板料成形拉延筋技术研究现状

　　　　　　　　精密成形工程J OU RNAL OF N ETSHA PE FORMIN G EN GIN EERIN G 第1卷　第2期　2009年9月

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　板料成形拉延筋技术研究现状

李小平,张侠

(重庆理工大学材料科学与工程学院,重庆400050)

摘要:拉延筋在汽车覆盖件拉深成形中起着十分重要的作用。利用拉延筋可以调节和控制板料的变形程度和变形分布,抑制破裂、起皱、面畸变等多种冲压质量问题的产生。在很多情况下,拉延筋的设置合理与否将决定覆盖件拉深的成败。较系统地总结了板料成形拉延筋技术以及拉延筋作用原理、阻力模型、影响因素等的研究现状。

关键词:板料成形;拉延筋;拉延筋阻力中图分类号:T G386.3+2　　　文献标识码:A

文章编号:1674257(2009)022*******

收稿日期:2009205226

作者简介:李小平(1968),男,重庆人,博士,高级工程师,硕士生导师,主要研究方向为板料成形技术。

Current St at us of D rawbea d in S heet Met al Forming

L I X i ao 2pi ng ,Z H A N G X i a

(Department of Material Science and Engineering ,Chongqing University of Technology ,Chongqing 400050,China )Abstract :The drawbead plays a very important role in automobile covering part forming processes.Using drawbead can

control the blank deformation size and deformation distribution in large range ,restrain many kinds of quality problems of press 2ing f rom crack ,wrinkle ,distortion and so on.Under many circumstances ,setting drawbead even determines pressing success or failure.This article summarizes the current status of dawbead in sheet metal forming on its principle ,restrain force model ,influence factors etc.

Key words :sheet metal forming ;drawbead ;drawbead restrain force

　　冲压成形作为一种重要的金属塑性成形方法,广泛应用于汽车、航空、家电、包装等工业领域。板料成形技术水平的高低直接影响着汽车品质、制造成本和开发周期,进而影响整个汽车产品的综合经济效益。

在拉延成形中,坯料上各部分的变形状态相当复杂,差别很大,各处应力也很不均匀,这使得板料在成形时各处沿凹模的流动速度不一致,造成拉延后的覆盖件有些部位起皱,有些部位出现裂纹。为了改善板料的流动情况,通常在凹模口部设置拉延筋,改变板料在凹模口部的流动阻力,使得整个零件

的流动速度均匀,从而提高零件的成形质量。在很多情况下,拉延筋设置是否合理决定着冲压成形的成败[1-2]。在拉深工艺设计时,必须考虑是否需要布置拉延筋,拉延筋形式以及几何参数怎样确定等问题[3-4]。

国内外许多学者在拉延筋工作原理、阻力模型、影响因素等方面对拉延筋进行了大量的研究。

1　拉延筋阻力形成机理的研究

20世纪80年代初,通用汽车公司的H D Nine [5]

第1卷　第2期　　李小平等:板料成形拉延筋技术研究现状

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　专门设计了拉延筋阻力模拟测试仪,目前拉延筋机理研究的主要仪器,如图1所示

。该测试仪将板料

图1　Nine 设计的拉延筋模拟装置

Fig.1　Drawbead simulation equipment designed by Nine

通过拉延筋时的阻力分离为两部分:弯曲/反弯曲力和摩擦力。其中,弯曲变形力约占整个拉延筋阻力的65%～85%。这一研究为拉延筋阻力形成机理的研究工作提供了非常有价值的实验方法和数据。

1978年,C.Weidemann [6]将拉延筋阻力分为2

部分:板料通过凸、凹筋圆角时必须克服的摩擦力;由于弯曲/反弯曲变形产生的变形阻力。

1986年,Michigan 技术大学的B Maker ,S K Samanta [7-10]等人基于大位移、大转动的弹塑性有

限元理论,运用壳单元、库仑摩擦定律,编写了用于计算板料经过拉延筋时应变状态及拉延筋阻力的有限元程序,研究了摩擦系数、拉延筋几何参数和材料参数对拉延筋阻力及板料应变分布的影响,并做了大量的实验。

1993年,俄亥俄州大学的J.Cao 和M.C.Boy 2ce [11]利用有限元软件ABAQus 研究拉延筋压入深

度对拉延筋阻力的影响,并将结果与Nine 的实验数据比较,最大误差为18.2%,最小误差为零,平均误差为9.2%,说明了有限元计算结果的可靠性。

哈尔滨工业大学的邢忠文和杨玉英[12-14]等人针对拉延筋阻力的形成机理做了大量的实验研究,指出拉延筋阻力是由板料通过拉延筋时的弯曲/反弯曲变形力和摩擦力以及因变形硬化引起的内在变形抗力等3部分共同组成。

上述研究基本上弄清楚了拉延筋阻力的形成机理:由板料通过拉延筋时的弯曲/反弯曲变形力,摩擦力,以及因变形硬化引起的内在变形抗力等3部分共同组成。

2　拉延筋阻力模型的研究

1978年,C.Weidemann [6]提出了Weidemann

拉延筋阻力模型。该模型形式简单,易于使用,但是计算精度较低。

1982年,Chrysler 公司的N M Wang [15]建立了

半圆形拉延筋阻力的平面应变钢塑性数学模型。应用于拉延筋压入深度不小于拉延筋半径的情况,计算值与实验值吻合较好,反之,误差较大,且需编制

复杂的计算程序。

1983年,B S Levy [16]考虑材料的各向异性和应

变率,应用虚功原理,根据Nine 的实验数据回归出

一个拉延筋阻力的预测模型。该模型形式比较简单,但缺乏通用性。

1988年,Stoughton [17]在能量守恒原理的基础

上提出了Stoughton 拉延筋阻力数学模型。该模型既考虑了材料的硬化特性、各向异性特性和板料在弹性变形时厚度的变化,又给出了拉延筋阻力和防止压边圈被抬起的最小压边力的计算公式,且可计算弯曲角和等效弯曲半径。但具有形式复杂,必须确定每一点弯曲和反弯曲角,实际操作比较困难的缺点。

1992年,S.Kluge [4]提出Kluge 拉延筋阻力模

型,该模型考虑了材料的硬化效应,忽略了材料的各向异性特性,板料的弹性变形和厚度变化。

Ghoo [18-19]等将试验数据进行拟合,得出了由

半圆筋、方筋或拉深槛等各种拉延筋结构形式组合成的组合拉延筋阻力计算模型。

国内李尚健[20]建立了与N M Wang 的数学模型相似的拉延筋阻力模型,并将计算结果与实验值进行了比较。上海交通大学的包友霞等人[21-22]建立了一种改进的等效拉延筋阻力模型。该模型基于C Weidemann 模型,考虑了材料硬化、厚向异性系

数等对拉延筋阻力的影响。李东升[23]等人考虑应变增量,推出简单的拉延筋阻力计算公式。朱勇建[24]等人结合计算机模拟改进了李东升提出的公式。李大永[25]等应用平面应变假设,考虑材料的各向异性、应变速率敏感性,将板料在循环加载过程中的包辛格效应进行简化,并忽略中性层的偏移以及板厚的变化,提出一种拉延筋阻力计算模型。徐丙

坤[26]等人应用虚功原理,对板料经过拉延筋时的变形进行分析,得到平均外力的计算公式。郭玉琴[27]将拉弯理论与虚功原理相结合,考虑了材料的各向异性、加工硬化及包辛格效应推导出一种计算公式。上海交通大学的叶又等利用D YNA FORM,采用基于随动强化材料模型的计算方法和平面应变假设,计算板料经过半圆形拉延筋时的拉延筋阻力和厚向应变,由此得出的拉延筋阻力比采用各向同性强化材料模型更接近实验结果[28]。

郑刚、李光耀[29]等人引入响应面方法和遗传算法建立了基于近似模型的拉延筋几何参数反求法。结果表明:在设计兴趣域内,基于近似模型的拉延筋几何参数反方法可快速寻优。

1995年,B.D.Carleer[30]建立了同时考虑拉延筋阻力和厚向应变效应的等效拉延筋模型,其与物理试验更吻合,尤其是板料通过拉延筋时的厚向应变分布状况。

1998年,T.Meinders[31]建立了一种基于罚约束法的拉延筋等效模型。将该拉延筋等效模型应用于盒形件拉深仿真,当材料为弹塑性模型时,比只考虑筋阻力的等效拉延筋模型的仿真结果更加符合实验结果。

由于板料经过拉延筋的变形过程较为复杂,在推导这些模型时,考虑的因素不同,建立的模型不同,其计算精度也不相同;为了考虑某些因素,需要引入一定的假设,这也影响了模型的计算精度。

3　拉延筋阻力影响因素的研究

Lloyd[32]和M.J.Paiter[33]分别于1966年和1976年,针对半圆形拉延筋在拉深实验仪上进行的研究,得出拉延筋阻力随筋的压入深度、摩擦系数、拉延速度的变化而变化。

1991年,Chrysler公司的N M Wang和V C Shah[34]在M TS成形性能测试仪上,针对半圆形筋,矩形筋,拉深槛,矩形筋与拉深槛的组合筋等4种拉延筋,研究了不同润滑条件、夹紧力时的拉延阻力大小及其对冲压件极限拉延深度的影响,指出拉延筋的几何形状是影响阻力大小的重要因素。

国内邢忠文和杨玉英[12-14]等人也在大量实验的基础上研究了拉延筋阻力的影响因素,指出影响拉延筋阻力的因素包括拉延筋的形式、拉延筋几何参数、材料特性、润滑条件、变形速度、压边力等,其中拉延筋形式和几何参数影响程度最大。杨玉英[35]等人基于自己开发的成形模拟软件,分析了拉延筋的几何形状对压边力和拉延筋约束阻力的影响。高凯祁、胡世光[36]提出在拉延成形中,拉延筋、凹模圆角参数设计需要满足拉延筋各几何参数间的约束、筋参数变化约束以及“协同变化”原则。

目前,虽然已经搞清楚了影响拉延筋阻力的因素有哪些,但是,对这些因素的影响基本上都是一个定性的研究,没有定量的研究,没有清晰的表达。因此研究人员或者工艺设计人员,仍然只能通过他们的经验设计拉延筋。

4　其他研究

Waterloo大学的Jo hn A Schey[37-39]等人应用Nine设计的拉延筋模拟测试仪研究了润滑条件、筋表面粗糙度对普通钢板和镀层钢板的摩擦系数的影响。

1994年,B.D.Carleer[10]采用基于混合欧拉2拉格朗日算法的有限元成形对半圆形拉延筋进行了分析。

Y Q Guo,H Naceur[40-42]等人基于一步法,采用多种质量评价函数,对拉深变形中的拉延筋进行了一系列优化设计研究,并开发了优化算法。

日本的T Ohata[43]提出一种“扫描单纯形法”并应用于拉深件的工艺参数的优化设计,之后又将网格法与单纯形法相混合,以降低有限元计算次数。但采用这种混合方法对某些问题求约束优化时,所得到的解可能超出可行域,甚至无法求解。针对这一局限性,包友霞[21-22]等将单纯形法进行了改进,使其在求解约束优化问题时,既保证后期单纯形法中生成的初始单纯形点、反射点和延伸点均落在变量的可行域内,又保证了算法的可行性和有效性。他们还将改进的计算方法应用于薄板拉深成形中拉延筋的参数优化中,取得了预期的效果。

国内邢忠文[13]等应用弹性大变形有限元理论,开发出针对半圆形拉延筋的数值模拟软件。

现在已经提出的拉延筋优化设计,即对影响拉延筋阻力的各个因素的综合考虑的设计,给每个影响因素一个影响因子,使设计人员能更好地使用前人的研究结果。但是这方面的研究尚不成熟,还有第1卷　第2期　　李小平等:板料成形拉延筋技术研究现状55

待于进一步提高。

5　展望

至今为止,对拉延筋的研究虽然很多,但是在大型薄板拉深成形模具设计中,拉延筋的布置及几何参数等大多仍凭经验确定。因此,在模具的调试过程中,还需要对拉延筋进行多次调整和打磨,原设计往往被修改得面目全非,严重时甚至导致整个模具作废。这样,不仅增加模具调试的时间和难度,而且浪费大量人力和物力,延长了模具设计和制造周期,提高了制造成本[44]。

半个多世纪以来,拉延筋的研究已经取得了许多重要成果,在改善成形、提高产品质量方面发挥了重要的作用。目前,该领域正在向提高模拟精度和设计效率方向发展。其主要发展方向如下。

1)提高拉延筋阻力模型的计算精度,使其准确反映真实拉延筋的特点;

2)研究真实拉延筋与等效拉延筋在数值转换上的关系,提高数值模拟的精度;

3)建立拉延筋设计资源库,方便研究者、设计人员等查阅;

4)研究具有变拉延筋阻力结构的模具结构。

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