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多点数字化拉形工艺的数值模拟研究

张传敏  
【摘要】: 多点成形(Multi-point forming,简称MPF)的基本原理是将传统模具离散化为规则排列、高度可调的基本体群,再由基本体群球头构造的包络面(或称基本体群成形曲面)来完成板料的三维曲面成形,成形过程中工具与板料为点接触,相当于工具的三维曲面是由规则排列的点阵构成的。多点成形技术融合了CAD/CAE/CAM为一体的现代加工技术,是金属板料三维曲面成形的一种数字化柔性加工方法。目前,多点成形技术已经应用于医学工程、造船、轨道客车、大型体育场馆建设和航空航天等领域,应用前景非常广。 到目前为止,对多点成形技术的研究和应用,主要是冲压方式的多点成形,即上下基本体群对压成形方式。板料在这种冲压方式多点成形过程中只受到法向力作用,而蒙皮多点拉形工艺只有下基本体群,板材在成形过程中除了受到基本体群作用的法向力,还受到夹钳的纵向拉力作用。另一方面,冲压方式多点成形过程是在很短的时间内完成的,一般工具运动速度υ80mm/s,时间步的数量少,更适合动态显式算法,运算稳定、计算效率高。蒙皮多点拉形过程非常缓慢,工具运动速度υ8mm/s,属于准静态成形过程,运算不稳定。因此,蒙皮件多点拉形要比板料多点冲压成形的成形机理更加复杂,仿真计算难度大,而且对成形件的成形精度要求更高。国内外的研究均处于实验室研究阶段。 在现代生产实践中,数值方法是金属成形中优化模具设计、预测成形缺陷及分析成形质量时应用比较普遍的技术方法。各种数值方法中有限元法是解决多点拉形这样高度非线性问题最为有效的方法。ANSYS软件在金属板料成形工艺分析中的应用越来越广泛。主要用于典型成形工艺分析及成形过程模拟,还用于起皱、压痕等成形缺陷预测、成形件回弹计算以及原始坯料设计等。对于蒙皮件多点拉形过程,由于板料和基本体之间接触状态不断发生变化,加载条件复杂,动态显式有限元算法求解具有明显的优势。因此,采用动态显式有限元算法对蒙皮件多点拉形过程进行数值模拟,再把动态显式的计算结果导入隐式算法模拟拉形件的卸载回弹过程。 主要研究内容与结论如下: (1)建立了蒙皮多点拉形过程有限元分析的模型。模拟了板料在施加不同的水平拉形力的作用下出现起皱现象的情况。通过对模拟结果的分析可知,当纵向拉力F=0.80~0.95σbS之间时成形效果好。在实际蒙皮拉形工艺中,纵向拉力的大小一般是采用经验公式F=0.9σbS来确定的。经过比较分析:模拟计算结果与实际拉形力值基本一致,验证了算法的正确性。 (2)建立了使用聚氨酯弹性垫的蒙皮多点拉形的有限元分析模型,并实现了使用聚氨酯弹性垫的蒙皮多点拉形过程的数值模拟。模拟结果表明,使用聚氨酯弹性垫的蒙皮多点拉形,能够有效抑制压痕缺陷,成形出表面光滑的拉形件。 (3)建立了重叠拉形的蒙皮多点拉形的有限元分析模型,首次实现了重叠拉形的蒙皮多点拉形过程的数值模拟。分析结果表明,蒙皮多点拉形的重叠拉形方法能够有效抑制压痕,同时能够防止板料失稳起皱。可以应用于板料较薄(小于1mm)的、需要多次拉形的首次拉形中,可明显提高加工效率。 (4)对蒙皮多点拉形过程中的板料失稳起皱现象进行了数值模拟分析。从纵向拉力、成形区尺寸和材料参数等方面探讨了板料失稳起皱的产生机理及起皱的抑制方法。模拟结果表明,起皱趋势随着板料厚度和纵向拉力的增加而减小,但纵向拉力过大容易出现板料拉裂;利用LY12硬铝板成形可以获得比L2Y2工业纯铝板更好的成形效果;拉形系数越大越容易起皱。提出了柔性夹钳与多点拉形相结合的拉形方法。通过仿真计算,结果表明该方法能够明显提高拉形工艺的板料成形性能。 (5)对蒙皮多点拉形时的压痕缺陷进行了数值模拟研究,探讨了蒙皮多点拉形过程中压痕的产生原因及抑制方法。比较了不同厚度的弹性垫对压痕的抑制作用。模拟结果表明,对于蒙皮多点拉形,当弹性垫达到一定厚度时弹性垫厚度对压痕的影响并不敏感,但当弹性垫较厚时,成形误差较大。使用聚氨酯弹性垫对拉形精度有较大影响。计算了几种板料厚度对应的最佳弹性垫厚度。 (6)对影响成形精度的卸载回弹进行了数值模拟研究。比较了传统模具拉形和多点拉形两种方式成形圆柱形件和鞍形件卸载后的回弹量,分析多点拉形回弹特点。通过计算比较圆柱形件不同厚度和不同载荷方式情况下的回弹量,以及在拉形鞍形件时卸载前后的应变变化,得出以下结论:多点拉形的工件卸载后回弹量小于传统模具拉形的工件;对于板料厚度参数而言,两种拉形方式的工件回弹量都在厚度为1.5mm左右时有最大值,当厚度超过1.5mm时,板料的回弹量明显减小。 (7)在理论分析和数值模拟的基础上对蒙皮多点拉形工艺的成形精度进行了系统研究,提出了修正基本体群成形面来补偿多点成形中弹性垫的厚度及其不均匀变形和板料回弹的多点拉形补偿方法。该方法的实质是数字化虚拟成形与闭环成形相结合的先进制造技术。数字化虚拟计算收敛速度很快,一般经过两次虚拟计算修正就能达到较高的拉形精度。为验证补偿方法的有效性,进行了多点拉形实验。实验证明,本文提出的修正补偿方法能够成形出高精度的蒙皮件。 系统研究了蒙皮多点数字化拉形过程,对影响拉形件质量的各种工艺因素进行了数值模拟研究,重点探讨了起皱、压痕和回弹等影响板料成形性能和成形质量的主要缺陷,提出了抑制缺陷、提高板料成形性能和成形质量的方法。通过实验验证了方法的正确性。


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