江躍

(雙鴨山廣播電視大學(xué)，黑龍江雙鴨山155100)

1 引言

覆蓋件是汽車車身的主要組成部分，汽車覆蓋件成形是汽車制造的重要工藝過程.汽車覆蓋件成形中的工藝缺陷包括起皺、破裂和變形不足，影響因素包括工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與制造、工藝參數(shù)、板料的成形性能等.其中，拉延筋是汽車覆蓋件成形中控制成形性的重要工藝措施之一，通過拉延筋參數(shù)的合理取值以及拉延筋的合理布置可以在一定范圍內(nèi)有效地控制金屬流動，達(dá)到防止起皺和破裂的目的.

拉延筋包括圓形拉延筋、方形拉延筋和拉延檻等多種形式.拉延筋在實(shí)際使用中的效果取決于拉延筋阻力是否符合工藝要求.拉延筋阻力的準(zhǔn)確量化是拉延成形工藝設(shè)計(jì)中拉延筋配置和板料成形數(shù)值模擬拉延筋阻力設(shè)定的依據(jù).拉延筋的阻力與其結(jié)構(gòu)尺寸、材料的性能、摩擦條件因素等有關(guān)，近年來許多學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析方法對拉延筋阻力進(jìn)行了大量的研究［1－4］.

解析方法在求解拉延筋阻力時，需要對拉延筋簡化，導(dǎo)致求解精度的局限性;試驗(yàn)方法確定拉延筋阻力需要大量的人力、物力投入，且周期長.本文旨在采用有限元數(shù)值模擬方法確定拉延筋阻力.通過對拉延筋阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用專門設(shè)計(jì)的拉延筋阻力測量裝置對半圓單筋、半圓雙筋、方筋和拉延檻等四種形式拉延筋(檻)的拉延阻力進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性和準(zhǔn)確性，為汽車覆蓋件拉延工藝制定和工藝過程模擬提供參考.

2 拉延筋阻力測試系統(tǒng)

圖1所示為自行設(shè)計(jì)的拉延筋阻力測試裝置.由萬能材料試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)?zāi)＞摺⑺揭簤焊?、傳感器和?jì)算機(jī)等組成.

壓邊力由萬能材料試驗(yàn)機(jī)提供，水平拉延力由水平液壓缸提供.壓邊力和水平拉延力，通過加裝在試驗(yàn)機(jī)工作油缸上的5MPa和水平液壓缸上的的20 MPa壓力傳感器間接測量.壓力傳感器的輸出信號經(jīng)放大、濾波調(diào)理后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和標(biāo)定變換，實(shí)時測量出壓邊力和水平拉延力.壓邊力通過試驗(yàn)機(jī)施加于試驗(yàn)?zāi)＞?，提供板料試件?cè)向滑動的法向約束，同時在上、下模具間配置墊片，以保證模具間隙為1.1倍料厚.板料試件在水平拉延力的作用下，通過拉延筋沿水平方向側(cè)向滑動，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后的水平側(cè)向拉力即為該拉延筋對板料試件的拉延阻力.

拉延筋(檻)形式如圖2所示.

3 拉延筋數(shù)值模擬

本文采用PAM－STAMP對拉延筋進(jìn)行數(shù)值模擬.PAM－STAMP是法國ESI公司開發(fā)的板料成形分析軟件，可求解實(shí)際工藝條件下的壓料、多步成形、拉延、切邊、翻邊和回彈等工藝過程.

采用PAM－STAMP對拉延筋數(shù)值模擬分夾緊和拉拽兩步.首先將板料置于初始條件下的拉延筋凹模面上，沖頭下行將板料夾緊;然后沿水平方向給板料一個初始速度，板料被拉過拉延筋.板料的變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的水平拉力即為拉延筋的拉延阻力，一般認(rèn)為，拉延筋阻力應(yīng)在一個拉延筋行程周期(拉延筋入口點(diǎn)的板料經(jīng)過拉延筋到達(dá)出口點(diǎn))后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài).拉延筋數(shù)值模擬的模型如圖3所示.

約束保持力是與拉延筋阻力對應(yīng)的拉延筋的另一個特征參數(shù)，是板料被拉過拉延筋時為保持壓料面的閉合所必須施加于壓邊圈上的克服拉延筋升力的附加力.保持力的確定方法與約束力的確定方法基本相同，但其與壓料面垂直，并且對最終板料成形影響不大［5］.

4 試驗(yàn)與模擬結(jié)果及其分析

試驗(yàn)和數(shù)值模擬采用的板料的性能參數(shù)如表1所示.模擬采用的摩擦系數(shù)較難確定，根據(jù)摩擦系數(shù)試驗(yàn)測試結(jié)果，取0.18.表2為試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比.可見，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果二者吻合較好，二者相差最大為7%.

表1 板料材料參數(shù)

表2 拉延筋阻力試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比(N/mm)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證拉延筋數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，針對Nine的半圓拉延筋阻力的經(jīng)典試驗(yàn)［4］中的材料性能參數(shù)、拉延筋幾何參數(shù)和試驗(yàn)條件，進(jìn)行了拉延筋阻力數(shù)值模擬，與Nine的經(jīng)典試驗(yàn)結(jié)果相比，二者相差最大為10.53%.

5 結(jié)束語

拉延筋阻力數(shù)值模擬與本文試驗(yàn)結(jié)果相比，最大誤差為7%;與Nine的經(jīng)典試驗(yàn)結(jié)果相比，最大誤差為10.53%，二者均在工程允許范圍內(nèi)，表明有限元數(shù)值模擬方法計(jì)算拉延筋阻力是合理、可行的，具有較高準(zhǔn)確性.拉延筋阻力數(shù)值模擬在一定程度上可以替代實(shí)測試驗(yàn)，為汽車覆蓋件拉延工藝制定和工藝過程模擬提供參考.

［1］徐丙坤施法中.板料沖壓成形數(shù)值模擬中等效拉延筋模型的建立與實(shí)現(xiàn).鍛壓技術(shù)，2000(6)

［2］牛濟(jì)泰.材料和熱加工領(lǐng)域的物理模擬技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社，1999.:1

［3］汪銳，鄭曉丹等.板材拉深成形過程中摩擦條件與壓邊力設(shè)定關(guān)系研究.鍛壓技術(shù)2001(6):20～23

［4］H.D.Nine.The applicability of Coulomb’s friction law to drawbeads in sheet metal forming.J.Applied Metalworking， 1982，2(3):200～210

［5］T.Meinders，B.D.Carleer，H.J.M Geijselaers，J.Hunetink.The implementation of an equivalent drawbead model in a finite－element code for sheet metal forming.J.Mat.Processing Technology 83(1998)234～244