冲压模具设计中的拉深起皱分析

冲压模具设计中的拉深起皱分析

F.-K. Chen and Y.-C. Liao

Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan

摘要：我们对在锥形方杯和矩形阶梯杯的冲压中发生的起皱现象进行了研究。这两种起皱类型的共同特征是，其皱褶在拉伸壁是相对没有支撑的。在锥形方杯的冲压中，过程参数的作用，比如冲模间隙和变压边力，起皱现象的出现是用有限元来模拟试验的。模拟试验的结果显示冲模间隙越大，起皱现象就越严重，而且这个起皱不会被增大的变压动力所抑制。对矩形阶梯杯的冲压中发生的起皱进行分析，其实际生产部分被检查出与几何体有相似的结构。皱褶被发现在拉伸壁上归因于冲头和阶跃边缘之间金属板不平衡的拉伸。一个最佳的模具设计是采用有限元分析来确定消除皱褶的。这些观察到的不皱的生产部分与模拟结果吻合很好验证了有限元分析的准确性，还演示了使用有限元分析对冲压模具设计的优势。

关键词：拉伸壁起皱；冲压模具；矩形阶梯杯；锥形方杯

1.引言：起皱是其中之一严重影响金属板料成型过程的发生。由于功能和视觉效果的原因，起皱通常不能被零件制品所接受。这里有三种在金属板料成型过程中时常出现的起皱类型：法兰起皱，侧壁起皱和由于残余弹性压缩应力在未变形区产生的弹性屈曲。在冲压复杂形状形成时，拉伸壁起皱就是在模具型腔中形成的起皱。由于金属板料在拉伸壁区域内相对无支撑，因此消除拉伸壁起皱比抑制法兰起皱要难得多。众所周知，额外的拉伸的材料不受拉伸壁的支持可能可以预防起皱，这通过增加变压动力的实践中实现；但是过度拉伸压力导致失败的应用程序被撕裂。因此，变压动力必须控制在一定的范围内，一方面抑制起皱，另一方面防止破裂。这个合适的变压动力范围是很难决定的。因为起皱在冲压零件的中心位置以一个复杂的形状形成，甚至不存在一个合适的变压动力范围。

为了检查起皱形成的结构，Yoshida等人对薄片沿着对角线做了非均匀拉伸的试验。他们也提出了一个近似于出现起皱是由于弹性皱褶产生的变压横向应力的非均匀应力场的理论模型。Yu等人用实验和分析方法研究了起皱问题。根据他们的理论分析他们发现起皱时可能存在有两个圆周，然而实验结果表明了四到六个皱褶。当平底的和半球末端的凿子拉圆锥口模时，Narayanasamy和Sowerby检查起皱的金属板料。他们还企图排列

性能来压制起皱。

这些工作的重点仅仅是有关形成操作简单的形状的起皱问题，比如圆形杯。在1990年代初，动力的/明确的3D有限元的成功应用方法是金属板料加工让有关不同形状的冲压薄板的起皱问题变成可能。在现在这个研究中，这个3D有限元的方法被用来分析金属流动因素造成在锥形方杯和矩形阶梯杯的冲压中产生的拉伸壁起皱的效果。

Fig. 1草图(a)一个锥形广场杯和(b)走矩形杯

一个锥形方杯，如Fig.1（a）中展示的，两边各有一个倾斜的拉伸壁，类似于现有的锥形杯。在冲压过程中，金属板料在拉伸壁上是相对不受支撑的，因而容易起皱。在此研究中，研究了各种工艺参数对起皱的影响。对于矩形阶梯杯的部分，就像Fig.1（b）中展示的，另外一种起皱现象被观察。为了判断分析的有效性，在当下研究中对阶梯式几何的实际生产部分进行了检测。起皱的原因是明确使用了有限元分析，一个最佳的模具设计被提出用来消除皱褶。从有限元分析获得的模具设计是经过在实际生产观察中得到验证的部分。

2.有限元模型：工具几何，包括冲压机，模具和压料面，都是被设计来进行计算机辅助设计程序PRO／ENGINEER的。三节壳体元素和四节壳体元素都是使用相同的计算机辅助设计程序被生成网格系统上面的工具。关于有限元的模拟，工具被当作是死板的，相应的网格仅用于定义工具几何形状而不是应力分析。相同的CAD程序是通过使用四节壳体元素构造网络系统的板料。数据2表明网格系统的成套工具和金属薄板是用于冲压锥形方杯的。由于对称的条件，只有四分之一的方杯得到了分析。在模拟中，金属薄板放在压料边上，模具向下移动至压料边夹紧金属薄板。然后冲压机拉着金属薄板上升至模具型腔中。

Fig. 2.有限元网格

为了完成一个精确的有限元分析，金属薄板的实际应力-应变关系是要求数据输入的。目前的研究中，拉伸金属薄板的质量是用于模拟的。一个拉伸试验进行了对样本沿着45度和90度的旋转方向切平面。平均的流动应力&，从方程式( 0 2 45 90)/4计算得出，每个经过测量的真实应变，像Fig.3中展示的，是用来模拟锥形方杯和矩形阶梯杯的冲压的。在当下研究中，所有模拟都是被运用于一个SGI Indigo 2工作站中进行有限元程序PAM_STAMP的。为了完成一套模拟的数据输入，冲压机的速度设置为10m/s，并假设库伦

摩擦系数等于0.1。

Fig. 3.金属板的应力-应变关系

3.在锥形方杯中的起皱：一些介绍相关尺寸的锥形方杯的略图在Fig.1（a）中展示。

就像在Fig.1（a）中看到的，方形冲压机前端每条边的长度（2Wp），模具型腔的缺口

（2Wd），和拉伸的高度（H）被看成是影响着起皱的关键尺寸。在这个研究中，模具型

腔缺口的大小和冲压机前端之间一半以上的差异被称作模隙，G=W d-Wp。在拉伸壁上的

金属薄板相对不受支持的长度可能是由于模具间隙，皱褶应该是被扩大的压边力抑制住。

关于在锥形方杯中冲压发生起皱现象的模具间隙和压边力的作用在接下一部份做研究。

3.1模具间隙的影响：为了试验起皱中的模具间隙的作用，分别用20mm，30mm，50mm三个不同模具间隙对锥形方杯的冲压进行了模拟。在每次模拟中，模具型腔的缺口被固定在200mm，方杯被拉到100mm的相同高度。三次模拟中使用的金属薄板都是380mm*380mm 的方形薄板，厚0.7mm，材料的应力-应变曲线显示在Fig.3中。

模拟结果表明在全部三个锥形方杯中发生的起皱，和模拟的50mm模具间隙的冲压外圈模型展示在Fig.4中.在Fig.4中可以看到起皱散布在拉伸壁上，在邻近墙壁之间的角落里尤其明显。根据建议起皱是由于在冲压过程中处于拉伸壁大片不受支撑的区域中，同样，冲头的边长和模具型腔缺口的不同由于模具间隙。在冲头和模具型腔肩缝之间拉伸的金属薄板变得不稳定，是由于压缩横向应力的存在。在压缩下金属薄板不受约束的拉伸的主要原因似乎是在拉伸壁上起皱。为了比较三种不同模具间隙的结果，介绍了主应力其中的min/ max比率，max存在min，max和min分别是主要和次要的主应力。Hosford和Caddell表明如果min/ max的绝对值大于临界值，起皱现象应该会发生，而且…的绝对值越大，起皱发生的可能性就越大。

Fig. 4皱纹在锥形广场杯

三个模拟的不同模具间隙的形状，在相同拉伸高度沿着横截面M-N的…值，如Fig.4中标记，绘制在Fig.5中。Fig.5中记录到严重的起皱位于角落附近，至于三个不同的模具间隙，几乎没有起皱发生在拉伸壁的中间。Fig.5还记录到模具间隙越大，min/ max 的绝对值就越大。因此，增大模具间隙将会增加锥形方杯在拉伸壁上发生起皱的可能性。

3.2压边力的作用：众所周知，增大压边力可以帮助消除在冲压成型中产生的起皱。为了研究增大的压边力的效果，一个与上文陈述的严重起皱有关系，模具间隙50mm的锥形方杯的冲压用不同的压边力值对其进行了模拟。这个压边力从100kN增加到600kN，分

别产生了0.33MPa和1.98MPa的压边力。剩下的模拟条件和那些在之前章节做的详细说明保持一样。作为中间压边力的300kN也被使用在模拟中。

Fig. 5.沿横截面值m n为不同缺口数据

这个模拟结果显示在压边力中的增加不会帮助消除发生在拉伸壁上的起皱。Fig.4中标记的M-N横截面边上的min/ max值，被用来和冲压过程中100kN和600kN的压边力比较。这个模拟结果表明横截面边上的min/ max值在两个事例中几乎相同。为了测试两个不同压边力的起皱模型的差异，和从底部到Fig.4中提到的线段M-N不同高度的拉伸壁的五个横截面，都标绘在Fig.6的两个事例中。Fig.6记录到两个实例中横截面的波痕是相似的。这个表明压边力不会影响锥形方杯在冲压中起皱现象的发生，起皱的形成主要是由于横向压缩力存在拉伸壁中大片不受支撑的区域里。压边力对冲头和模具肩腔之间的不稳定模式不产生影响。

4.矩形阶梯杯：在矩形阶梯杯的冲压过程中，起皱发生在拉伸壁上尽管模具间隙没有那么显著。数据1（b）展示，在拉伸壁上冲压形成一个矩形阶梯杯使用的冲压机的大致形状是遵循D-E步骤的。在此研究中，试验了有这种几何类型的实际生产部分。这个生产部分实际使用的是0.7mm的厚度，和在Fig.3显示的拉力试验中的应力应变关系。压车间中冲压部分的生产过程包括修边后的拉伸。在拉伸过程中，没有在模具表面使用拉延筋来帮助金属的流动。然而，在Fig.7中，由于短的角半径和不同的几何参数，一个在冲压机上沿产生的裂缝和起皱出现在拉伸壁的实际生产部分。从Fig.7中可以看到，起皱分布在拉伸壁上，但是在阶梯的角落边缘更明显，用Fig.1（b）中的A-D和B-E标记了。Fig.7中展示的金属是沿着冲压机的上沿被撕开的，形成了一个裂缝。

在冲压过程中，为了提供对金属薄板的进一步的理解，进行了一项有限元的分析。第一次进行有限元的模拟是为了初始设计。Fig.8中描述了模拟形状的部分。Fig.8中记录

了上边缘的网显著拉伸，和起皱散布在拉伸壁上的部分，与在实际生产部分观察的相似。小的冲压半径，比如沿着A-B边缘的半径，和Fig.1（b）中标记的角半径A，被认为是拉伸壁断裂的主要原因。然而，根据有限元分析的结果，通过增加上文提到的半径可以防止破裂。这个概念在实际生产部分制造大规模的角半径得到了验证。

Fig. 6画壁的截面线在不同高度不同的压边力。(a)100 kN。(b)600 kN

Fig. 7 分裂和皱纹生产部分 Fig. 8模拟生产部分的形状与分裂和皱纹

一些也试图消除起皱。首先，压边力增加为初始值的两倍。然而，至于在之前部分锥形方杯拉伸得到的结果，发现消除起皱的变压力的效果不显著。通过增加摩擦力或坯料尺寸也可以得到同样的结果。我们推断这种起皱不能通过增加拉力来抑制。

由于在薄板承受压应力的一定区域内，过度金属流动形成的起皱，消除这个起皱的一个简单方法是在起皱区域增加拉杆来吸收多余的材料。这个拉杆应该被增加到与起皱方向平行的地方，以至于多余的材料能够被有效吸收。在这个概念的基础上，两个拉杆被添加到Fig.9中邻近的壁上，为了吸收多余的材料。这个模拟结果表明在阶梯拐角处的起皱不出所料会被拉杆吸收，可是一些起皱仍出现在剩下的壁上。由此表明，在拉伸壁上安装更多的拉杆吸收所有额外的材料是必要的。可是，对这部分的设计不允许考虑。

Fig. 9牵引车的挂钩添加到画墙壁

对冲压过程使用有限元分析的其中一个有利条件是，已经变形了的金属薄板在冲压过程中能够被检测出来，它在实际生产过程中是不可能的。在冲压过程中仔细观察金属的流动，显示到金属薄板是第一个被冲头拉至模具型腔的，起皱是直到金属薄板接触到Fig.1（b）中的阶梯边缘D-E才产生的。Fig.10中展示了起皱形态。其对模具设计的修改提供了有价值的信息。

Fig. 10皱纹纸空白接触时形成了优势Fig. 11截止的角落

对产生起皱原因的最初的推测是，凸模角半径A和Fig.1（b）中指示的阶梯式角半径D 之间的不均匀金属薄板的拉伸。因此一个模具设计的修改工作对阶梯角进行了切断，在Fig.11中展示了，以至于拉伸条件得到顺利的改变，让更多拉伸被应用到增加的阶梯边缘上。然而，在杯中拉伸壁上仍然发现了起皱。

这个结果意味着，起皱被引进是因为整个冲压机上沿和整个阶梯边缘之间不均匀的拉伸，而不仅仅是在凸模圆角和阶梯角之间。为了核实这个想法，两个模具设计的修改被提出：一个是切断整个阶梯，另一个是再多添加一个拉伸操作，即使用拉伸操作拉成他们需要的形状。模拟形态之前的方法在Fig.12中展示。由于下级阶梯被切断，其拉伸过程与Fig.12中提到的矩形杯的拉伸更加相似了。在Fig.12中可以看到起皱被消除了。

在两步操作的拉伸过程中，金属薄板被第一个拉至更深的阶梯，在Fig.13（a）中

可以看到。随后，在第二个拉伸操作中，构成了下级的阶梯，就得到了需要的形状，如Fig.13（b）中那样。在Fig.13（b）中可以清楚地看到矩形阶梯杯可以不用起皱，通过两步操作的拉伸过程制造出来。在两步操作的拉伸过程中，如果使用了相反的顺序，下级的阶梯会第一个形成，接下来再进行更深阶梯的拉伸还有其边缘的拉伸，正如Fig.1（b）中A-B那样，易于撕破，因为金属不能轻易溢出下级的阶梯至模腔中。

Fig. 12模拟形状修改后的模具设计

Fig. 13第一个操作和第二操作两种操作绘图过程有限元的模拟指出，使用一个简单的拉伸操作对需要的矩形阶梯杯冲压的模具设计几乎不可能实现。然而，这个两步拉伸操作的制造费用被期许能更高，是由于增加的模具费用和操作费用。为了维持制作费用低消耗，这部分的设计工程师做出了适当的形状改变，根据有限元的模拟结果修改了模具设计，切断了下级的阶梯，如Fig.12中展示的那样。随着修改的模具设计，实际的模具冲压产品被制造出来，而且生产部分被发现没有受起皱的影响，如Fig.14中那样。这部分的形状与从有限元模拟中得到的非常一致。

为了进一步验证有限元的模拟结果，沿着从Fig.14中模拟结果得到的横截面G-H

分布的厚度，和那些在生产部分中测量的做比较。比照显示在Fig.15中。从Fig.15中可以看到，通过有限元模拟的预测的分布厚度，和在生产部分中直接测量的非常一致。这个一致性证实了有限元分析的效力。

Fig. 14没有缺陷的生产部分Fig. 15沿着G-H模拟和测量厚度分布

5.总结和结束语：使用有限元分析两种在冲压过程中发生的起皱，检查了造成起皱的原因和揭露了消除这种起皱的方法。

第一种起皱出现在拉伸壁上锥形方杯的冲压过程中。起皱的发生归因于那个大的模具间隙，这个间隙是模腔开口的边长和冲头的边长的差异。那个大的模具间隙导致了，当金属被拉至模腔内时，金属薄板存在一大片不受支撑的区域，和冲头与模腔肩端之间不利的伸展。因此金属薄板大片不受支撑的区域倾向于起皱。有限元的模拟展示了这种起皱不会被增加的压边力所抑制。

另外一种研究发生在实际冲压部分的起皱有矩形阶梯的几何结构。据发现，起皱发生在阶梯上面的拉伸壁上，尽管模具间隙不足够大。根据有限元分析，起皱是由于冲头和阶梯边缘之间不均匀的伸展。使用有限元模拟，试图在模具设计中对消除起皱做一些尝试，在切断阶梯中采用的最佳的设计方法最终被建立。关于消除起皱改进的模具设计，已经被没有瑕疵的生产部分生产出来的产品验证。模拟结果和那些在拉伸生产部分观察之间的一致性，证明了有限元分析的准确性，使用有限元模拟作为实际模具试验的昂贵方法的替代，由此被确认。

感谢：作者希望感谢...使得这个设计成为可能。他们同时也希望感谢KYM提供了这个生产部分。