钣金成形毛坯展开方法研究进展

第16卷第1期2009年2月塑性工程学报J OU RNAL OF PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol 116　No 11Feb 1　2009钣金成形毛坯展开方法研究进展3(沈阳航空工业学院航空宇航学院,沈阳　110136)　韩志仁　刘跃专摘　要:钣金成形中毛坯形状的确定是一个重要的工艺环节。

该文对各种传统的毛坯确定方法进行了分析综述;对近年发展的确定毛坯的各种方法进行了分析对比。

通过分析认为,有限元法将成为确定毛坯展开形状的主要方法,物理逆向法可能成为一种行之有效的方法,而传统方法将逐渐被淘汰。

关键词:毛坯展开;有限元法;解析法;逆算法;物理法中图分类号:T G 38611 文献标识码:A 文章编号:100722012(2009)0120006206R esearch and progress on optimum blank developmentshape methods for sheet metal formingHAN Zhi 2ren L IU Yue 2zhuan(School of Aerospace ,Shenyang Institute of Aeronautical Engineering ,Shenyang 110136　China )Abstract :It πs important to determine the optimum blank development shape in sheet metal forming.This paper summarized vari 2ous traditional approaches to determine the blank for sheet metal forming.The appoaches that have developed recent years were analysed in contrast.It reckoned that the finite element method will be the major approach to determine blank shape in the f uture ,maybe ,the physical inverse method will become a kind of efficient method as its advancement ,traditional approaches ,however ,are about to be eliminated gradually.K ey w ords :blank development ;finite element method ;analytic method ;inverse approach ;physical method3中国航空一集团基金资助项目(2006ZE54007);辽宁省教育厅基金资助项目(20060654)。

韩志仁　E 2mail :hanren888@1631com作者简介:韩志仁,男,1964年生,教授,博士,主要从事钣金塑性成形研究收稿日期:2007212210;修订日期:2008201201　引　言钣金件毛坯形状和尺寸的求解是钣金冲压成形中的一个难题,是分析钣金件变形程度、设计工艺及拟订工艺规程的前提。

如果毛坯形状设计的合适,钣金成形过程中材料的流动性将更好,从而明显地减少起皱、拉裂等现象的发生,成形极限也可有所提高,并能降低突耳高度,减少切边余量,节约钣金材料。

此外,采用合理的毛坯形状,往往能够使某些需要二次拉深才能成形的制件,一次拉深便可达到制件要求的高度。

对于形状不规则的复杂钣金件,还无法根据经验或采用解析法来求得其毛坯形状,至今未能得到满意的结果。

因此,求解钣金成形毛坯展开形状和尺寸,已成为冲压工艺设计中的一个重要而亟待解决的问题。

1　传统板料成形毛坯展开方法传统的板料冲压成形毛坯展开方法一般是基于实验和简单的理论,而且只适合于一些规则形状的零件。

传统的毛坯展开方法各有优缺点。

111　经验法[1]经验法是根据面积不变原则进行钣金毛坯展开计算的一种近似方法,在实际生产中被广泛应用。

由于成形过程力学分析复杂,人们经常采用近似的几何估算和试模修正相结合的方法得到毛坯展开的近似形状。

文献[223]提出了一种分区域计算的方法,在原来的基础上有较大的改进,但准确度有待提高。

112　逐次逼近法该方法最早由Finch [4]提出,主要用于盒形件的毛坯展开。

步骤为,首先取印有坐标网格的一定形状的板料作初始毛坯,将其压延成适当高度的零件,观察凸缘外边缘处材料,分析判断出多余材料的位置,在下一次毛坯上将该部分切除;接着用经过第一次切除的毛坯外形作为本次毛坯的初始形状,重新压延,观察并切除余料,如此循环往复进行,直到得出满意的结果。

从其步骤可知,该方法在人力和物力两方面都消耗较大,而且应该切除的余料部分难于定量把握,该方法效率较低。

113　拼合法拼合法于1947年由B 1И1Лopoho [5]提出,最初主要是为确定方矩形件的毛坯外形,根据压延件相应部分面积相等的条件确定毛坯各部分的面积。

其展开原则为,直边部分按弯曲变形展开的长度进行计算,圆角部分按1/4圆杯压延变形展开计算毛坯半径,然后用圆角光滑棱角连接过渡区,即可得到毛坯形状。

拼合法对压延过程中凸缘材料流动进行的非连续性组合假设和整体转移假设,使得此方法要想获取较高的准确度,就必须使假设对应的零件尺寸尽可能地缩小,而这种假设与实际并不相符,因此精度较低。

114　理想成形法(IF)[6,8]理想成形(Ideal Forming )是由K 1Chung 和O 1Richmond [7]提出。

理想成形的基本假设是,变形沿着最小塑性功方向进行,材料为刚塑性,且满足希尔准则(1979年)。

塑性功可表达为W =∫V 0σ・εd V 0(1) 等效应力σ=K (ε0+ε)n ,等效应变可由等效应变率沿着最小塑性功方向积分得到,ε=∫tεd t ,通过式(1)对初始位置矢量X 求导,即可得到优化的初始毛坯形状[7]。

d Wd X i=0, i =1,2,3,……n (2) 理想成形法没有考虑实际成形条件,如压边力、摩擦力、模具几何尺寸的影响,因而得到的毛坯精度较差。

115　滑移线法(SLFM)滑移线法[9211](Slip Line Field Met hod )是上世纪50年代前苏联楚达列夫[9]提出来的,它的提出第一次为钣金毛坯的求算找到了理论依据。

滑移线法的基本假设[9211]为,板料法兰厚度不变,且处于平面应变状态;材料各向同性;无硬化;不考虑摩擦力对塑性流动的影响。

在这样的假设下,可导出拉深过程中模具轮廓与板料周界是主应力迹线,因此滑移线与这些轮廓呈45°,绘出每点的两个最大剪应力方向并作包络线,得到两组互相正交的,表示最大剪应力方向的迹线网,即滑移线。

当板料处于屈服时,各点的最大剪应力达到K 值,塑性变形就沿着这些迹线进行滑移。

应用滑移线理论,研究和制作冲压毛坯的合理形状和尺寸,是一种比较直观和合理的方法。

滑移线场建立的方法[11],概括起来有两种,即数学解析法和分析推理法。

但是,滑移线场的建立是一件繁杂的工作,用手工方法比较困难,用计算机建立滑移线场只能处理平底、直壁、平压料面压延件,因此滑移线场仍然具有一定的局限性,很难推广。

116　流线法(SLM)[12215]由于滑移线法只适用于非硬化材料及平面应变问题,对于不满足这些条件的冲压过程,该方法将失效。

为了改进滑移线法,Yuung 2hwa L u 提出了流线法(St reamline Met hod )[12],SL M 是对任意形状的冲压件在材料各向异性情况的影响下,预测初始板料的最优形状及尺寸。

其主要依据[12]是,在冲压过程中,由等势线(Equipotential Contour )以及材料流动线(St reamline )所围区域内的质量应处于平衡状态。

从而计算出初始板料的形状及尺寸。

此方法虽然比滑移线法有所改善,但还是存在与滑移线法相似的缺点,即建立等势线场和描绘材料流线较困难,既费时又费力。

117　势场模拟法[1,16219]势场模拟法假设[1,19]冲压件板料为不可压缩的平面各向同性的刚塑性体,在冲压中,介于工件边缘和准确坯料边缘之间的凸缘部分,处于塑性状态,并在内边缘应力的作用下向凹模型腔内流动。

根据物理模型数学描述的相似性[1,19],从理论上可以证明,冲压工件凸缘处金属的这种流动与相似区域、相似边界条件的纯粘性流体的流动、电流的流动或热传导具有相似性,因而可由势场模拟求出不规则冲压件的展开坯料外形。

一般对于外形相似的冲压件,只需求出某一尺寸模型的等位线,其他尺寸模型的等位线均可以通过放大或缩小得到。

势场模拟法主要有电模拟法[16]、热模拟法[17]和势流场模拟法[18]等。

118　几何映射法[20222]R 1Sowerby [20]等最早提出几何映射法,认为,应变由变形前后板料的几何差别定义,而通常变形7　第1期韩志仁等:钣金成形毛坯展开方法研究进展后的板料形状已知,因此,从理论上讲有可能将变形后的板料点对点地映射回初始平板,并且不需要知道载荷就能够计算应力的分布。

R Sowerby[21]在1986年进一步发展的几何映射法是依据投影原理,遵从面积不变原则,将置于零件表面的空间曲面三角形展开在平面上,近似地确定坯料外形及尺寸。

后来J1C1Gerdeen和P1Chen[22]对其进行了更深入的研究,将有限元思想引入几何映射,对每个单元实现映射,并开发了两套程序AXIFORM H和FEPFORM分别用来处理轴对称和非对称情况。

几何映射法使用有限单元法,实现在每个单元中进行几何映射,从而实现整体映射,在整体壁板展开等方面得到了应用。

但由于只考虑面积不变,没有考虑到材料性能和工艺条件,计算精度较差,误差较大。

2　近年发展的毛坯展开方法随着计算机技术的发展,有限元方法得到了大力发展,有限元在钣金成形毛坯展开方面发展出一些方法,并逐渐被认识和应用。

另外还有物理逆向法也得到了发展。

211　有限元逆算法(一步法)[23228]有限元逆算法的一个主要特点是将板料成形过程简化为一个或若干个简单加载的变形过程,采用全量理论进行分析。

因此计算可以只考虑初始构形和最终构形,忽略中间构型的变化。

法国Batoz 等[23224]受到几何映射法的启发,首先提出了所谓逆算法。

这是一种预测板料成形中大变形的高效算法。

该方法考虑了三角形CST膜单元、大弹塑性对数应变、厚向异性及塑性全量理论、静态隐式算法、模具运动引起的垂直或法向节点力[23224]。