基于Dynaform的不锈钢热水瓶内胆一次拉伸成型摩擦设计

时间：2022-09-19 13:08:34

关键字：拉伸成型爆裂摩擦设计

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[导读]摘要:针对不锈钢热水壶内胆进行一次拉伸成型时存在的拉裂、拉爆现象,采用Dynaform软件对拉伸过程进行仿真分析,寻求拉伸爆裂的危险断裂区域,并根据爆裂现象仿真研究了拉伸凸模表面的摩擦系数分布,对比改变摩擦系数前后的分析结果,确定该拉伸件的合理拉伸结构方案。

引言

随着有限元和计算机技术的迅猛发展,CAD/CAE技术在模具设计中发挥着越来越重要的作用,成为弥补传统设计方法不足的重要途径。

拉伸过程计算机仿真的实质是利用数值模拟技术,模拟板料拉伸变形全过程,利用成形极限图(FLD)预测板料拉伸失稳前的最大变形程度,为判断给定的工艺方案在成型过程中可能出现的起皱、拉裂等缺陷提供科学依据,帮助提高产品的质量,提高生产的效率,保证冲压模具的质量。并且计算机仿真减少了大量人力和物力的消耗,社会资源利用率提高。

因此,本文采用Dynaform软件对零件的成型工艺进行了数值模拟,通过Dynaform软件还原模拟热水瓶内胆拉伸成型的生产过程,通过实验取得工艺参数,优化了模具表面摩擦性能。

1优化设计的背景

市面上的不锈钢热水瓶内胆大多由平面板料经过多次拉伸成型,但此成型方法工序多,需要的拉伸压力机数量多,而且其模具的种类也多,成本较高。为了减少成本,设计出一种一次拉伸成型的加工方法,其前面的工序包括不锈钢板的开料、落料,人工的折压焊,再到后面的一次拉伸成型,其工序数量与平常的成型法差不多,但设备成本却可大大缩减。此一次拉伸成型法随之而来的缺点就是废品率较高,主要集中在一次拉伸成型的工序,板料在瓶壁靠近底部的位置容易拉裂、拉爆,导致整块板料报废。究其原因,是拉伸的板料形状比较特殊。

通常的拉伸法是一块平面板料通过多次拉伸成筒型,基本是中心轴对称整体成型,受力均匀:而此一次拉伸成型需要的雏形板料比较特殊,需要事先人工将板料折弯、压卷成一定的形状,再焊接成类似上下梯形筒状雏形,然后放到模具直接一次拉伸成型。由于雏形板料非轴对称,在于圆形凸模接触拉伸时受力不均匀,经常会出现筒壁靠近底部在拉伸过程中开裂的情况。

由于制造成本关系,在不改变工序和板料的前提下,为了减少废品率,现对凸模与板料接触的摩擦系数进行设计。通过模具专用有限元Dynaform软件导入一系列相关的凸模摩擦系数,对比仿真得出的成品质量效果与加工过程中危险断裂点的各项相关参数,找出最优的毛坯加工效果,设计出模具凸模的最优摩擦系数[2]。

2拉伸成型工作过程

图1所示为由A、B、C三面组成的毛胚以及成型过程的效果。模型分别由凹模、板料、压边圈和凸模四部分组成,大致运动过程如下:首先将板料放在凸模上,然后凹模往下运动,接触到板料后将板料往下压,此时不规则的板料随着凸模向下运动有了一定的塑形,当凹模将板料压至接触压边圈后,凹模、板料、压边圈一起往下运动到指定距离,期间凸模一直保持不动。拉伸完毕后,凹模往上快速回退,压边圈在底下弹簧的张力作用下往上回退,凸模继续保持不动,拉伸好的产品在压边圈的推顶下往上脱离凸模,至此整个动作完成。

由于此一次拉伸成型是比较特殊的成型,毛坯的边料部分在拉伸过程中被凹模与压边圈紧紧压住,基本没有向筒壁流入,而毛坯筒壁成型主要是筒壁部分类似胀型的局部变型,因此只需有足够的压边力,压边圈、凹模与板料接触的摩擦系数对板料成型的影响基本可以忽略,而是以凸模与板料内侧的摩擦系数影响为主。因此,此次仿真主要是设计凸模与板料的摩擦系数,能动地试验出最好的拉伸效果。

如图2所示,拉爆的板料大多在拉伸初段,从A面中间靠底部附近区域开裂,而且裂纹基本呈"人"字型。横裂纹出现后随着板料继续向凸模往下运动,裂纹会沿着A面靠近中间处一直往上延伸,直至板料顶部崩开。

3实验及仿真分析

Dynaform是由美国ETA公司和LsTC公司联合开发的一个基于Ls-DYNA的板料成型模拟软件包。Dynaform自身具有强大的流线型前后处理功能以及分析求解功能,能够方便地求解各类板料的成型问题,可以预测成型过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹,评估板料成型性能,从而为板料成型工艺及模具设计提供帮助。

此次采用Pro/E软件实现三维CAD数据模型的构建过程。依据图纸进行三维CAD数据模型构建,为尽量减少可能产生的数据错误和丢失,在Pro/E软件中抽取出零件表面并导出.igs格式文件,再将其导入Dynaform。模型构建如图3所示。

然后设置凹模、压边圈、凸模的网格最大尺寸为25,最小尺寸为3,其他为默认数值:板料网格尺寸为3,其他为默认数值。再设置板料材料为201不锈钢,厚度为0.4mm,凹模与压边圈的摩擦系数选取默认参数,调整凸模的摩擦系数,得到不同的仿真效果。通过软件的后处理可以得到零件的成型极限图(FLD),如图4所示。

由成型极限图可以看到板料的成型极限变化,图4中纵坐标表示主应变,横坐标表示次应变,次应变可以是正也可以是负,从负到正分别对应着拉一压变形、中间黑线和拉一拉变形,不同颜色表示不同的变形程度,红色表示破裂,橙色(系统默认为黄色)表示有破裂的风险,绿色表示安全,蓝色表示有起皱的风险,粉色表示起皱(但有些资料说粉色的区域在实际中也是安全的,并没有起皱),紫色表示严重起皱,灰色表示并无形变。

仿真结果显示,当凹模把板料压进压边圈前,板料只有少量可忽略的变形。板料接触到压边圈后,继续往下接触到凸模时,板料开始有明显的变形。仿真过程分为21帧,从第6帧起板料开始接触凸模。图4为第10帧,可以看出在A、B、C面的中间靠底部分开始起皱,随着板料继续向凸模压下去,起皱越往后越明显。直到17帧,板料马上拉伸到位时,A、B、C面中间靠底的起皱部分开始被拉平滑,到了21帧结束时拉伸成型完毕,刚才起皱的部分恢复平顺。总体来说,其危险断裂面成型经过了一个平滑一起皱一平滑的过程。其中最容易发生断裂的就是在平滑过渡到起皱和后续起皱过渡到平滑的阶段。除了此危险断裂处,其他区域还是绿色安全部分居多,基本占了壶身整个区域,在壶底切口处存在少量紫色严重起皱部分,但在后续工序中会把切口切除,不会影响其质量。

深究其原因,由于A、B、C三个面组成圆的曲率半径比凸模外圈的曲率半径小,而A、B、C三个面分界的三条边组成圆的曲率半径比凸模外圈的曲率半径大,造成拉伸过程中三面被往外顶,三线往内收缩,且板料平面为非中心对称图形,拉伸过程中板料与凸模几何形状不匹配导致受力不均匀,在半径较小的部位开始起皱。拉伸过程中,其起皱的部分在径向拉应力的作用下,就会存在断裂的风险,其中起皱一平滑阶段的断裂风险比平滑一起皱阶段的断裂风险还要大。取起皱危险区域的一点D作深入分析,点D位置如图5所示。

图6为起皱严重点D的平均应力图,其中横坐标为时间,纵坐标为平均应力大小。从仿真动图可以得出从第六帧到第十六帧为起皱严重的时间区域,即图6中0.5~3s。第六帧时,D点的平均应力为84N,随后开始减少并反方向增大,至第九帧时为-88N,再减少并反向一直增大,至第十六帧时为372N。

图7为点D的厚度分布图,其中横坐标为时间,纵坐标为厚度数值。图中0.5~3s内厚度从1s的0.402mm减少到1.8s的0.397mm,然后增加到3s的0.398mm。可以看得出凸模普通摩擦系数下点D在危险时间段内的厚度变化有一定的波动。

由此可见,在未改变凸模摩擦系数时,板料的成型过程中,起皱危险区域在拉伸时受到多个方向的应力作用,平均应力的正负也多次变化,分别为拉一拉变形、拉一压变形和拉一拉变形,导致其厚度在危险时间段内先变厚后变薄再变厚,使板料存在着一定的断裂风险。

于是对凸模与板料接触的摩擦系数进行摩擦设计,分别代入0.11、0.115、0.12、0.125、0.13、0.135、0.14、0.145、0.15、0.155、0.16、0.165等多个数值,求解出结果后,对比其成型极限图、厚度图、危险点D的应力曲线等参数。最终发现摩擦系数为0.125时理论加工效果最佳。

图8为摩擦系数为0.125时的点D平均应力图,第六帧为126N,然后开始减少,至第八帧为-16N,第九帧为27N,第十一帧为-44N,再一直递增,至第十六帧为280N。平均应力基本紧贴零线波动,相对于未修改凸模摩擦系数前的平均应力有了大幅度的减少,且其波动也有大幅度的减少。