基于DeForm的板條沖壓扭曲成形數(shù)值模擬

王 磊，楊啟正，張如華

（1.南昌大學(xué) 共青學(xué)院，江西 九江 332020；2.湖南交通工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421008；3.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

0 引 言

扭曲是一種與彎曲、拉深、脹形、翻邊、縮/擴(kuò)口、旋壓等并列的板料成形加工方法[1-3]。近年來(lái)，扭曲成形件在一些專業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[4,5]。肖海濤等研究了相同工況條件下，扭曲工藝加工的離心泵葉片在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)使其效率更高，比未進(jìn)行扭曲工藝加工的葉片揚(yáng)程提高了2%[6]；王可勝等設(shè)計(jì)的壓力臂扭曲沖壓零件，實(shí)現(xiàn)了工序少、合格率高、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)[7]。

典型的沖壓工藝如彎曲、拉深、脹形等成形研究較完善，但扭曲成形工藝文獻(xiàn)甚少或僅見(jiàn)名詞[8]。趙偉等以方錐件為例，借助有限元數(shù)值模擬，表明漸進(jìn)成形中改變工具頭半徑和層間距能降低零件扭曲程度，提高零件成形精度[9]。

基于DeForm軟件模擬不同尺寸規(guī)格板條和多種工藝參數(shù)條件下扭曲成形的規(guī)律，結(jié)合工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，初步描述板條扭曲成形性能的影響。豐富金屬板料扭曲成形性能的內(nèi)容，為板料加工實(shí)踐提供借鑒和理論參考。

1 板條扭曲成形模擬試驗(yàn)

1.1 模擬試樣和夾具設(shè)計(jì)

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002[10]，圖1所示為設(shè)計(jì)的板條扭曲試樣（帶夾持部分），3種不同幾何尺寸的模擬試驗(yàn)板條具體尺寸如表1所示。

圖1 試樣零件

表1 模擬試樣主要幾何尺寸參數(shù)表 mm

1.2 有限元模擬建立

1.2.1 試驗(yàn)制件導(dǎo)入

為實(shí)現(xiàn)板條扭曲成形過(guò)程模擬，采用剛粘塑性有限元模擬方法分析扭曲變形性能影響[11,12]。試驗(yàn)板條坯料如圖2所示，試驗(yàn)為板條的純扭曲，考慮試驗(yàn)結(jié)果的可比性，扭曲試驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)為2個(gè)剛性制件只發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)且不產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的夾具，如圖3所示。利用CAD三維軟件SolidWorks建立扭曲試驗(yàn)?zāi)＞吆皖A(yù)成形毛坯的三維模型，將SolidWorks造型的板條與夾具模型以標(biāo)準(zhǔn)接口*.stl的格式輸出，導(dǎo)入模擬軟件DeForm-3D中[13,14]。

圖2 板料

圖3 夾具

1.2.2 試驗(yàn)條件設(shè)定

設(shè)置單位為公制（SI），板條材料選用AISI-1020（Machining），板條坯料為塑性體。坯料溫度及模具溫度為常溫20℃；采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元數(shù)為80 000；夾具材料為剛性體，兩端夾具均設(shè)置為相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其速度為10 rad/s。設(shè)置模擬的步數(shù)為200，設(shè)置儲(chǔ)存步數(shù)為10，設(shè)置每一步0.02 s。摩擦模型為常剪應(yīng)力摩擦，摩擦系數(shù)為0.24。

2 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)扭曲成形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同寬厚比的板條和不同夾具圓角進(jìn)行了18組模擬試驗(yàn)。針對(duì)板條尺寸和夾具圓角對(duì)扭曲成形的影響，應(yīng)用DeForm-3D軟件分析不同板條尺寸和夾具圓角下的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、損傷值、金屬流動(dòng)速率和壓力載荷的影響規(guī)律，如表2所示。

表2 不同幾何尺寸模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以長(zhǎng)度l為100 mm、寬度b為20.0 mm、厚度t為3.0 mm的板條為例，將其扭曲成形后的板條在X方向上l/2處剖開(kāi)，分別截取了在變形180、200步時(shí)的主應(yīng)力變化情況，如圖4所示。

圖4 板條扭曲成形后截面

由圖4可知，板條變形過(guò)程中邊緣處受到主應(yīng)力大，因此扭曲變形破裂的部位易發(fā)生在板料的邊緣處，隨著板料繼續(xù)變形，發(fā)現(xiàn)板料變形區(qū)中間部分變厚，邊緣部分變薄。

圖5所示為不同板條尺寸扭曲成形后的損傷值，損傷值主要是預(yù)測(cè)扭曲成形后板條發(fā)生破壞的程度，通常情況下?lián)p傷值越大，板條發(fā)生破壞的程度越嚴(yán)重。

圖5 不同板條尺寸成形損傷值

扭曲成形后對(duì)比夾具圓角R=3 mm和夾具無(wú)圓角的等效應(yīng)力。在3種不同規(guī)格的板條試驗(yàn)中，試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)圓角R=3 mm和圓角R=0，分析表明寬度較窄、厚度較薄的板條變形時(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的圓角值對(duì)扭曲成形影響不明顯，如圖6（a）、（b）所示；對(duì)于寬度較寬、厚度較厚的板條變形時(shí)圓角R=0，由于夾具圓角處應(yīng)力集中，板條變形提前破裂，如圖6（c）所示。

圖6 不同夾具圓角成形等效應(yīng)力值

圖7和圖8所示分別為不同尺寸板條的扭曲成形后金屬流動(dòng)速率和等效應(yīng)變。圖7試驗(yàn)中同一寬度的板條金屬流動(dòng)速率相近；不同寬度的板條金屬流動(dòng)速率有明顯差別。圖8表明等效應(yīng)變值與板條的寬度有關(guān)，不同寬度等效應(yīng)變值較接近；寬度較小時(shí)，厚度不同對(duì)等效應(yīng)變值影響不大，但寬度較寬時(shí)，也不能忽略厚度對(duì)等效應(yīng)變值的影響。

圖7 不同板條尺寸成形金屬流動(dòng)值

圖8 不同板條尺寸成形等效應(yīng)變值

圖9所示為板條寬度b為12.5 mm、厚度t為3 mm的夾具載荷-步數(shù)曲線。

圖9 夾具載荷曲線

板條扭曲上、下夾具載荷-步數(shù)曲線接近。0～85步時(shí)曲線上升，達(dá)到極限值后開(kāi)始下降；當(dāng)運(yùn)行到150步左右時(shí)，板條出現(xiàn)了邊緣破裂，因此上、下夾具的Z向載荷為0。忽略板條的纖維方向和材料的加工硬化條件，初步分析曲線類似于板條拉伸試驗(yàn)曲線，說(shuō)明板條扭曲也與材料的伸長(zhǎng)率有關(guān)。

3 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步研究板條扭曲成形的規(guī)律，解決成形過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，對(duì)板條沖壓扭曲過(guò)程進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。

由圖10可以看出，在工藝試驗(yàn)中厚度為2 mm的板條發(fā)生了失穩(wěn)，厚度為4 mm的板條不易失穩(wěn)，但易提前破裂；扭曲成形后破裂處均位于板條的邊緣處，表明板條邊緣扭曲時(shí)會(huì)變薄，中間部分變厚，這也驗(yàn)證了模擬結(jié)果的真實(shí)性。

圖10 2種不同尺寸的扭曲成形實(shí)物

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)值模擬板條扭曲成形過(guò)程對(duì)分析扭曲成形工藝提供了依據(jù)，縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造成本，提高了生產(chǎn)效率，為研究金屬板料沖壓性能提供了思路。

（1）扭曲變形破裂的部位發(fā)生在板料的邊緣處，板料變形區(qū)中間部分變厚，邊緣部分變薄，說(shuō)明板條扭曲變形邊緣會(huì)伸長(zhǎng)，屬于伸長(zhǎng)類變形；中心線附近會(huì)縮短，屬于壓縮類變形，通過(guò)工藝試驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明純扭曲變形整體上屬于復(fù)合類變形。

（2）制件應(yīng)變剛開(kāi)始集中在坯料的中間部位，當(dāng)變形增加后邊緣的應(yīng)變量增大，直到超過(guò)材料的極限伸長(zhǎng)率而出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

（3）板條厚度小容易失穩(wěn)，但極限變形程度較大；厚度增大，不易失穩(wěn)，卻易破裂。

（4）不同試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)的圓角對(duì)扭曲成形有影響。對(duì)于寬度較窄、厚度較薄的板條變形時(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的圓角值對(duì)扭曲成形影響不明顯，但是對(duì)于寬度較寬、厚度較厚的板條變形時(shí)夾具圓角值越小，變形易破裂。

（5）板條扭曲成形過(guò)程中金屬流動(dòng)速率與板條寬度正相關(guān)，與板條厚度關(guān)系不大。

（6）等效應(yīng)變值與板條的寬度有關(guān)，不同寬度等效應(yīng)變值較接近；寬度較小時(shí)，厚度不同對(duì)等效應(yīng)變值影響不大，但寬度較大時(shí)，也不能忽略厚度對(duì)等效應(yīng)變值的影響。