半球形正反沖壓有限元模擬

摘要：隨著計算機技術的飛速發展，數值模擬技術慢慢成為金屬板材塑性成形研究方向的一種可靠的探究技術，且對生產具有指導作用。本文基于Marc有限元軟件，對球形件一次拉深過程和正反拉深過程進行模擬，并以此探究其成形零件的應力應變分布規律。

關鍵字：半球形件；沖壓；有限元模擬

1.引言

板材成形的變形機制相當復雜，而理論分析中的其它方法，如主應力法、滑移線法、上限法和下限法等[1-3]，由于利用過多的假設，分析結果存在很大誤差，有時甚至是錯誤結果[4-6]。有限元法是對塑形成形過程進行數值模擬的最有效方法。運用有限元模擬，可以對金屬塑性加工過程金屬的流動進行分析，從而得出流動規律，應力應變分布規律等，依此來推測在相應的條件下所發生的實際過程，對設計方案和工藝參數進行評價和優化，篩選出最優的工藝方案[7-9]。有限元模擬無需建造物理模型，這相對于物理模擬，無疑就節省了大量的人力、物力和時間[6-10]。

2.球形件正反沖壓有限元模擬

2.1幾何模型及材料屬性

用Marc軟件對球形件一次拉深成形和正反拉深成形進行有限元模擬，所建模型為1/4對稱模型。其中坯料半徑為42mm，厚度為1.08mm，凸模半徑均為23.35mm，凹模內徑為24.35mm，凹模圓角半徑均為6.5mm。采用八節點六面體單元，共劃分12288個網格。

材料為304不銹鋼，經過公式換算 ， 得出材料的彈性模量E=145.757GPa，泊松比 =0.3，摩擦系數為 =0.1。

2.2 接觸條件及工況載荷設置

按照接觸類型將坯料定義為變形體，上凸模、下凸模、上凹模和下凹模定義為剛體，之后再定義兩個對稱面。

球形件二次正反深成形模擬時，兩個凸模的運動由的曲線給定，定義LOADCASE歷程的總時間為450s，總的步數為450，成形時凸模綜合位移為32mm。

球形件三次正反深成形模擬時，兩個凸模的運動由曲線給定，摩擦系數不變，定義LOADCASE歷程的總時間為600s，總的步數為600，成形時凸模綜合位移為32mm。

3.模擬結果及對比分析

3.1等效應力狀態分析

球形件正反拉深第一階段等效應力云圖，可以得到受力區主要在球底變形的區域；分析正反拉深過程中第二，三階段等效應力云圖，可以得到應力較大區域出現在球底貼模區域及其附近，球頂尖部位應力并不大，這是由于正反過程中該區域變形“翹起”未貼模；分析正反拉深最后成形時（未卸載）時等效應力云圖，該階段法蘭區和圓角區為主要受力區，球頂尖部位應力仍很小。

正反變形過程最大等效應力出現在了零件最后成形的階段，并可見在正反拉深中間過程中不會出現因為應力超過抗拉強度破裂的情況。

3.2等效應變狀態分析

分析球形件正反拉深成形第一階段應變云圖，該階段變形主要發生在坯料底部，坯料的其他區域變形量很小；分析球形件二次正反拉深成形第二階段等效應變云圖，可以看出變形主要發身在正反變形區域和球底區，而懸空區、凹模圓角區及法蘭區變形量很小；分析球形件二次正反拉深成形第三階段等效應變云圖，該階段變形主要發生在正反變形區及球頭區域，坯料其他區域變形量極小；分析為球形件二次正反拉深成形第四階段等效應變云圖，分析可知該階段最大變形發生在凹模圓角區，其次球頭部位變形量也很大，懸空區域變形量很小。

4.球形件正反拉深成形結束時的應力應變

4.1成形時應力對比

分析球形件一次拉深完全成形時（未卸載）中間一層的徑向應力和周向應力分布曲線。可以得到，徑向應力均為拉應力，在球頭部位基本不變，之后隨著與毛坯中心距離的增加下降，在凹模口附近出現峰值。周向應力變化與周向應變變化趨勢大致相似，在球底區隨著與毛坯距離的增大緩慢下降，致貼模點附近驟降為零，此處為應力分界圓。然后應力變為壓應力繼續下降，在凹模口出現一正應力峰值。徑向應力和周向應力在凹模口處出現峰值，是因為在凹模圓角處考慮存在摩擦阻力和彎曲阻力的作用。在球底區，徑向應力和周向應力均為拉應力，為雙向拉應力的脹形狀態。且在球底中心附近，徑向拉應力和周向拉應力同時出現峰值，減薄量最嚴重，所以該處最容易發生斷裂。

4.2成形時應變對比

三種拉深工藝下，徑向應變均為拉應變，且變化趨勢大體一致，而周向應變和厚向應變出現很大差異。首先，在球心處，隨著拉深正反次數增多，周向拉應變減小；其次，隨著正反次數增加，周向應變零點往球心處移動，即應變分界圓往球心移動。這就使得多次正反拉深時，脹形區范圍明顯減小。因為周向拉應變與周向壓應變值大幅度的減小，使得脹形區域減薄量也明顯減小。

分析球形件一次拉深、球形件二次正反拉深、球形件三次正反拉深三種拉深工藝下，通過計算得到的球形件最后成形時厚向應變的分布曲線。可以看出，正反拉深時球底區厚向應變明顯減小，正反次數越多，厚向應變變化越小。

三次正反時，厚度方向應變近似為零，這與前面模擬的得到的壁厚分布曲線規律基本一致。

5.結論

本文對球形件進行正反沖壓計算機仿真，將成形過程和仿真結果與傳統一次沖壓進行對比得出如下結論：

（1）正反變形過程最大等效應力出現在了零件最后成形的階段，并可見在正反拉深中間過程中不會出現因為應力超過抗拉強度破裂的情況；最大變形發生在凹模圓角區，其次球頭部位變形量也很大，懸空區域變形量很小。

（2）兩種工藝下的徑向應力分布基本相同。而在球底區，正反拉深時徑向應力明顯小于球形件一次拉深時的徑向應力。在球底中心區域，球形件一次拉深時，該區域周向應力為拉應力最大值。而球形件二次正反拉深時，該區域為微小的壓應力或較小的拉應力。

參考文獻：

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[4]郭烈恩，涂文斌. 金屬管、板材液壓成形工藝[J]. 新技術新工藝，2004（11）：52-53.

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作者簡介：

湯安朔（1982年12月—），男，山東省臨沂市人，工程師，研究方向：機械設計及自動化，信息化管理。