單模變薄拉深成形的有限元模擬

2013-06-22  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

關鍵字:變薄拉深 有限元模擬

變薄拉深因其可加工尺寸精度高、表面光潔度好的零件而被廣泛應用于輕工業和電子工業中,不銹鋼也越來越多地用來加工各種深拉深產品,而成形深拉深產品的有效方法就是將拉深工藝和變薄拉深工藝結合起來[1。影響變薄拉深成形的主要因素是變薄系數、凹模錐角、材料性能和磨擦系數等,通過記錄變形力曲線,可分析得到各種因素是如何影響變形過程的,分析結果可以用來指導生產實踐。但由于準備試樣、加工實驗模具、做工藝實驗等工作的繁復,手冊提供的數據又不適合新材料,在進行實際的工藝設計和模具設計時還是遇到不少困難。

有限元方法在成功地解決了大量彈性問題后,又被塑性領域的專家和學者所認可,它在模擬變形過程、預測坯料在模具中的流動、分析模具的受力狀態、預測成型缺陷以及優化工藝參數等方面起著不可替代的作用,國內有不少學者進行了鍛造方面的研究[2,3]。塑性有限元方法一般以剛塑性有限元理論為基礎,再輔之較強的前后處理功能,其模擬結果具有直觀和可靠等特點,是工程師進行工藝研究、工藝設計和模具設計的得力幫手。但是對變薄拉深進行有限元模擬研究的文章很少,對變薄拉深的模擬研究主要是凹模錐角對成形的影響。本文主要研究不同變形程度對變形力的影響,所得結果與實驗結果相比較,變形力隨變形程度的變化規律一致,結果較接近,對實際生產具有指導作用。

    2 模擬和實驗結果的分析

本文采用MAFAP系統進行變薄拉深的有限元模擬。單模變薄拉深的模具結構和毛坯的受力狀態如圖1所示,凹模錐角為15°,在變形過程中筒形毛坯內徑基本不變,壁厚變薄。變形程度的大小用變薄系數t1/t0表示,變薄系數越小變形程度越大,成形力就越大,當成形力超過所成形零件的強度時工件破壞。即,變薄系數的選取直接關系到工藝的成功與否,而決定材料的極限變薄系數是作出正確選擇的前提。

 圖1 毛坯的受力狀態
Fig.1 Stress acting on the blank.

本實驗所用材料為SUS304,變薄拉深用筒形毛坯由普通拉深后切邊、退火得到,尺寸為(mm):d=9.2、t0=0.82、h=25。

有限元模擬毛坯網格隨時間的變化見圖2,有限元模擬過程中重劃網格前后的網格變化見圖3。

 圖2 毛坯網格隨時間的變化
Fig.2 Changing of the elements during ironing.
 
圖3 拉深力——行程曲線
Fig.3 Ironing force——stroke curve.

單模變薄拉深力——行程曲線如圖3所示,模擬與實驗得到的單模變薄系數和最大成形力的關系如圖4示,圖5為變形終止時刻工件上的等效應變分布。
 

圖4 單模變薄系數和成形力的關系
Fig.4 Relationship between ironing ratio and force.
 
圖5 工件的等效應變分布圖
Fig.5 The distribution of effective strain.

由圖5可見,變薄拉深時,變薄系數越小,變形程度越大,成形力越大,模擬結果與實驗結果有相同的趨向,且都預示單模變薄拉深的極限變薄系數為0.52。二者在變形力上的差別是由于計算中采用的工件幾何尺寸與實驗毛坯不同造成的。

    3 結論

本文對于變薄拉深變形力與變形程度關系進行的有限元模擬與實驗研究得出基本一致的結果,說明有限元方法是進行變薄拉深研究的有力工具,關于單模變薄拉深極限變薄系數為0.52對工程應用有著重要的價值,本文研究對開展雙模變薄拉深和多模變薄拉深研究有參考價值。

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