端蓋的落料、拉深、沖孔復(fù)合模設(shè)計(jì)(全套設(shè)計(jì)圖紙+說明書),沖孔,復(fù)合,設(shè)計(jì),全套,圖紙,說明書,仿單 沖壓成型拉延壁起皺分析 F.-K.陳， Y.-C.廖 機(jī)械工程部，臺(tái)灣大學(xué)，臺(tái)北, 中國(guó)臺(tái)灣 在沖壓臺(tái)階方盒形件、錐形方盒形件中發(fā)生的褶皺現(xiàn)象（的原因）已經(jīng)被調(diào)查出。兩種褶皺的共同特點(diǎn)是褶皺都出現(xiàn)在懸空的拉延壁上。沖壓錐形方盒形件時(shí)，工藝參數(shù)如凸凹模間隙和壓邊力等對(duì)產(chǎn)生褶皺的影響可以用有限元分析檢查出來。（有限元分析的）仿真結(jié)果顯示凸凹模間隙越大，褶皺就越嚴(yán)重, 并且這種褶皺不能通過增加壓邊力來消減。在對(duì)沖壓臺(tái)階方盒形件中產(chǎn)生的褶皺分析中, 對(duì)一個(gè)有相似結(jié)構(gòu) ( 臺(tái)階結(jié)構(gòu)) 的實(shí)際生產(chǎn)中的零件進(jìn)行檢查。在拉延壁上發(fā)現(xiàn)的褶皺歸因于在沖頭和臺(tái)階之間的金屬板材受到的拉延力的不平衡。通過有限元分析能夠確定最合理的可以減小褶皺的模具設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果和對(duì)不發(fā)生褶皺產(chǎn)品的觀察結(jié)果的吻合驗(yàn)證了有限元分析的精確性, 并且證明了對(duì)沖壓模具設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析的優(yōu)勢(shì)所在。 關(guān)鍵詞：拉延壁起皺；沖壓模具；階梯方盒形件；錐形方盒形件。 1.介紹 起皺是在金屬板料成型中常見的失效形式之一。 由于功能的和視覺效果的原因, 起皺通常不能為零件制品所接受。在金屬板料成型加工中通常存在三種類型的起皺現(xiàn)象：法蘭起皺，側(cè)壁起皺，和由于殘余壓應(yīng)力在未變形區(qū)產(chǎn)生的彈性變形。在沖壓復(fù)雜形狀之間時(shí)，拉延壁起皺就是在模具型腔中形成的起皺。由于金屬板料在拉延壁區(qū)域內(nèi)懸空，因此消除拉延壁起皺比抑制法蘭邊起皺要難得多。我們知道在懸空的拉延壁區(qū)域中材料的外力拉延可以防止起皺，這可以在實(shí)踐中通過增加壓邊力而實(shí)現(xiàn)，但是運(yùn)用過大的拉延力會(huì)引起破裂失效。因此，壓邊力必須控制在一定的范圍內(nèi)，一方面增抑制起皺，另一方面防止破裂。合適的壓邊力范圍是很難決定的。因?yàn)槠鸢櫾跊_壓零件的中心位置以一個(gè)復(fù)雜的形狀形成，甚至不存在一個(gè)合適的壓邊力范圍。 為了研究沖壓件褶皺的形成，Yoshida等人[1]做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是用一個(gè)不規(guī)則的金屬板沿著其中一條對(duì)角線進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。他們提出一個(gè)理想模型，起皺現(xiàn)象從橫向壓力在不規(guī)則應(yīng)力場(chǎng)中形成彈性屈服開始。Yu 等人[2,3]對(duì)起皺的問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性和分析性的研究。根據(jù)理論分析，他們發(fā)現(xiàn)起皺能產(chǎn)生兩條圓周形波紋，而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示有4到6條的皺紋。Narayanasamy和Sowerby [4] 用平底和半球形沖頭通過拉模研究金屬板料起皺。他們還嘗試將能抑制沖壓件起皺的沖頭分類。 這些結(jié)果集中體現(xiàn)在簡(jiǎn)單形狀沖壓件例如圓盒形件的起皺問題的研究中。90年代初，成功應(yīng)用三維動(dòng)態(tài)/精確有限元方法使得分析復(fù)雜形狀鈑金成型中的起皺問題變?yōu)榭赡堋，F(xiàn)在利用三維有限元方法研究沖壓錐形方盒形件和階梯方盒形件過程中拉延壁由金屬流動(dòng)引起的起皺現(xiàn)象。錐形方盒形件如圖1(a)所示，每面都有傾斜的拉延壁，與錐形圓盒形件的拉延壁相似。在沖壓過程中，金屬板料拉延壁相對(duì)不被支撐，因此可能出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。目前已經(jīng)研究過不同的過程參數(shù)對(duì)起皺的影響效果。就階梯方盒形件而言，如圖1（b）所示，可以觀察到另一類型的起皺。為了評(píng)測(cè)此分析的效果，對(duì)一個(gè)有相似結(jié)構(gòu)(臺(tái)階結(jié)構(gòu))的實(shí)際生產(chǎn)中的零件進(jìn)行檢查。運(yùn)用有限元分析確定了起皺的原因，而且確定最合理的可以減小褶皺的模具的設(shè)計(jì)。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的零件的檢查驗(yàn)證了運(yùn)用有限元分析設(shè)計(jì)的模具的合理性。 圖1.（a）.錐形方盒 （b）.階梯方盒 2．有限元模擬 用 CAD 軟件PRO/ENGINEER設(shè)計(jì)工具的幾何形狀,包括沖頭，模具和壓邊圈。 采用相同的CAD軟件對(duì)上述的構(gòu)件劃分三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)板殼單元網(wǎng)格系統(tǒng)。對(duì)于有限元模擬，要嚴(yán)格考慮構(gòu)件形狀，相應(yīng)的網(wǎng)格只是用于幾何形狀分析而不是應(yīng)力分析。用相同的CAD軟件對(duì)板料建立四節(jié)點(diǎn)板殼單元網(wǎng)格系統(tǒng)。圖2表示錐形方盒形件沖壓加工中工具和板料的網(wǎng)格系統(tǒng)。由于對(duì)稱條件，只有四分之一的方形盒件用于分析。在仿真中，板料靠著壓邊圈并被壓邊圈和模具夾緊。沖頭向上移動(dòng)使板料壓進(jìn)凹模。 圖2.有限元網(wǎng)格 為了執(zhí)行精確的有限元分析，要求輸入金屬板料的實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在研究金屬板料拉延仿真。拉延試驗(yàn)沿著試樣剖面軋制方向(0°)與軋制方向成45°和90° 的方向。平均應(yīng)力用關(guān)系式計(jì)算，圖3表示真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，用來對(duì)錐形方盒形件和階梯方盒形件沖壓加工進(jìn)行仿真。 這些仿真都是用有限元分析軟件PAM-STAMP在SGI Indigo 2工作站上運(yùn)行。 為了完成仿真必須輸入一些數(shù)據(jù)，設(shè)定沖頭速度為10 m s 、庫侖摩擦系數(shù)為0.1。 圖3.板料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 3．錐行方盒起皺 圖1（a）表示錐形方盒的一些相關(guān)維數(shù)，從圖1（a）可以看出,方形沖頭的長(zhǎng)度（2Wp)，凹模（2Wd)，拉深高度（H）被認(rèn)為是影響起皺的重要維數(shù)。在目前的研究中，凹模和沖頭尺寸的部分差異決定了模具間隙的大小，即G= Wd－Wp。拉延壁中相對(duì)無支撐金屬片的范圍大致由模具間隙決定。通過增加壓邊力的方法，也可以抑制起皺。與在沖壓錐形方盒產(chǎn)生的起皺相關(guān)的凹凸模間隙和壓邊力的效用將在下面的部分進(jìn)行研究。 圖4.錐形方盒起皺 3．1.凹凸模間隙效用 為了檢測(cè)模具間隙對(duì)起皺的影響，對(duì)錐形方盒形件進(jìn)行了三中不同的模擬測(cè)試，分別是20毫米的模具間隙，30毫米的模具間隙和50毫米的模具間隙。每次模擬中，模具的凹模邊長(zhǎng)定為200毫米，高度均為100毫米。三次模擬所用的金屬板料形狀都是380mm×380mm的正方形，厚0.7毫米。圖3顯示該材料的受到壓力時(shí)的曲線。 模擬結(jié)果表明在所有的三個(gè)錐形方盒中都產(chǎn)生起皺，50mm的拉深盒模擬形凹凸模間隙在圖4中顯示。 從圖4中看出起皺是分布在拉深壁上的，在拉深壁的附近的轉(zhuǎn)角是最明顯的。據(jù)稱，在沖壓過程中，拉延壁大面積的懸空區(qū)域?qū)е铝似鸢櫍?，由于模具間隙的影響，沖頭和凹模的邊長(zhǎng)也有所不同。由于彎曲壓力的存在，沖頭和凹模間拉延的金屬板料變得不穩(wěn)定。在壓縮過程中金屬板料的不受約束的拉延看起來是拉延壁起皺的主要原因。為了對(duì)比三種不同模具的結(jié)果，引入了兩種應(yīng)力的比例，當(dāng) 和 分別為主要應(yīng)力和次要壓力時(shí)，＝/,。Hosford和Caddell已指出如果的絕對(duì)值大于臨界值，那么就有可能會(huì)起皺。絕對(duì)值越大，起皺的可能性就越大。 圖4已標(biāo)出不同模具間隙的三種模擬形狀中同一拉延高度M–N交叉部分的值，而圖5則對(duì)其進(jìn)行劃分。從圖5可以注意到一點(diǎn)，三種不同模具縫隙的拉延壁上，角落區(qū)域起皺相對(duì)嚴(yán)重，而中間區(qū)域相對(duì)少。還留意到，模具縫隙越大，絕對(duì)值也就越大。因此，增加模具間隙將會(huì)增大錐形方盒形件拉延壁起皺的可能性。 圖5. 同一拉延高度M–N交叉部分的值 3．2壓邊力效用 我們知道，在沖壓過程中增加壓邊力有助于避免起皺。為了研究增加壓邊力的效果，選一個(gè)有50mm凹模的，和上面相同形狀并與嚴(yán)重起皺有聯(lián)系的沖壓錐形方盒，通過施加不同的壓邊力進(jìn)行模擬。壓邊力從100KN增加到600KN，分別產(chǎn)生了0.33MPa和1.98MPa的應(yīng)力。 其余的模擬所需的條件和前面部分所闡述的一樣。模擬中也使用壓邊力為300KN的壓邊圈。模擬的結(jié)果顯示，增加壓邊圈的力度并不能消除拉延壁的起皺。當(dāng)沖壓過程中壓邊力為100KN和600KN時(shí)，圖4所標(biāo)的交叉部分M–N的值相比，值一致。為了檢測(cè)兩種不同壓邊圈的力度所引起的起皺形狀的不同，圖4標(biāo)出了不同高度的拉延壁從底線到M–N線的5個(gè)交叉部分，而圖6則對(duì)這兩種情況進(jìn)行了劃分。從圖6可以注意到兩種情況下的交叉部分的曲線相似。這表明壓邊力并不影響錐形方盒形件沖壓過程中起皺的出現(xiàn)，因?yàn)槠鸢櫟男纬芍饕獨(dú)w因于一點(diǎn)，就是拉延壁大面積的懸空區(qū)域，存在著大量的橫向壓應(yīng)力。壓邊力不影響沖頭和凹模側(cè)壁之間材料的不穩(wěn)定性。 圖6.壓邊力（a）100kN ，（b）600kN 4．階梯方盒 在沖壓階梯方盒時(shí)，在拉延壁甚至是凹凸模之間發(fā)生的起皺都不是那么明顯。圖1表示一個(gè)用來沖壓階梯方盒的沖頭形狀，接著是拉延壁C和臺(tái)階部分D-E?，F(xiàn)在研究一個(gè)包含有這種幾何因素的實(shí)際零件。這種零件的材料厚度為0.7mm，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系從圖3所示的拉伸測(cè)試中獲得。 在沖壓生產(chǎn)零件的沖床中存在一個(gè)修整后深入拉延的工序。在深入的拉延過程中，不在壓料面使用拉延筋來阻礙金屬材料流動(dòng)。然而，由于沖頭的轉(zhuǎn)角半徑和復(fù)雜幾何形狀，在沖頭的頂部邊緣會(huì)產(chǎn)生裂縫，在實(shí)際零件的拉延壁上會(huì)產(chǎn)生起皺，如圖7所示。從圖7中可以看出起皺分布在拉延壁上，但更多的是在臺(tái)階部分的轉(zhuǎn)角邊緣，如圖1（b）所標(biāo)出的A-D和B-E。沿著整個(gè)沖頭頂部邊緣的金屬裂開，就形成了裂縫，如圖7所示。 圖7.實(shí)際零件的褶皺 為了進(jìn)一步了解壓邊圈變形的原因，進(jìn)行有限元模擬。圖8表示模擬零件的形狀，從圖8可以看出在主要延伸部分在頂部邊緣，拉延壁起皺的分布與實(shí)際拉延情況類似。 沖頭圓角半徑是引起拉延壁破裂的主要因素，如圖1（b）中標(biāo)出的A-B邊的圓角半徑和沖頭轉(zhuǎn)角A的半徑。然而，從有限元模擬結(jié)果看出，可以通過增加圓角半徑的方法來避免出現(xiàn)破裂。這個(gè)設(shè)想已經(jīng)由制造更大的圓角半徑的零件證實(shí)。 圖8.模擬零件的褶皺 嘗試用一些方法避免起皺。其中一種是將壓邊力增加到初始值的兩倍，然而，正如先前對(duì)錐形方盒進(jìn)行拉延的研究一樣，壓邊力對(duì)防止起皺的效果并不明顯。同樣的結(jié)果也可以從增加摩擦力和增加板料寬度的方法中觀察到，我們斷定這種起皺不能通過增加壓邊力的方法來排除。 起皺的形成是由于板料局部區(qū)域受到很大的壓縮力而有過度的金屬流動(dòng)。一個(gè)排除起皺的簡(jiǎn)單方法就是在起皺區(qū)域吸收多余的材料，必須在起皺位置上平行的布置拉延筋使多余的金屬能有效的被吸收?；谶@個(gè)設(shè)想，兩個(gè)拉延筋都布置在起皺位置的拉延壁上，如圖9所示。模擬的結(jié)果顯示，正如所預(yù)期的一樣，臺(tái)階轉(zhuǎn)角處的皺紋別吸收了，而其余的拉延壁仍出現(xiàn)一些褶皺。這就需要在拉延壁上布置更多的拉延筋，但從零件設(shè)計(jì)的角度來考慮是不允許的。 圖9.在拉延壁上設(shè)置拉延筋 對(duì)沖壓過程運(yùn)用有限元的研究的優(yōu)點(diǎn)就是板料成形缺陷可以在沖壓過程中觀察到，而這在實(shí)際生產(chǎn)中是不可能的。板料成形過程中，板料被沖頭壓入凹模而還沒出現(xiàn)起皺時(shí)在圖1（b）中D-E邊緣部分做記號(hào)，那起皺情況會(huì)在圖10中顯示出來。這就能給改進(jìn)模具設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的信息。 圖10.板料接觸臺(tái)階邊緣時(shí)起皺 引起起皺的原因最初的推測(cè)是在沖頭圓角半徑A和臺(tái)階圓角半徑D之間不均勻的拉伸板料，可在圖1（b）中觀察。因此，在模具設(shè)計(jì)時(shí)在加工臺(tái)階圓角部分進(jìn)行改進(jìn)，如圖11所示，為了能改善拉延條件，允許通過增加臺(tái)階邊緣來施加更多的拉延。然而，在拉延壁仍然出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)果意味著起皺的成因是在沖頭和臺(tái)階所有邊緣之間進(jìn)行了不均勻的拉延，并不是在沖頭轉(zhuǎn)角和臺(tái)階轉(zhuǎn)角之間。為了證實(shí)這個(gè)觀點(diǎn)，用兩種方法改變模具形狀：一是除去所有臺(tái)階，另一個(gè)是增加拉延次數(shù)，也就是用兩次拉延成形操作來沖壓想得到的形狀。模擬成形的方法如圖12所示，由于切除了低臺(tái)階，拉延過程就與拉延一個(gè)方盒的過程相似。從圖中可以看出那樣就可以防止起皺了。 圖11.臺(tái)階轉(zhuǎn)角的工藝切口 圖12. 模擬成形 在第二種拉延成形操作中，先對(duì)深層的接替金屬板料進(jìn)行拉延，如圖13（a）所示，接著，在第二部分成形操作中拉延低層臺(tái)階，即可獲得理想的形狀，如圖13（b）所示。從圖中可以清楚地看到，通過兩個(gè)拉延成形步驟制造階梯方盒就不會(huì)起皺。但必須注意到，在兩個(gè)拉延成形步驟中，如果次序相反，也就是說先拉延低層臺(tái)階再拉延深層臺(tái)階，如圖1（b）所示的深層臺(tái)階的邊緣就可能會(huì)破裂，因?yàn)榻饘匐y于順利從低層臺(tái)階流入凹模。 圖13.（a）為第一種操作成形過程，（b）為第二種操作成形過程 有限元模擬已經(jīng)顯示，用一次拉延的操作方法對(duì)沖壓階梯方盒的設(shè)計(jì)來說是難于實(shí)現(xiàn)的。然而，修改模具的加工成本要比有限元開發(fā)設(shè)計(jì)成本高，為了取得較低的制造成本，零件設(shè)計(jì)工程師應(yīng)適當(dāng)改變零件形狀，依照?qǐng)D12所示的切除低層階梯的方法有限元模擬的結(jié)果來改進(jìn)模具設(shè)計(jì)。隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)，實(shí)際制造出的模具在零件生產(chǎn)中能避免起皺，如圖14所示。零件的適合形狀也可從有限元模擬中獲得。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模擬的結(jié)果，從圖14中有限元模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的零件比較可知沿著橫截面G-H的厚度分布，比較關(guān)系如圖15所示。從圖15可以看出通過有限元模擬預(yù)測(cè)厚度分布，與實(shí)際生產(chǎn)測(cè)量到的位置吻合，這個(gè)方案證實(shí)了有限元分析是有效的。 圖14.實(shí)際制造出的零件 圖15.模擬結(jié)果中沿G-H的厚度分布 5.結(jié)論 有限元分析驗(yàn)證了在沖壓過程中產(chǎn)生的兩種類型的起皺，測(cè)試了起皺的原因，探討了避免起皺的方法。 第一種起皺類型出現(xiàn)在沖壓錐形方盒拉延壁上。起皺的原因是凹模側(cè)壁長(zhǎng)度和沖頭側(cè)壁長(zhǎng)度不同而存在的凹凸居間隙，當(dāng)金屬被壓入凹模時(shí)，凹凸模間隙導(dǎo)致了一個(gè)無法支撐的區(qū)域的產(chǎn)生，在沖頭和凹模側(cè)壁之間有一個(gè)不適宜的拉伸力。所以板料無法支撐的區(qū)域可能會(huì)起皺。有限元模擬顯示這種類型的起皺無法用增加壓邊力的方法來避免。 另一種類型的起皺是在一個(gè)有臺(tái)階形狀的真實(shí)沖壓零件中驗(yàn)證的，在階梯上甚至是在凹凸模間隙發(fā)生起皺并不明顯，根據(jù)有限元分析，起皺是由于在沖頭和臺(tái)階邊緣之間不均勻的拉延而產(chǎn)生的。在模具設(shè)計(jì)中做了很多嘗試，用了有限元模擬，最后確定了切除階梯的最佳設(shè)計(jì)。 致謝 作者感謝中國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)授予NSC-86-2212-E002-028這一項(xiàng)目，使其變?yōu)榭赡?。同時(shí)感謝KYM提供生產(chǎn)零件。