板材單點漸進成形破裂模擬優化與實驗驗證

耿 佩 ，崔玉琦 ，黨 杰 ，馬 晶

（1.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400044）

板材單點漸進成形破裂模擬優化與實驗驗證

耿 佩1，崔玉琦2，黨 杰1，馬 晶1

（1.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400044）

針對漸進成形工藝加工半錐角較小制件側壁厚度減薄及破裂問題，基于ABAQUS建立漸進成形有限元分析模型，并進行數值模擬與結果分析。對于板材破裂及厚度分布不均現象提出優化方案，并完成數值模擬與實驗驗證，結果顯示，實驗加工與數值模擬結果基本一致。最后總結出漸進成形中板材發生破裂的原因、本質及解決方法。

漸進成形；破裂；實驗驗證；模擬優化

隨著現代工業的快速發展，產品更新換代的周期逐漸縮短，對小批量金屬板類零件的需求越來越高。傳統的板材成形工藝其模具制作周期長，費用高，難以適應小批量多品種生產和樣品試制的需要[1-2]。

20世紀90年代初，松原茂夫[2]提出一種新型金屬板材數字化漸進成形技術，為新產品的快速開發提供了一種先進手段。目前，漸進成形技術主要應用于航空航天、汽車制造、輕工等領域。此種成形技術柔性化程度高、適應性強，不存在對模具的依賴，能很好地滿足市場對產品多樣性、快速性的要求，但同時也存在著各種成形缺陷，如壁厚減薄嚴重及分布不均、破裂、起皺等失穩現象，其中，板材厚度分布不均及破裂是當前亟待解決的主要問題[3-4]。

1 單點漸進成形有限元模型的建立

建立漸進成形過程的有限元模型首先要建立描述成形過程的幾何模型。對于漸進成形過程，主要研究的是成形過程中板材的變形情況，不涉及成形設備的相關分析內容。因此，在描述成形過程的幾何模型時，忽略設備模型，達到簡化模型的目的。

本文針對圓臺件成形，已借助UG8.5中建立了單點漸進成形CAD模型，包括工具頭、板材、壓邊圈及圓臺支撐件，將其依次導入ABAQUS中，并按照漸進成形工藝特點進行裝配。其裝配后的有限元模型如圖1所示。

圖1 單點漸進成形有限元模型

模擬初始圓臺支撐件的半錐角為20°，采用材料DC56鋼材，板厚0.8mm，其材料性能參數如表1所示。導入有限元模型及材料參數之后，基于ABAQUS前處理模塊，對其進行分析步設置、定義接觸關系、邊界條件和載荷并劃分網格，最后提交分析。

表1 DC56材料主要參數值

2 數值模擬結果分析

2.1 厚度分析

在漸進成形過程中，板材在工具頭作用下發生變形，由于變形過程中板材的體積不變而表面積在增加，因此成形后的板材勢必會減薄。研究表明，板材減薄后的厚度t與成形半錐角θ相關，并滿足正弦規律：t=t0sinθ[5]。板材的最小厚度值，是考察板材產生變形后是否發生起皺、拉裂等失穩現象的重要參數之一。如圖2所示為20°圓臺件數值模擬板材厚度分布圖。

圖2 20°圓臺件厚度分布模擬結果

由圖2可知，板材變形后側壁厚度明顯減薄，越靠近側壁中間處減薄越嚴重，制件頂面厚度變化不明顯。模擬進行到255步時，側壁處存在網格被擠壓現象，工具頭前端存在積料現象，最薄處厚度為0.1751mm，遠遠小于t×sinθ=0.2636mm的最小厚度，此時可以判定該制件發生破裂。

2.2 應變分析

半錐角20°的板材變形應變結果如圖3所示，由圖可知，破裂處的變形程度明顯強于其他側面。這與零件在實際加工中的情況是一致的，在實際加工中每個側面的變形程度是不同的，破裂的發生也不具有對稱性。由圖可知破裂處的等效應變已經達到3.636。

圖3 20°圓臺件應變分布模擬結果

由圖3還可知，零件的法蘭區域以及底部幾乎沒有發生變形，側壁變形明顯，尤其是工具頭每次進刀處變形最為明顯。并且最大等效塑性應變均發生在制件的側壁上，故破裂最可能出現的位置即側壁等效應變最大處。

3 優化模擬及結果分析

上述模擬結果顯示出半錐角為20°的板材出現破裂及側壁壁厚分布不均現象。為改善模擬效果，將底部支撐半錐角增加到21°，其他條件保持不變，重新模擬，其板材變形厚度分布如圖4所示。板材變形基本規律與20°時相同，側壁厚度明顯減薄，且側壁中間處減薄最為嚴重，最薄處板材厚度為0.2662mm。雖然板材變形后側壁減薄嚴重，但并沒有發生破裂，且厚度分布相對20°板材更加均勻。

圖4 20°圓臺件厚度分布模擬結果

重新模擬后的板材應變分布情況如圖5所示。板材側壁應變有所增大，最后加工處的等效應變均大于側壁其他位置，最大等效應變值為3.149。制件的法蘭區域以及底部幾乎沒有發生變形，側壁變形明顯，尤其是工具頭每次進刀處變形最為明顯。并且最大等效塑性應變均發生在制件的側壁上，因此當成形半錐角越小時破裂最可能出現的位置是側壁等效應變最大處。很明顯，隨著成形半錐角的增加，零件的最大等效應變逐漸減小，且側壁等效應變的分布也越來越均勻，制件成形質量變好。

圖5 21°圓臺件應變分布模擬結果

4 實驗驗證

為驗證上述模擬結果的準確性，將半錐角分別為20°和21°的板材進行單點漸進成形的實際加工，板厚仍采用0.8mm，工具頭尺寸及其他條件與模擬基本保持一致，加工結果如圖6所示。由圖可知，21°圓臺件在實際加工中完好無損，沒有明顯缺陷；20°圓臺件與模擬結果一致，出現嚴重的破裂現象，且出現破裂的位置與數值模擬所預測基本相符，都在制件側壁位置。

圖6 加工實驗結果

5 總結

板材破裂的本質是材料的強度或塑性不足，當拉應力超過臨界值時便會發生。板材漸進成形中經常出現破裂缺陷，如板材產生變薄拉深變形時局部出現變薄嚴重現象[6]。

導致板材破裂的原因主要是板材本身有裂紋和夾層，金相組織不均，晶粒太大，硬度不均等；或者成形半錐角θ大于板材成形極限角，導致板材減薄量太大，產生破裂。

破裂問題一直是板材漸進成形中存在的主要缺陷，針對破裂產生的原因，可從以下三個方面入手來解決：①減小變形區所需變形量；②提高材料塑性變形能力，選用延伸率較大或者硬化指數較大、塑性變形能力較強的材料；③增大變形區域和變形均勻化程度，減少集中變形。

[1]莫健華，韓 飛.金屬板材數字化漸進成形技術研究現狀[J].中國機械工程，2008，19（4）：494-497.

[2]松原茂夫.數值制禦逐次成形法[J].塑性と加工，1994，35（406）：1258-1263.

[3]周小磊.金屬板材多點復合漸進成形破裂缺陷研究[D]。南昌：江西理工大學，2015.

[4]李軍超，毛 鋒，周 杰.板材單點漸進成形工藝數值模擬與成形缺陷研究[J].熱加工工藝，2010，（5）.

[5]李湘吉，李明哲，蔡中義.板料單點漸進成形數值模擬研究[J].鍛壓技術，2009，（4）.

[6]高錦張.板料數控漸進成形技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

Simulation optimization and experimental verification of fracture during single point incremental forming process for sheet metal

GENG Pei1,CUI Yuqi2,DANG Jie1,MA Jing1
（1.Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi China;2.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China）

Aiming at the side wall thickness thinning and fracture issues of workpieces with small semi-cone angle during single point incremental forming process,the finite element analysis model of the process has been established on the basis of ABAQUS.The numerical simulation and analysis have been conducted.The optimized proposal for plate fracture and uneven thickness has been put forward.The numerical simulation and experimental verification have been completed.The results show the experimental results agree with the numerical simulation results.Finally,the reason,nature and solution of the plate during single point incremental forming process have been summarized.

Incremental forming;Fracture;Experimental verification

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.020

1672-0121（2017）04-0068-03

2017-03-12；

2017-05-06

西安航空職業技術學院2016～2017年度自選綜合科研項目（16XHKY-017）

耿 佩（1987-），女，碩士，從事金屬塑形成形加工工藝研究。E-mail：gengpei119@163.com