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转发自：制造技术/工艺装备 现代制造工程（Modern Manufacturing Engineering) 2013年第11期

作者：谢秉顺1，朱健军1，鲁万彪1，唐晶晶1，艾国平2，卢文壮2 （1南车南京浦镇车辆有限公司工业化部，南京210031；2南京航空航天大学机电学院，南京210016）

义，弯梁板材采用BelytSChko-Wong-Chiang薄壳单元2，将凹、凸模和压边圈定义为刚体，采用* MATRIGID定义其平动和转动约束，凸模、凹模以及压边圈与弯梁板材之间的接触均采用* CONTACT-FORMING-ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE进行定义，摩擦因数设定为0．巧。为了减少冲压分析过程中各单元之间应力的间断性，综合考虑计算精度和计算时间，弯梁板材采用精细的网格划分，网格大小为Imm, 冲压模具采用刚体材料模型，其网格划分采用细密网格，网格大小为3mm。网格划分后的弯梁成形过程分析的有限元模型如图3所示。

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图3弯梁成形过程分析的有限元模型

2结果与讨论

2，1成形极限图

成形极限图也称为成形极限曲线，它表示金属薄板变形过程中，在金属薄板平面内的两个主应变、 2联合作用下，某一区域发生减薄时，可以获得的最大应变量。成形极限图分为安全区、临界区、破裂区和褶皱区四个部分，是判断薄板成形性最有效的一种方法[ 。34] 通过冲压成形数值模拟得到的弯梁板材成形分布情况如图4所示。从图4a中可以看出，总体上弯梁成形处于安全区内，弯梁能够顺利成形。图4b所示反映出弯梁板材成形分布不均匀，弯梁的上圆弧曲面和下圆弧曲面部分区域都有褶皱趋势，主要是由于弯梁板材在塑性变形过程中，会受到复杂的应力状态的作用，板材处于径向受拉、环向受压的应力状态，从而导致起皱趋势。在模具设计时可通过设置拉延筋等方法，将材料流动阻力引人起皱区，抵消部分压应力的影响，从而消除起皱现象。

1.0

破裂区

o 、8

o 、6临界区

o ，4

o ．2

0

、0，50一0．30一0．10 0彐0 0．30 住50

a)成形极限(主应变82)图

b)成形状态区域分布图

图4弯梁板材成形分布情况

谢秉顺，等：弯梁板材冲压成形仿真分析及工艺改进 2013年第11期

2．2等效应力应变

弯梁冲压成形过程中弯梁板材与模具相互作用，应力分布规律非常复杂，其中等效应力、应变是衡量板材是否拉裂的一个重要依据4，如果超过材料临界值，在成形过程中板材有可能被破坏。应用Dynaform 软件仿真得到的弯梁板材成形等效应力分布图和弯梁板材成形等效应变分布图分别如图5和图6所示 从图5和图6中可以看出，等效应力、应变分布不均匀，等效应力最大值为632园MPa，等效应变最大值为 4，346 × 10 5，最小值为3，402 × 10一5等效应力与应变在分布规律上具有一致性，它们的最大值主要分布在压延边与侧面筋板交界位置。该位置如果有直口，将会出现拉裂现象。采用工艺圆角可有效避免直口产生的应力集中，避免在压延边与侧面筋板交界位置被拉裂

图5弯梁板材成形等效应力分布图

图6弯梁板材成形等效应变分布图

2．3成形厚度减薄率

弯梁板材成形过程中通过模具与板材相互作用使板材由弹性变形向塑性变形急剧转变，金属流动规律复杂，成形后的板厚出现了不均匀。厚度减薄率分布可为弯梁毛坯展开修正和模具约束方面的设计提供参考。图7所示为弯梁板材成形厚度减薄率分布，从图7中可以看出，成形后板材厚度分布规律不规则，弯梁的侧面筋板厚度变薄，最大减薄率为24．03％，最小减薄率为0，300 4％。弯梁上圆弧曲面和下部压延边等弯曲部位部分区域增厚，增厚率为2，336％，对上圆弧曲面和下部压延边部位进行充分约束，增大模具压延力，可以防止在这些部位出现褶皱

图7弯梁板材成形厚度减薄率分布

2，4模具与弯梁板材接触力分析

弯梁板材冲压成形过程中冲压力的（即接触力）大小是决定板材能否顺利成形的关键因素。板材成形过程中模具与板材相互作用使板材发生大变形，需要冲压机提供足够的压力。凸模与弯梁板材接触力分布图和凹模与弯梁板材接触力分布图分别如图8和图9所示，从图8和图9中可以看出，弯梁板材成形过程中模具与板材接触力曲线先是逐步增大，到一定阶段时接触力迅速增大，然后下降，最终在一定的接触力范围内波动，弯梁板材与凸模中间接触力最大值为 235，24kN，弯梁板材与凸模两边接触力最大值为

556．7kN，弯梁板材与凹模中间接触力最大值为

40 17 kN，弯梁板材与凹模两边接触力最大值为 298kN。当摩擦因数设定为0．10时，板材与凸模的接触力最大值将由556．7kN降低为51 & 3kN，通过改变板材与模具之间的润滑条件，可以降低接触力。

板材与凸模两 边接触力

o，3 o、4 o，5 o、

o．

日0．

力 6

时间／s

图8凸模与弯梁板材接触力分布图

板材与凹模中间接触

板材与凹模两边接触力

o ．

力

．4 05

时间/s

图9 凹模与弯梁板材接触力分布图

2013年第11期 现代制造工程（Modern Manufactunng Engineenng)

3成形工艺改进

根据上述有限元数值模拟结果，对现有成形工艺进行了改进

1） 针对弯梁的弯曲面部分区域有褶皱趋势的问题，新工艺增加上圆弧曲面和下圆弧曲面的模具压延力，上圆弧曲面压延力由原来的5kN增加到10kN，下圆弧曲面压延力由原来的2kN增加到5kN0

2） 针对等效应力与应变最大值主要分布在压延边与侧面筋板交界位置的问题，为避免应力集中造成的板材拉裂，新工艺在压延边与侧面筋板交界位置采用半径大于R6mm的工艺过渡圆角。

3） 根据摩擦因数的降低可以降低板料与模具之间接触力的结论，新工艺对板料毛坯采用双面预涂刷 20号机油润滑措施，降低板材与模具之间的摩擦因数。

通过以上的工艺改进，05CuPCrNi高耐侯结构钢弯梁成形质量大大提高，在模具使用寿命期限内产品不合格率由原来的5％降低到1％以下。图10所示为工艺改进后冲压成形的弯梁零件实物图。

图10工艺改进后冲压成形的弯梁零件实物图

（上接第75页）

四川电子音像出版中心，2 5．

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4结语

本文利用有限元数值模拟对弯梁板材冲压成形过程进行了仿真研究，得到了弯梁板材成形极限图、厚度减薄率分布图、应力及应变分布图。根据有限元数值模拟结果对现有成形工艺进行了改进，新工艺大大降低了产品的不合格率。

参考文獻：

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作者简介：谢秉顺，工程师。

通讯作者：卢文壮，教授，博士生导师。

E-mail：meewzlu@ nuaa. edu. cn 收稿日期：2013幻3 ·26

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