基于Dynaform的盒形件拉深成形仿真技術研究

管艷杰，游曉紅

（太原科技大學，山西 太原 030024）

基于Dynaform的盒形件拉深成形仿真技術研究

管艷杰，游曉紅

（太原科技大學，山西 太原 030024）

板料拉深是一個非常復雜的塑性變形過程，如何提高工藝質(zhì)量及效率是一個普遍關注的問題。本文以盒形件拉深為例，通過Dynaform軟件對其拉深工藝進行了模擬研究，并用正交試驗分析了幾種主要工藝參數(shù)對制件局部減薄的影響。

機械制造；拉深；盒形件；板料成形；Dynaform

1 引言

板料拉深成形是現(xiàn)代工業(yè)中的一種重要加工方法，在汽車、航空航天等領域都有廣泛的應用，是一個同時包含幾何、材料和邊界條件非線性的非常復雜的力學過程[1]。在板料成形生產(chǎn)中，一般用于試制模具需要近3年的時間[2]。而在市場競爭日益激烈的情況下，對縮短開發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越迫切。于是，有限元模擬應運而生。它不僅能模擬制件成形過程，更能夠形象地揭示材料的變形機理，使設計人員根據(jù)已有經(jīng)驗實時調(diào)整模具參數(shù)及成形工藝，修改毛坯形狀和尺寸，大大縮短試模和修模時間，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率[3～4]。

板料拉深成形涉及到材料、幾何、邊界非線性，精確數(shù)值模擬難度較大。因此，以有限元方法為基礎，研究工藝參數(shù)對成形過程的影響規(guī)律，并進一步尋求最優(yōu)工藝方案，具有實踐和理論的雙重意義[5]。

2 盒形件拉深成形機理

從幾何形狀來看，可將盒形件劃分成兩個長度為（a+2r）和兩個長度為（b+2r）的直邊加上四個半徑為r的1/4圓筒部分組成。若將直邊部分和圓角部分分開考慮，則直邊部分的變形相當于彎曲，圓角部分的變形相當于直徑為2r、高為h的圓筒件的拉深。但實際上直邊部分和圓角部分是聯(lián)系在一起的整體，因此，盒形件的拉深又不完全等同于簡單的彎曲和拉深，有著自己的變形特點。

盒形件是典型的非軸對稱拉深件，圓角區(qū)與直邊區(qū)相互作用相互制約，使得變形比較復雜[6]。拉深變形時，應力、應變在變形區(qū)內(nèi)沿周邊的分布很不均勻，隨著零件幾何參數(shù)、毛坯形狀以及拉深條件的變化，其不均勻程度也會變化。盒形件拉深時，變形區(qū)圓角處與直邊處的金屬由于位移不同而誘發(fā)的剪應力能降低圓角處傳力區(qū)的軸向拉應力，即變形區(qū)直邊處產(chǎn)生拉深變形，減小了圓角處變形區(qū)的變形抗力[7]。

3 仿真模型的建立

盒形件沖壓成形模具由凹模、沖頭、壓邊圈組成，幾何尺寸如圖1所示。假設在板料成形過程中，各成形模具都為不產(chǎn)生變形的剛體，采用離散剛體模型將模具簡化為其與板料接觸并發(fā)生作用力的剛性幾何曲面，整個過程中，只有板料發(fā)生塑性變形，故定義為變形體。

采用UG軟件建立深盒形件拉深成形的幾何實體模型，如圖2所示。從實體模型中抽取曲面，經(jīng)過組合體中的縫合功能將曲面縫合成一個整體，再通過曲面轉(zhuǎn)換將格式轉(zhuǎn)換成IGES格式，再將模具型面導入到有限元模擬軟件Dynaform中。

在建立了準確的幾何模型后，仿真精度和計算效率取決于有限元模型。為了提高仿真精度和計算效率，在建立有限元模型時，必須考慮單元類型、單元數(shù)目和單元尺寸的控制等因素。有些學者使用固體單元來模擬薄板成形，這種單元的計算結(jié)果較好，但計算時間較長。因此，從計算的簡單性、經(jīng)濟性以及可靠性出發(fā)，薄殼單元最適合薄板沖壓成形仿真分析。BT殼單元是Dynaform缺省的單元公式，它采用面內(nèi)單點積分，對大變形問題是最穩(wěn)定和有效的公式[8]。因此，在此選擇BT殼單元。網(wǎng)格劃分后的三維模型如圖3所示。

圖1 盒形件模具尺寸示意圖

圖2 盒形件拉深三維實體模型

圖3 劃分網(wǎng)格后的有限元模型

4 正交試驗及拉深各工藝參數(shù)的分析

正交實驗是研究多因素交互作用的一種重要試驗方法。該方法運用數(shù)理統(tǒng)計技術，通過對試驗因素的合理安排和對試驗數(shù)據(jù)的有效處理，來縮短試驗周期，減少試驗次數(shù)，降低試驗成本。它的前提是借助正交表對試驗因素進行合理安排。正交表是一張按照數(shù)理統(tǒng)計原理建立起來的規(guī)格化表格，其特點是：搭配均勻，綜合可比。

用正交表安排試驗，不僅能夠把每個試驗因素的作用分辨清楚，找出最佳的水平搭配，而且還能夠大大減少試驗次數(shù)。正交表通常分為同水平正交表(如 L934)和混水平正交表(如 L841×24)兩大類。可用一組符號表示正交表，例如LR（ij），其中：L——正交表，R——不重復的實驗次數(shù)，i——各因素的水平數(shù)，j——因素的個數(shù)。所謂因素是指影響實驗結(jié)果的某種原因或要素；所謂水平是指每個因素的可變參數(shù)(可變條件)。另外，在正交表中還應同時列出實驗指標以評價試驗結(jié)果。

4.1 正交試驗參數(shù)設計

表1和表2分別給出了正交試驗的水平和因子以及L9的試驗結(jié)果

表1 實驗水平和因子

表2 正交表和實驗結(jié)果

4.2 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗目的是使最小厚度盡量大，故我們選用B型信噪比函數(shù)，即：

計算各組試驗的信噪比：S/N=η。根據(jù)以下試驗數(shù)據(jù)，我們可以利用ANOVA方法，找出工藝條件的最佳組合和各個因素的影響程度，確定最大影響因素。

各個因素的水平值：（A1表示A因素在水平1時的值，A2、A3、B1……依此類推）。

A1平均值的計算：在試驗1、2、3中含有A1，所

圖4 不同工藝參數(shù)的信噪比比較

將以上數(shù)據(jù)繪制成圖表形式（如圖4），可以更清晰看出各工藝參數(shù)對拉深工藝的影響。

由圖可見，信噪比最大的分別為：A1，B1，C3，D1，即最佳工藝參數(shù)組合為A1B1C3D1。其中摩擦系數(shù)對局部最小厚度的影響最大，其次是壓邊力、模具間隙，最后是拉延筋阻力。它代表最佳工藝參數(shù)組合為：壓邊力FBHF=15kN，摩擦系數(shù)FC=0.1，模具間隙MG=1.5，拉延筋阻力F=42.64N。由于優(yōu)化的拉深工藝參數(shù)組合并不包括在已有的實驗中，我們可以間接預測最佳工藝組合下的局部最小厚度。假設各個工藝因素之間不相互耦合，預測的最優(yōu)信噪比水平ηA1B1C3D1可計算如下：

5 結(jié)論

（1）Dynaform 軟件作為比較成熟的有限元模擬軟件，能夠很好地對板料拉深成形工藝進行模擬及結(jié)果預測，從而縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

（2）通過對正交試驗結(jié)果的分析，可以得出各參數(shù)對底部局部減薄影響程度由高到低依次是摩擦系數(shù)、壓邊力、模具間隙、拉延筋阻力。在考慮范圍內(nèi)的最佳組合為：壓邊力FBHF=15kN，摩擦系數(shù)FC=0.1，模具間隙MG=1.5，拉延筋阻力F=42.64N。

[1] 岳陸游，姜銀方，陳 煒.DYNAFORM-PC軟件及其在鈑金沖壓中的應用[J].江蘇大學學報，2002（11）.

[2] 何金保，孫東明，肖 陽.DYNAFORM-PC在板料成型中的應用[J].昆明理工大學學報，2004（12）.

[3] 陳元方，夏 華，陳世平.卡盤成形工藝有限元模擬分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2004（2）：95-97.

[4] 郝愛國，周朝輝.曲面零件成形的數(shù)值模擬分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2008，（6）：67-68.

[5] 毛狄評.方盒件拉深成型問題的有限元分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[6] 王鳳琴.盒形件拉深智能化控制關鍵技術的研究[D].秦皇島：燕山大學，2003.

[7] 楊玉英.盒形件成形機理的探討.鍛壓技術，1989（3）：26-30.

[8] 溫莉娜.車身覆蓋件沖壓成形仿真及工藝優(yōu)化[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2007.

Study on simulation technology for drawing process of rectangular box based on dynaform

GUAN Yanjie,YOU Xiaohong
（Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,Shanxi China）

Taking box as an example,by use of Dynaform,the simulation study on its drawing process has been carried on in the text.The influence of some main process parameters on the local thinning issue has been analyzed by orthogonal experiment.

Drawing;Box;Sheet metal forming;Dynaform

TG386.3+2

A

1672－0121（2012）02－0065－03

2011－12－15

管艷杰（1986－），女，碩士在讀，主攻塑性成形工藝技術研究