PAM-STAMP軟件在復雜盒形件上的運用

王亞清

摘要：復雜鋁合金盒型拉深件，利用公式很難確定成形工藝路線和模具結構，在成形過程中出現起皺和裂紋等質量問題，合格率很低，本文通過運用PAM-STAMP軟件對零件進行模擬，優化工藝路線，提高產品的合格率。

關鍵詞：鈑金仿真軟件 工藝路線 質量 模擬

一、引言

PAM-STAMP是專業的鈑金仿真軟件，能夠解決板料成形過程中的質量問題，金屬板料成形是一個復雜的彈塑性變形過程，對于復雜的板材零件，在變形過程中材料的塑性流動更為復雜，用傳統的方法需要多次修改模具進行工藝試驗，摸索正確的模具結構。下罩蓋屬于典型復雜盒形件，成形的技術難點有：

1如何解決板料在拉深成形時產生折疊及裂紋等缺陷;

2零件材料為1.3mm厚的鋁合金板材整體成形，加工難度非常大;

3零件形狀復雜，橫截面為不規則形狀，金屬流動難以定量分析;

4傳力區及圓角區變形量大，易開裂，難以一次成形。

二、零件的工藝性分析

零件材料為2A11的鋁合金板料，厚度1.3mm，屬復雜薄壁異形盒形零件，幾何形狀不規則，為多面體狀，沿蓋底有4處尖端凸起，形狀復雜，變形量較大。根據以往經驗及結合自身現有的設備及生產條件，采用拉深成形的工藝方案。

由于鋁合金拉深性能較差，拉深中極易減薄，在成形過程中部分材料處于懸空狀態，容易產生褶皺和折疊;由于蓋體自身的不規則形狀，致使在拉深成形過程中的切向應力σθ和切向應變εθ沿周向的不均勻性，外緣材料向蓋底的流動速度和方向的不規則。當切向壓應力超過材料的抗壓縮失穩極限時，拉深成形便產生不均勻起皺，隨著拉深的繼續進行，法蘭區材料切向收縮更為嚴重，皺紋增大;皺紋的產生又反過來阻礙了法蘭區金屬向傳力區、圓角區的流動，因而增加了產生裂紋的危險。綜上所述，需要采用拉深-拉深-校整的工藝方法。

三.工藝路線確定和模擬分析

3.1零件材料模型的建立

2A11屬于Al-Cu-Mg類硬鋁合金，屬于可熱處理強化的變形鋁合金，是一種“比強度”高的結構材料.在退火和熱狀態下，通常會有較高的塑性，在成形過程中進行熱處理軟化，可提高材料塑性，從而使零件容易成形。

2A11（LY11）的化學成分如表1所示。

2A11（LY11）的物理性能如表2所示。

綜合上述的零件結構特點和材料特性，憑借以往的沖壓拉深經驗初步確定零件的成形工藝路線，但是由于零件結構復雜，在生產過程中存在質量問題如存在皺紋或裂紋等缺陷，產品合格率較低，需要多次試模和修改模具，進行工藝試驗，摸索正確的模具結構來滿足零件的成形要求，研制周期較長。運用鈑金分析軟件在計算機上制定修改工藝參數，選擇合適的材料、應力、應變、模具間隙及分析成形起皺、拉深裂紋等產生的原因，模擬復雜沖壓成形過程，制定合理的工藝路線，為模具設計提供可靠的依據，在計算機上仿真替代產品真實的研制過程，對于工藝參數的優化及確定具有重要的指導性意義。

在有限元模擬過程中，模具相對于板料不發生變形，采用剛性有限元模型，而彈塑性模型在成形時同時考慮材料的彈性階段和塑性階段，相對于剛性模型更加符合板料變形的真實情況，因此板料采用各向異性的彈塑性有限元模型。具體如表3所示。

該零件材料為2A11，材料性能數據表4

根據材料的冪指數本構方程σ=kεn，由表4可知，材料2A11的硬化指數較小，為0.195，材料的硬化指數小，抗起皺失穩能力較弱;強度系數k對成形影響不大。另外，n值較小的鋁合金的延伸率也較小，根據材料成形極限可知，最大等效應變為2n，說明鋁合金材料成形潛力小，極易發生集中性失穩（頸縮）直至出現裂紋。

3.2工藝路線的確定

3.2.1 坯料的計算

拉深件毛坯形狀及尺寸的確定，直接關系到拉深零件的產品質量、拉深件的精度，由于零件結構復雜，很難運用理論公式進行計算其展開尺寸，應用數值模擬軟件Pam-stamp反算展開料求解零件的展開料，它采用一步成形逆算法，計算速度很快，可以準確預測板料的初始形狀，計算結果較為精確。為保證拉深的效果，必須保證足夠的壓邊面積，但過大的壓邊面積會使法蘭區金屬流動阻力增大，傳力區金屬得不到補充，材料過度減薄，導致不足以抵抗變形拉應力，使得在凸模圓角區域發生強度破裂。所以根據計算出的毛坯尺寸結合實際值確定毛坯的最終尺寸。

由毛坯外形最大尺寸，初步給出毛坯尺寸為1.3mm×500mm×500mm正方毛料。通過計算得出的毛料尺寸進行試拉深，經過多次試拉深試驗，根據每次試驗情況，對零件的毛料尺寸再進行修正。根據成形前后表面積基本不變原理及通過幾次試驗，加上修邊量，最后確定零件的毛料尺寸為圓形毛料，直徑為φ410。

3.2.2 工藝路線的確定

該零件型面復雜為典型的盒形拉深件，拉深系數較小，超出零件的成形極限，通過計算拉深系數初步確定該零件需要兩次拉深成形，盒形件拉深過程中，毛料所受應力和應變沿周邊不均勻分布，其不均勻程度按相對高度H/L及角部相對圓角半徑R/L的大小而變化。這兩個比值決定了圓角部分材料向側壁轉移的程度及側壁高度的增補量。（H-零件高度，L-矩形件的短邊寬度）

通過H/L與R/L×2.7+0.4的值相比較，如果H/L ≤R/L×2.7+0.4，那么可以進行一次拉深，代入公式H/L（H=134/248.1= 0.5401）≤R/L×2.7+0.4即（3/248.1） ×2.7+0.4=0.4496），數值表明該盒形件不可以進行一次拉深;而h/d=134/246=0.5401≤0.7-0.8屬于角部具有小圓角半徑的較高盒形件，此類零件的相對半徑較小，底部容易破裂，需2次拉深。

經過計算和對材料性能的分析、確定零件的成形工藝路線為二次拉深成形，第一次將所有的轉接R加大，將零件的形面進行圓滑過渡，保證拉深成形的高度，同時減少拉深過程的阻力，防止零件裂紋。第二次成形零件的最終高度，主要是壓縮成形，讓初成形的零件進行貼模，同時防止多余材料的存在產生皺紋，兩次拉深的高度尺寸和模具的轉接R大小直接影響到零件的成形質量，運用鈑金仿真軟件對零件的拉深工藝路線進行精確模擬，解決零件成形過程中的一系列質量問題。

3.3 成形過程模擬

工藝路線確定以后，采用PAM-AUTOSTAMP模塊對零件進行精確模擬，該模塊充分考慮了成形過程中的速度、溫度、表面摩擦、壓料力、沖床剛度等各種因素的影響，對預測成形過程中的材料流動、起皺、破裂和拉深成形等具有非常高的精度。在模擬之前建立PAM-STAMP的三維數模通常包括：凸模、凹模、壓邊圈和板料，將零件的幾何信息輸入到數值模擬軟件PAM-STAMP中，以導入的型面作為凹模。為保證模具的幾何形狀，在模具的圓角尖角部分劃分相對細密的網格，以保證成形過程中板料對模具具有良好的貼模性，成形過程采用的工藝參數為：工具和板料之間的摩擦系數為0.08，相當于潤滑劑的條件，工具和板料直接接觸。

對零件成形的質量進行模擬，采用了單動有壓邊圈的精確成形模擬，通過第一次拉深的模擬可以看出零件的法蘭邊區域增厚約0.08mm，并有起皺的趨勢，這是由于材料切向收縮，εθ<0，根據體積不變原理，材料在法蘭區域εt+εθ+εd=0，則厚向應變εt>0。因而，在實際加工過程中需要增加壓邊力，防止零件起皺。

四、拉深成形模具的設計：

拉深模具的凸模、凹模結構形式設計的合理與否，不但關系到產品質量，而且直接影響拉深變形程度。通過模擬分析，二次拉深成形能夠滿足零件的加工要求，第一次和第二次拉深成形模均采取倒裝形式，配以導柱、導套精確定位，避免由于間隙偏差，造成間隙大面起皺，間隙小面拉裂現象。為了消除拉深時材料無約束流入陰模產生起皺發生，因而選用帶有壓邊圈的形式的模具結構。為便于零件拉深成形，在各次拉深成形中合理選用大R值，使零件拉深時材料便于流動，為便于零件拉深后脫模，沖模設計帶有打料器、退件器等機構。

五、拉深成形過程中的問題及解決措施

該零件的拉深成形是在400T油壓機上進行，拉深后材料成形裂紋出現在筒壁與底部轉角稍上的地方，該處需要轉移的材料較少，變形程度小，硬化程度低，經過分析造成裂紋的原因有兩方面：壓邊力過大，圓角區域材料得不到有效補充，需減小壓邊力及增加潤滑措施減少模具和材料之間的摩擦。模具凹模圓角R部不光滑，需進行拋光處理。經過數次改進后，裂紋消失。

由于壓邊力減小導致零件表面存在褶皺現象，結合模擬和實際試驗結果確定影響零件質量的關鍵因素為壓邊力的大小，根據計算理論的壓邊力為300-450KN，當壓邊力為450KN時，零件內部存在破裂現象，隨著壓邊力的降低，內部破裂有所減少，但是壓邊圈部分的金屬起皺現象隨著壓邊力的降低愈加嚴重，通過調整模具圓角半徑和潤滑，改善零件的成形接觸條件，保證了零件的成形要求。

六、結論

金屬板料成形是一個復雜的彈塑性變形過程，本文采用有限元數值模擬和工藝試驗相結合的實驗方法，取得以下結論：

1通過數值分析軟件PAM-STAMP的INVERSE模塊反算材料的展開料形狀，并通過現場實驗的反復修邊，成形零件的效果較好。

2利用成形極限圖對材料拉深成形過程中的材料裂紋、起皺等缺陷分析，調整工藝路線、模具結構、坯料展開料形狀等。

3通過鈑金仿真軟件復雜盒形件成形過程中的運用，總結復雜形狀鋁板成形的工藝難點，并將試驗結果運用到實際加工中，克服薄板成形中出現的褶皺、裂紋現象。