一参考方向做空间旋转,即得到实体的基本形状。

在此条件下,引擎盖板所表示的形式为:

连杆休结构=基本形状的叶节点<布尔运算><几何变形>

采用这种方式表示的引擎盖板实体模型具有结构清晰,数据量相对较小,表示的实体模型精度高,易于仿真和参数化修改,因此具有较好的可扩展性。

3 Pro/E中模具设计过程

3.1 Pro/E用户化基础对象引擎盖板模具的创建

Pro/E中的引擎盖板模具可分为模型模具和引擎盖板加工图模具。其中,模型模具是标准的Pro/E模型,包括预定义的层、参数、基准、基本特征、视图列表及其它属性和用户参数等。引擎盖板加工图模具是为加工图页面而定制的标准版式,包括图框外阔尺寸、表、格式、注释、参数化标识等。用户标准模型模具的创建,要求依据产品特点结合用户共性需要,确保设计工作的统一性和规范性,并尽可能地减少重复工作。

在创建用户标准模型引擎盖板模具应包含以下设计参数:

1)创建含自定义名称的基准参考面及基准轴,同时创建用户常用的视图列表。该参数的设定,不仅方便了设计者在建模及装配过程中识别基准参考,而且还简化了从视图列表中选取定义好的视图表达方式,更有利于在加工图中清晰显示出零件或组件视图的几何中心线。

2)设定Units(单位)、Density(密度)。该参数是针对设计对象的最基本物理信息的描述,单位可采用国内标准:时间(秒)、质量(公斤)、温度(度)长度(米)。密度可设置为:7.85e-006,即常用黑色金属材料的平均密度,当产品选用其它材料时,也可以适当修改密度。

3)设定其它用户设计参数。在Pro/E中,设计信息应由用户通过创建参数的方法来描述,操作路径为:Parameters(参数)>Create(创建)。如果是模具设计,则至少需创建以下参数:图号(char型例TH)、名称(char型例MC)、材质(char型例CZ)、重量(float型例ZL)、序号(integret型例XH)、类别(char型例LB,用于区分是否为标准件)、装配图(char型例ZPTH)、技术要求(注释型例JSYQ)等。其中部分参数需进行技术处理,例重量(ZL)要用Pro/E的Relations(关系)来实现,即ZL=MP_MA SS(""),MP-MASS(质量)为Pro/E的内部系统参数。

3.2 引擎盖板加工图模具创建

引擎盖板加工图模具是为加工图设计而定制的版式,它包括图幅、角标栏、标题栏、明细标、装配栏、公司标识等。从组成细节上看,引擎盖板加工图模具是由注释文本、符号、表和手绘几何体构成。Pro/E的加工图模式为用户提供了基本功能,零件加工图和装配加工图都与三维模型双向相关,当修改了零件模式或装配模式中的模型后,系统将会自动更新加工图。

在Pro/E中创建模具文件是以*.frm格式存在的,也就是新建文件对话框中的Format选项。用户创建自定义加工图模具需完成以下工作:

1)在草绘模式下,依据国家标准或自定义标准创建不同幅面的草绘(例A1、A2等),并绘制角标栏、标题栏、明细表、装配栏等各种表的粗实线体部分。

2)创建新的引擎盖板加工图模具。为了识别方便,可取名为Al-asm、Al-prt等。然后打开Retrievs Section(选取截面)对话框。选取已绘制的草绘截面(前文A1、A2等)。

3)利用Pro/E的Table功能创建角标栏、标题栏、明细表等加工图标。

4)指定用户属性,在表中添加参数化标识,该标识包括用户设计参数和系统内部参数等。

4 结论

冲压成形技术是一种常用而高效的加工方法。文章通过对连杠体的冲压模具设计研究,是设计连杠体冲压CAD系统的关键环节,并且本文研究的冲压模具生成过程和实体模型的表示表示同样也适用于类似的其他工件。不过需要注意是在冲压模具加工过程中,当加工原料强度很大、加工尺寸超常的情况下,则需要对加工工艺进行研究和改进,以获得最佳的加工效果。

参考文献

[1]张发云,任华,闫洪.CAE技术在管材冲压扩口成形中的应用[J].锻压技术.2009,34,(2):35-37.

[2]陆怀民,窦美霞,张清淼.汽车覆盖件冲压工艺性的研究与应用[J].汽车技术,2009,(1):58-61,44.

[3]王可胜,刘全坤,李文胜.五金冲压件中定位柱的冲锻成形研究[J].模具制造,2009,(5):23-25.

[4]吴永明,陈航军,王俊军,姜莉莉.基于多色集合的冲压模结构的方案设计[J].机床与液压,2009,37,(4):7-10,61.

[5]李佳胜,制动器保持架冲压成形工艺及模具设计[J].模具工程,2009,(4):83-85.

冲压成形 第7篇

汽车工业的发展面临着能源, 环保和安全这三大课题越来越严峻的挑战。因此, 减轻汽车自重以降低能耗成为各大汽车厂关注的焦点。而减轻汽车自重的关键是使用轻质材料。其中铝及其合金由于具有资源丰富, 质量轻, 弹性好, 比强度和比刚度高, 抗冲击性能好, 良好的加工成形性等一系列优良特性, 成为汽车轻量化最理想的材料。

6061铝合金属于Al-Mg-Si-Cu系, 是一种典型的可变形热处理铝合金, 具有良好的加工, 焊接性能、抗蚀性, 中等强度和良好的塑性, 在热态和冷态都易于加工成型, 因而具有很好的综合性能。常用于制造中等载荷零件、形状复杂锻件, 在航空、船舶和汽车等领域有广泛的应用[1]。本文通过力学性能试验、杯突试验和计算机仿真技术研究了6061铝合金的成形性能, 得出了影响成形的基本参数;并对比分析了6061铝合金与6010铝合金板材在成形性能的差异, 为铝合金在汽车领域的开发与应用提供一定的指导。

1. 试验方法

用6061铝合金1.0mm厚冷轧板作为实验材料。按GB/T 16865—1997沿板材轧制方向制取拉伸试样, 在室温条件下, 单向拉伸试验按照GB/T 228—1987在WDW-100型微机控制电子式万能试验机上进行;应变硬化指数n的测定方法按照GB5028进行;使用JSM-6700F型场发射扫描电镜 (日本电子) 对拉伸试样的断口形貌进行观察;使用GBS-60型数显半自动杯突实验机对6061铝合金板进行杯突试验, 具体样品尺寸、模具规格、试验条件、数据处理等均分别按照国家标准GB415-84规定要求进行。

2. 结果分析与讨论

2.1 常温力学性能试验

薄板的单向拉伸试验是获得研究板料机械性能数据的最基本、也是最重要的试验方法。一般, σ0.2小的材料容易屈服, 即材料在较小的应力下就容易流动, 成形后回弹小, 贴模性和定形性较好;σb愈大, 冲压成形时零件危险断面的承载能力愈高, 其变形程度愈大。在材料与成形性能有关的其他性能大致相同时, σb大的材料, 其综合成形性能好。而材料的屈强比σ0.2/σb则反映了材料从发生塑性变形到断裂时的变形能力。屈强比σ0.2/σb的值越小, 板材由屈服到破裂的塑性变形阶段长, 抗破裂性好;δgt表示板料产生均匀的或称稳定的塑性变形的能力, 它直接决定板材在伸长类变形中的冲压性能。δgt值越大, 材料塑性变形的能力也越好。试验得到的6061铝合金的工程应力——应变曲线如图1所示。

应变硬化指数n表示在塑性变形中材料硬化的程度, 它在成形中的作用是:当板材某点应力较其邻近部分大时, 其较大的应变由于应变强化, 增加了抵抗进一步变形的能力, 故有将变形转移到邻近部分的作用, 延缓了该点缩颈的出现, 使较大的板面有更为均匀的应变。以拉为主的零件成形时, n值小的材料, 由于变形不均匀, 变形大的部位又不能迅速硬化, 易于产生裂纹;n值大的材料则相反, 促使各部位变形趋于均匀, 还可改善胀形成形极限。以压为主的零件成形时, n值大的材料, 应变均化能力强, 危险断面的承载能力高[3]。

应变硬化指数n值是影响板料的变形力及其成形极限的一个重要性能指标, 这也是本次试验研究的主要内容之一。根据国标GB5028—85的规定, 其计算过程如下:

式中S—真实应力, S=σ (1+ξi) ;σ为名义应力

E—真实应变, E=ln (1+ξi) ;ξ为相对延伸率

K-强度系数

对式 (1) 两边取对数, 得:log (S) =log (K) +n×log (E)

根据国标GB5028—85的规定, 可按下式采用线性回归方法计算n值

式中Xi=logEi;Yi=logSi;N-参加回归计算的真实应力和应变的个数

6061和6010铝合金板材的力学性能数据见表1。试验结果表明, 6061铝合金的屈服强度比6010高出近50MPa;抗拉强度比6010低出86MPa;但是6061的均匀伸长率和断后伸长率均接近于6010铝合金, 且n值比6010高。通过这些性能指标可以定性地分析与评估6061铝合金板的成形性能。在单向拉伸试验还发现6061铝合金具有以下特点: (1) 没有明显的细颈现象, 对应力集中敏感, 一旦出现裂纹, 裂纹即迅速扩展、断裂; (2) 进行拉伸试验时, 会在负荷一位移曲线上产生负荷波动 (锯齿形) 。锯齿形是通过溶质原子和位错之间相互作用产生的[4]。

2.2 扫描断口形貌分析

铝合金的拉伸断裂形式一般分为三种, 即滑移常开裂、沿晶开裂和韧窝型开裂。滑移常开裂多发生于高纯铝合金;工业铝合金由于含有一定量的夹杂相和弥散相, 一般发生韧窝型开裂;沿晶开裂则取决于合金的成分和时效状态。铝合金中加入Mn或Cr等弥散相形成元素, 合金组织中引入一定体积分数的弥散相, 则使合金的沿晶开裂倾向显著降低[5]。6061铝合金拉伸试样断口形貌的扫描电镜图如图2所示, 断口形貌分析表明, 6061铝合金断口属于混合型断口, 表面存在大量韧窝, 只有少量的沿晶开裂。断口表面的韧窝呈现出一定的方向性, 为撕裂韧窝, 体现出良好的韧性断裂特征, 说明其具有良好的塑性。

2.3 杯突试验

杯突试验是评价材料胀形性能的模拟试验。在试验过程中压边力始终恒定为10kN。在杯突试验中, 杯突值IE越大, 材料的胀形性能越好。通过试验得到6061铝合金的IE值为8.12, 低于6010-T4铝合金的IE值9.10[2]。说明6061铝合金胀形成形性能比6010-T4稍差一些。

3 杯突试验的模拟

根据杯突试验国家标准GB415-84中的模具规格、样品尺寸和试验条件, 利用U G软件获得曲面模型。该模型中凸模、凹模和压边圈和坯料的有限元网格是用有限元分析软件的自动生成网格命令生成的。在有限元分析软件中定义凸模、凹模和压边圈等冲压工具以及毛坯, 并调整它们间的相对位置;定义拉延和接触类型、摩擦系数、冲压速度和压边力等工艺参数;给毛坯赋予材料和特性数据。模拟过程中使用的是6061铝合金板材, 厚度为1.0mm。模拟过程中的工艺参数:弹性模量E为75GPa, 泊松比γ为0.3135[6]。模拟中涉及的其他材料性能参数见表1。

有限元分析计算过程结束后, 根据成形极限图, 选择最先可以直观地看到红色破裂区域的一帧。图3-1, 3-2所示为6061铝合金的成形极限图和板料位移图。

成形极限图和板料位移图均为最先可以直观地看到红色破裂区域的一帧, 由此可以测得IE值为9.87。模拟所得的IE值与帧数有关, 帧数越多, IE值越接近真实。通过杯突模拟和实验的结果比较发现:

1) 成型件与数字模型的相对比, 可发现发生破裂的地方比较接近。

2) 两者测得IE值比较:模拟的IE值为9.87, 而试验的IE值为8.12, 两者比较接近。

4. 结论

(1) 6061铝合金具有较好的成形性能, 这种板材在单向拉伸过程中受到双向非均匀应力, 容易产生应力集中敏感, 发生脆性断裂, 但是在杯突胀形过程中双向应力均匀扩展, 成形性比较好。所以在采用6061铝合金板材作成形性工艺分析时, 要尽量避免出现双向非均匀应力的情况。

(2) 6061铝合金板材在拉伸过程中的强化段由于局部松弛产生负荷波动, 容易导致试样表面上形成类似滑移带的形变花纹而损害产品的外观, 所以采用该材料作汽车表面件时, 必须增大均匀变形量以避免出现锯齿形负荷。

(3) 比较杯突过程的模拟和试验的结果可以看出两者匹配较好, 所以可以用模拟来验证试验并进一步指导试验, 为铝合金板材冲压工艺的改善、模具设计和有限元仿真的研究提供了试验依据。

参考文献

[1]王祝堂.国际协定牌号的加工纯铝及加工铝合金.轻合金加工技术.1996, 24 (4) :24-27

[2]陈叙.汽车车身嵌板用铝合金板成形特征.1994, 17 (3) :20-32

[3]陈林, 汪凌云, 卢志文.AZ31B镁合金板材冲压成形性能研究.轻合金加工技术.2006, 34 (1) :31-54

[4]张唯敏.时效处理对6061铝合金锯齿形的影响.国外金属热处理.2003, 24 (3) :10-14

[5]张新梅, 郝丽华, 蒋大鸣, 庞振民.Al_Mg_Si合金拉伸断口研究.材料工程.1996, (3) :35-36

[6]李敬勇, 林铸明, 赵勇.舟桥结构用铝合金力学性能研究.华东船舶工业学院学报 (自然科学版) .2004, 18 (6) :81-85

[7]Mark Colgan, John Monaghan.deep drawingprocess:analysis and experiment[J].Journal ofMaterial Processing Technology, 2002, 132:35-41

高强钢板热冲压成形模具温度场分析 第8篇

近年来,在不损失安全性能的前提下,尽可能减轻车身自重已成为汽车工业的重中之重[1~2]。采用高强度钢板通过热冲压工艺制造汽车车身部件,为节能减排和提高安全性提供了可能性。热冲压是将板材加热到奥氏体温度以上,然后快速冷却以获得马氏体,从而得到高强度[3]。成形前模具的温度对成形后零件的最终性能有决定性影响。因此,对热成形模具温度场的研究变得十分重要。

1 有限元模型的建立与工艺参数的确定

1.1 有限元模型的建立

选用汽车右前立柱角撑零件的模具来分析。首先在UG中建立模具的三维模型,然后把建立好的模型导入LS-DYNA中,并划分网格。

1.2 热成形工艺参数的确定

本文中板料的初始温度设为900℃,模具的初始温度设为22℃,板料和工具的初始温度假设为各向同性;板料和工具接触面间的传热系数取3500W/(m2K),同时考虑工具和板料与周围环境的辐射及对流换热。本次模拟中成形时间设为3s,淬火时间设为15s。其他材料参数可参考文献[4]。

2 模拟结果分析与讨论

2.1 成形结束时模具温度分布

从图1a可以看出,成形时高温板料首先与凸模表面接触,热量不能在很短时间内从模具表面传至内部,致使表面温度很快从22℃上升至60℃。从图1b可以看出,成形时高温板料与压料芯表面接触,热量不能在很短时间内从模具表面传至内部,致使压料芯表面温度很快从22℃上升至68℃。从图1c可以看出,高温板料与凹模表面接触,热量不能在很短时间内从模具表面传至内部,致使表面温度很快从22℃上升至42℃。

2.2 保压15s后模具温度分布

从图2a可以看出,在保压15s后,凸模表面最高温度降至71℃以下。温度高的地方主要在凸模圆角处,这是由于被高温板料包络的缘故。从图2b可以看出,在保压15s后,压料芯表面最高温度降至91℃以下。温度最高处主要在凸台圆角处,这也是由于被高温板料包络的缘故。从图2c可以看出,在保压15s后,凹模表面最高温度降至77℃以下。温度最高处为L型制件的内侧壁位置(由于被高温板料包络),相应的,成形后零件在该处的温度也是最低的。另外,可以看出成形外侧壁的凹模处温度升高相对较小。

2.3 模具温度变化曲线

从图3可以看出,模具表面温度在开始0~3s内很快上升至最高,随后热量向模具内部传递,表面温度逐渐下降,20s后降至80℃以下。单件试制时可以满足要求,若连续加工模具表面温度将持续上升,会影响后面加工制件质量。所以,模具内需设计冷却系统,以使模具热量被及时带走,从而使模具表面温度在加工下一个零件之前快速降至初始温度,以保证热成形零件质量的稳定性。

为了验证上述结论,我们进行了热成形实验,如图4所示。从实验结果看,与模拟结果相符合。

3 结论

热成形模具内无冷却系统时,模具初始温度22℃,单件试制可以使制件温度很快降至200℃以下,满足热成形对模具温度的要求。但若连续加工,由于仅靠模具向周围环境对流和辐射换热,模具温度会持续上升,从而影响后面加工制件的质量,不能保证加工制件的稳定性。所以热成形模具内需开设冷却系统,以使从板料传至模具的热量能及时被冷却介质带走,以缩短生产周期,提高生产效率,保证成形后制件质量的稳定性。

参考文献

[1]鲁晓南,郑德荣.现代汽车车身冲压成形新技术[J].锻压装备与制造技术,2008,43(4):11-12.

[2]赵立伟,代宇春,等.高强汽车板成形技术及轻量化[J].锻压装备与制造技术,2009,44(3):82-84.

[3]H.Hoffmann,H.So,H.Steinbeiss.Design of Hot Stamping Tools withCooling System.Annals of the CIRP Vol.56/1/2007.