不同沖壓速度對板料成形的影響

文／范澤，張潤輝，昝祥·合肥工業大學材料科學與工程學院

不同沖壓速度對板料成形的影響

文／范澤，張潤輝，昝祥·合肥工業大學材料科學與工程學院

普通曲柄機械壓力機在工作時，其滑塊的真實運動速度軌跡可以近似為一個正弦曲線。然而在大多數的有限元分析中為了提高計算效率和簡化計算過程，往往采用的是恒定速度，且遠大于真實情況下的虛擬沖壓速度。這樣不僅增加了偏離實際的慣性效應，而且無法準確的反映出速度的變化對成形過程的影響。

沖壓速度是板料成形的重要工藝參數，在不同的沖壓速度下材料達到不同的成形極限，并表現出不同的加工硬化特性。對于同一沖壓零件，不同部位的材料所能承受的變形程度和變形速度也不盡相同。為研究真實沖壓速度對板料成形質量的影響，本文以拉深同等高度的筒形零件為例，分別采用不同的真實沖壓速度和恒定速度對其進行有限元模擬，研究不同沖壓速度下成形過程中等效應力、應變及截面厚度的變化規律。

筒形件成形過程的有限元分析

模型的建立

圓筒件拉深是板料成形中一種非常典型的成形過程，圖1給出了其成形零件的模具結構圖，并據此為代表分析其成形過程。根據圖1所示拉深筒形件的模具尺寸，建立有限元模型裝配圖（圖2a）和坯料的有限元網格模型（圖2b）。在分析中各部件均為三維殼模型，沖頭、凹模和壓邊圈為解析剛體。對于圓形坯料，單元類型為可變形的4節點4邊形殼單元（S4R），該單元類型具有沙漏控制和減縮積分控制特性。根據筒形件拉深變形的特點，底部為不變形或少變形區，因此對于不同的變形位置采用不同的網格劃分方式。

圖1 拉深模具結構圖

圖2 有限元模型裝配圖及有限元網格劃分

坯料規格直徑為100mm，厚度為1mm，材料為08F鋼，查閱相關資料得到其力學特性為：密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為207GPa，泊松比為0.3。由于拉深過程中沖壓速度是不斷變化的，因此采用含有應變率效應的唯象本構Johnson-Cook模型表述材料的力學性能。模具與板料之間的摩擦采用庫倫摩擦模型，摩擦系數μ為0.15。壓邊力根據公式F=Aq，式中F為壓邊力，A為壓邊圈投影面積，q為單位壓邊力，取q=3MPa，根據給出的參數計算得到壓邊力F為14500N。

由于本文研究沖壓速度對成形性能的影響，因此利用ABAQUS/Explicit進行模擬時采用速度邊界條件控制沖頭的運動，滑塊有效行程為20mm。為此本文定義了三組不同的沖壓速度曲線：初始速度分別為500mm·s-1、800mm·s-1和1000mm·s-1三條正弦速度（真實速度）曲線及其對應的恒定速度（虛擬速度）曲線。

結果分析

⑴不同沖壓速度下模擬的等效應力、等效應變及截面厚度。

為了研究不同速度的變化對板料沖壓成形性能的影響，需要了解板料在變形過程中各節點的應力、應變的分布。為此，選取如圖3所示的截面線，該截面線連接中心到邊緣，貫穿板料，具有一定的普適性。圖3中A、B、C、D、E分別對應板料底部區域、沖頭圓角處、直壁部分、凹模圓角處和凸緣部分。

圖3 所選取截面線的位置

三組沖壓速度曲線加載條件下，沿圖3所示截面線上各節點的Mises等效應力分布曲線如圖4所示。從圖4中可以看到，在三組沖壓速度曲線加載條件下，凹模圓角處（D區）的等效應力值最大，變形主要發生在此部分，其次是直壁部分（C區）和凸緣部分（E區），而板料底部區域（A區）對應的等效應力值最小。不同沖壓速度對直壁部分（C區）、凹模圓角處（D區）和凸緣部分（E區）的影響差別不大，而且隨著沖壓速度的增大，虛擬沖壓速度與真實沖壓速度對底部區域（A區）和沖頭圓角處（B區）的差距逐漸減小，對其他區域的影響并不明顯。

三組沖壓速度曲線加載條件下，沿圖3所示截面線上各節點的Mises等效應變分布曲線如圖5所示。與圖4對比可知，沿截面線上各節點的等效應變的分布規律與等效應力基本相同，不同虛擬沖壓速度對底部區域（A區）和沖頭圓角處（B區）的等效應變影響還是比較大的，而不同真實沖壓速度對各區域的影響幾乎大致相同。

圖4 三組沖壓速度下截面線上各點的Mises應力曲線

不同速度下沿截面線路徑上各節點的截面厚度分布曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，在沖頭圓角處（B區）減薄最為嚴重，與理論相符，虛擬沖壓速度比真實沖壓速度對此區域的截面厚度的影響要大。不同虛擬沖壓速度下，底部區域（A區）和沖頭圓角處（B區）受到的影響比較明顯，其他區域差別不大，而不同真實沖壓速度對各區域的影響均不是很大，這與等效應變的分布相對應。

圖5 三組沖壓速度下截面線上各點的Mises應變曲線

⑵不同沖壓速度下的FLD圖。

不同沖壓速度下的FLD對比圖如圖7所示。從圖7中可以看出，板料拉深成形時大部分單元的ε2＜0，即板料各單元應變處于壓縮狀態；而且隨著沖壓速度的增大，虛擬的沖壓速度與真實的沖壓速度各節點的主應變逐漸重合說明其對板料的影響在逐漸減小。

圖6 不同沖壓速度下截面線上的截面厚度分布曲線

圖7 不同沖壓速度下的FLD圖

結束語

利用動態顯示有限元方法模擬了不同沖壓速度下的板料拉深成形過程，結果表明：不同的沖壓速度對底部區域和沖頭圓角部分影響較大，對其他區域的影響較小；在一定的沖壓速度范圍內，隨著速度的增大，虛擬沖壓速度與真實沖壓速度的差距也在逐漸減小；隨著沖壓速度的降低，沖頭圓角部分的減薄也越明顯。