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沖壓模具設計中側壁起皺的分析 F k Chen and Y C Liao 臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門 在沖壓過程中 起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時 這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側壁 在沖壓一個有錐 度的方形杯子時 當發(fā)生起皺時 比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數的影 響通過有限元模擬方法被檢查到 模擬結果顯示沖模間隙越大 起皺的就越明顯 而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制 在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起 皺時 發(fā)現了一個有相似幾何類型的實際部分 在側壁被發(fā)現的起皺是因為介于沖 頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的 為減少起皺 一個最適宜的沖模設計 方法就是利用有限元分析法 在無起皺產品中介于模擬結果和實測結果的好協(xié)議使 有限元分析法生效 而且證實了利用有限元分析法去設計沖模的優(yōu)勢 關鍵詞 側壁起皺 沖模 階梯的矩形杯子 帶有錐度的主形杯子 1 介紹 起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一 由于性能和視察的原因 在產品中起皺 往往不能被接受 在金屬板料成形過程中 有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生 邊緣起 皺 側壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲 在沖壓一個復 雜形狀零件的操作時 側壁起皺意味著沖模腔中的起皺 由于側壁區(qū)域的金屬板料 相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質量 側壁起皺的消除比邊緣起皺的抑 制更難 很明顯 在未被加固的側壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺 而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺 但是過度的拉力會通過裂痕 導致失敗 因此 沖壓力必須處于一個狹小的范圍 一方面 要高于抑制起皺的力 另一方面 要低于產生破裂的力 沖壓力的狹小范圍很難計算 對于沖壓一個復雜 形狀的零件 當起皺發(fā)生在中心區(qū)域時 有意義的沖壓力范圍甚至不存在 為了檢查起皺的形成結構 Yoshida et al 發(fā)明了一種測試 在這種測試里 一 塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸 他們也計劃一個近似的理論模型 在這 種模型里面 起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側部力的彈性灣曲 Yu et al 從實驗性和分析性上研究起皺問題 通過理論分析 他發(fā)現帶有兩個圓周 波的起皺可能發(fā)生 然而 實驗結果顯示是四到六個 當通過一個有錐度的模具畫 出金屬板料時 Narayanasamy 和 sowerby 用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板 料的起皺 他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類 那些努力都被聚中于和簡單形狀零件關聯的起皺問題上 例如 一個圓形的杯子 在 90 年代早期 金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運用使得分析包 括在沖壓一個復雜形狀零件的起皺問題成為可能 在當前的研究中 三維有限元分 析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中 產生起皺的金屬流動制 造參數上 一個帶有階梯的方形杯子 在杯子的每一邊都有一個傾斜的側壁 在帶有錐度的 杯子也相應的存在傾斜的側壁 在沖壓過程中 側壁上的金屬板料相對沒被支撐 因此 這個部位更容易起皺 在當前的研究中 起皺過程中的各種不同的制造參數 的影響都在被研究 在沖壓一個帶有階梯的方形杯子時 就像圖 1B 顯示的一樣 可 以觀測到另一種形式的起皺 為了評估分析的效力 在當前的研究中 一個確切階 梯幾何形狀的物體被檢測 通過使用有限元分析法和用適宜的模具設計來減少起皺 起皺的原因被確定 在觀測一個實際產品成形時 通過有限元分析法得到的模具設 計方法得到證實 圖 1 帶有錐度方形杯子的拉伸 a 和帶有階梯的矩形杯子的拉伸 b 2 有限元模型 包括沖頭 模具和毛壞固定器等工具幾何學是用 CAD 或 PRO E 軟件來設計的 同樣 用 CAD 軟件 三節(jié)點和四節(jié)點的外形元素被采用用來為以上工具生產網眼系統(tǒng) 對 于有限元模擬來說 工具被認為是剛硬的 而且對應的網眼被用來定義工具幾何學 而不是壓力分析 同樣 CAD 軟件使用四節(jié)點外形元素來為板形壞料構造網眼 圖 2 顯示工具的完整布置的網眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料 由于對 稱條件 方形杯子的四分之一被分析 在模擬中 板形壞料放在壓力機上 沖模向 下移動 逆著壓力機夾緊板形壞料 然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形 圖 2 有限元網眼 為了表演一個精確的有限元分析法 金屬板料的真實應力應變曲線被要求是輸入 數據的一部分 在當前的研究中 拉深成形的金屬板料也被用來模擬 為在飛機上 切割下的樣本測試被進行 它們依次從 0 度的旋轉方向到 45 度的旋轉方向 再到 90 度的旋轉方向進行著 平均的流動力 計算方程為 0 2 45 90 4 因為每一個方法真實應變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓 就如 圖 3 顯示的那樣 當前研究中所有的模擬利用有限元程序 PAM STAMP 涉及 SGI Indigo2 工作站 為 了完成模似所需輸入數據的設置 沖頭的速度一般設置在 10m s 庫侖摩擦系數設 置在 0 1 圖 3 金屬板料的應力應變關系 3 錐度方形杯中的起皺 正像圖 1a 顯示的那樣 草圖暗示著一些有關錐度方形杯子的尺寸 方形沖頭每一 面的長度 2W P 模腔的尺寸 2W d 和高度 H 被認為是影響起皺的至關重要尺寸 在當前研究中 模腔尺寸和沖頭尺寸的差距的一半稱作沖模間隙 記作 G G Wd WP 相關的在側壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙 起皺假想通過增加 沖壓力來被抑制 相對于沖壓一個錐度方形杯子 沖模間隙和沖壓力兩方面的影響 在接下來的部分被研究 3 1 沖模間隙的影響 為了檢查沖模間隙對起皺的影響 在沖壓一個錐度方形杯子時 分別用 20mm 30mm 50mm 大小的沖模間隙進行模擬沖壓 在每次模擬沖壓中 模腔的尺寸 都是固定在 200mm 而且杯子拉深的高度都是 100mm 三次模擬中使用的金屬板料都 是 380X380 的方形尺寸 厚度也都是 0 7mm 金屬的應力應變曲線如圖 3 所示 圖 4 G 50mm 的帶有錐度的方形杯子 模擬結果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現象 沖模間隙為 50mm 沖壓出來的杯子模擬 形狀如圖 4 從圖 4 中可以看出 起皺分布在側壁 側壁拐角尤其明顯 這就說明 在沖壓過程中 起皺是由于在側壁有大面積區(qū)域不被支撐 同樣 由于沖模間隙不 一樣 沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣 由于橫向壓力的存大 在沖頭和模腔 中拉深成形的金屬板料越來越不牢固 在壓縮下 側壁金屬板料不受限制的拉伸是 起皺的主要原因 為了比較三種不同間隙沖壓出來的產品 兩個主要的應變比率 被介紹 min max 這里的 min 和 max 分別是主要的和次要的應變 Hosford 和 Caddell 已經展示了 的實際值比 的評論值大 假設當起皺發(fā)生時 的實際值越大 起皺的可能性就越大 在三個沖模間隙不同的沖壓中 同一側壁高度 沿著橫截面 M N 的 值在圖 4 中 標記出 在圖 5 中畫出 圖 5 中說明嚴重的起皺一般發(fā)生在拐角處 而對三個沖模 間隙不同的沖壓 在側壁中心很少發(fā)生起皺 還說明了沖模間隙越大 的實際值 就越大 因此 增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側壁處發(fā)生起皺的可能性 3 2 沖壓力的影響 眾所周知 在沖壓過程中 增加沖壓力可以幫助排除起皺 為了研究增加沖壓力 的影響 沖模間隙為 50mm 與起皺是有關聯的 用沖模間隙為 50mm 的模具沖壓帶有 錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了 沖壓從 100KN 增加到 600KN 這兩個力 分別產生 0 33Mpa 和 1 98Mpa 在上述部分 剩下的模擬條件與給定的是一樣的 處于中間的 300KN 也被用來模擬 模擬結果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側壁的起皺 在圖 4 中已標出 沿著橫截面 M N 的 值與沖壓力為 100KN 和 600KN 的 值作比較 模擬結果指出 兩種情況下 沿著橫截面 M N 的 值是一樣的 為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形 狀 正如圖 4 和圖 6 標出的那樣 側壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面 從 圖 6 可以看出 兩個外殼的波浪形橫截面是相似的 這就說明在沖壓帶有錐度的方 形杯子時 沖壓力不影響起皺的發(fā)生 這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓 力存在的側壁處有大面積區(qū)域不被支撐 沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模 式并沒有影響 圖 5 沿著橫截面 M N 不同沖模間隙的 值 4 階梯矩形杯子 在沖壓一個階梯矩形杯子時 起皺發(fā)生在側壁即使沖模間隙并不是那么重要 輪 廓 1 顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖 在這張草圖中 側壁 C 沿臺階 D E 而行 在近期的研究中 在一個實際的產品中檢查到了這種幾何形狀 這種產品使用的原 材料的厚度是 0 7mm 從拉力測試中獲得的應力應變關系如圖 3 所示 這種沖壓部分產品的程序包括通過清理焊縫的深拉 在這種深拉過程中 沒有焊 縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動 但是 由于沖頭拐角處的半徑過小和其 復雜的幾何形狀 如圖 7 顯示的那樣 在沖頭邊緣上部經常發(fā)生拉裂 在真實產品 的側壁處經常發(fā)生起皺 從圖 7 中可以看出 皺紋發(fā)分布在側壁上 但是在階梯邊 緣拐角處最為嚴重 就像圖 1 b 中 A D B E 顯示的那樣 在沖頭的上部邊緣 金屬往往被拉裂 就像圖 7 所示 為了進一步的了解沖壓過程中板料的變形 誕生了一種有限元的方法 這種有限 元模擬方法被在最初的設計中 部分的模擬形狀如圖 8 所示 從圖 8 中可以看出 零件上部邊緣的網眼被拉深 皺紋分布在側壁上 類似真實零件中的那樣 圖 6 從圖 a 的 100KN 到圖 b 的 600KN 不同側壁高度的橫截面線條 圖 7 產品零件中的拉裂和起皺 圖 8 產品拉裂和起皺的模擬形狀 如圖 1 b 就像 A B 邊緣半徑和沖孔拐角處 A 的半徑一樣 沖孔的半徑也很小 這被認為是拉裂的最主要原因 但是 根據有限元分析的結果 拉裂可以通過增加 以半徑來避免 這種理念在現實產品中通過增加半徑得到證實 個別的嘗試也被用來消除起皺 第一 沖壓力加到原來的 2 倍 但是 就像在拉 深帶有錐度的杯子中得到的結果一樣 沖壓力對消除起皺現象沒有起有很大的效果 通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結論 于是我們推測 這種起皺不能通過增 加沖壓力來得到抑制 由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域 往往會因為大量的金屬流動而起皺 一種通 過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料 為了多余 的金屬能有效的被吸收 掛鉤應該平衡的加在起皺位置 基于這種理念 兩個掛鉤 被加在鄰近在壁上吸收多余的材料 如圖 9 如示 模擬結果顯示 階梯拐角處的起 皺正如想象的那樣被吸收 但是 一些起皺仍然沒被吸收 這說明在側壁處需要更 多的掛鉤來吸收所有過量的材料 但是這在模具設計中是不允許的 利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被 監(jiān)測 而這在真實的產品沖壓過程中是不可能的 對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān) 測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形 直到板料接觸到如圖 1 b 階 梯 D E 邊緣才形成起皺 起皺的形狀如 圖 9 加到側壁的起皺 圖 10 顯示的那樣 這就為模具設計的改進提供了有價值的信息 圖 10 當板料接觸臺階邊緣的起皺形成 圖 11 切除了的臺階拐角 對于起皺的發(fā)生 最初的一個猜想是沖頭拐角處范圍 A 和階梯拐角處范圍 D 之間 的金屬板料處于不平坦的拉深 就如圖 1 b 所示 階梯拐角處被切主要是為了改 善拉深條件 這樣就允許通過增加階梯邊緣有更多的拉伸被應用到如圖 11 所示 從 而使得模具設計的改進得到發(fā)展 但是 杯子側壁處仍然有起皺 這就意味著起皺 是因為整個沖頭邊緣和整個階梯邊緣的不平坦引起的 不僅僅是沖頭拐角處和階梯 拐角處之間的不平坦 為了證實這種說法 兩種改進過了的模具設計被用來實驗 為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作 一種是切去整個階梯 而另一種是增加更 多的拉深操作 前一個方法的模擬形狀所圖 12 所示 自從更低的階梯被切去后 拉 深工序與圖 12 中的矩形杯子拉深工序性很相似 從圖 12 中可以看出起皺現象已被 消除 在這兩種操作的拉深工序中 板料最初是被拉到很深的階梯處 如圖 13 a 所 示 然后 較低的階梯在第二步拉深操作中成形 同是 如圖 13 b 所示的想象 形狀也得到了 從圖 13 b 可以清晰的看出 通過兩步拉深工序可以造出沒有起 皺的階梯矩形杯子 同時也說明在兩步拉深工序中 如果相應的順序被應用 則更 低一些的階梯處的成形是伴隨更深階梯處成形和最深階梯邊緣處成形的最早成形 如圖 1 b 中的 A B 因為金屬不容易通過較低的階梯進入模具型腔 圖 12 改善模具設計的模擬形狀 圖 13 兩個操作步驟中的 a 第一步操作 b 第二步操作 有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設計理想產品的沖壓模具設計是很難完成 的 但是 由于額外的模具費用和操作費用 兩個操作的制造費用是很高的 為了 保持較低的制造費用 零件的設計師對形狀做出了合適的改變 而且通過有限元模 擬分析法結果去切除較低的臺階來改善模具設計 如圖 12 所示 隨著設計方法的改 進 產品真實的沖壓模具被制造出來 而且零件還沒有起皺 如圖 14 所示 通過有 限元模擬分析法得到的零件也沒有起皺 為了進一步驗證有限元模擬分析法的結果 有限元模擬分析法得到的沿橫截面 G H 的厚度分布如圖 14 所示 這與產品的尺寸做了比較 比較的結果顯示在圖 15 從 圖 15 可以看出有限元模擬分析法得到的預想的厚度分布和產品得到的厚度分布是相 符合的 這種吻合證實了有限元模擬分析法的效率 圖 14 無缺陷產品零件 圖 15 G H 處模擬和測量厚度 5 概要和結束語 通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺 而且還檢查了其起皺的 原因和消除起皺的方法 第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側壁上 這種起皺的原因是 因為沖模間隙過大 沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距 當金屬被拉至 模腔中 在沖頭和型腔中有一有害的拉深時 大的沖模間隙導致金屬板料的大面積 區(qū)域不被支撐 因此大面積區(qū)域不被支撐導致起皺 有限元模擬分析法顯示這種起 皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制 另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中 起皺往往發(fā)生 在臺階以上的側壁 甚至沖模的間隙不是足夠的大 通過有限元模擬法得知 這種 起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸 在模具設計過程中 通過有 限元模擬分析法單獨的嘗試被用來消除起皺 切除了臺階的模具被建立 通過無缺 陷的零件證實了這種模具設計方法對消除起皺的作用 有限元模擬分析法得到的結 果和真實產品中看到的結果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性 還證實了用 有限元分析法代替真實的模具制造方法的效力 感謝 作者希望感謝中國人民共和國民族科學委員會授于 NSC 86 2212 E002 028 編號才 使得這個項目得到發(fā)展 他們也希望感謝 KYM 提供了產品零件 參考文獻 1 K Yoshida H Hayashi K Miyauchi Y Yamato K Abe M Usuda R Ishida and Y Oike 在金屬板料 皺紋機械工具的效果取決于不均勻的拉深 2 T X Yu W Johnson 和 W J Stronge 圓形碟子在半球形模具中的沖壓成形 機械學 雜志 26 pp 131 148 1984 3 W J stronge M P F Sutcliffe 和 T X Yu 在沖壓期間 圓形碟子的塑性起皺 實驗的 技巧 pp 345 353 1986 4 R Narayanasamy 和 R Sowerby 當用一種圓錐形的沖模成形時的金屬板料起皺 材料處 理技術雜志 41 pp 275 290 1994 5 W F Hosford 和 R M Caddell 金屬成形 機械和冶金 1993 年第二季