變速-變載條件下板料沖壓成形性能及其變形機(jī)理研究.pdf

1、航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域輕量化要求的不斷提高，促進(jìn)了輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料的應(yīng)用。但是，由于這些材料的成形性能差、回彈不易控制等問題，導(dǎo)致沖壓成形難度大。采用控制壓邊力大小、優(yōu)化拉深筋形狀、改善潤滑條件、補(bǔ)償模具型面等方法，通常需要長時(shí)間的試模和修模才能獲得成功，導(dǎo)致模具質(zhì)量降低、成本上升。而一旦調(diào)試不成功，就會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)際上，在沖壓成形過程中，成形速度及成形載荷能夠有效地改善材料的受力狀態(tài)和變形行為，從而在無需改變模具的情況下，

2、即可降低材料的成形回彈，提高材料的成形性能，有效降低沖壓成本。因此，深入研究變速/變載對(duì)沖壓成形的影響規(guī)律，探討相關(guān)機(jī)理，對(duì)完善沖壓成形技術(shù)，提高沖壓件的質(zhì)量具有重要的意義。本文將重點(diǎn)圍繞成形速度及成形載荷對(duì)板料成形極限和回彈的影響規(guī)律，采用塑性理論、有限元數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。
　　首先，基于塑性力學(xué)的基本理論，建立拉深成形過程的虛功率方程，從變形功的角度，探討成形速度與成形載荷提高材料成形性能的可

3、行性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用有限元數(shù)值模擬方法，研究了成形速度對(duì)主變形區(qū)等效應(yīng)力和等效應(yīng)變速率的影響。模擬結(jié)果表明，通過成形速度的變化，可以改變主變形區(qū)的總變形功率，從而能夠有效地提高材料的成形性能。
　　在沖壓成形過程中，速度對(duì)成形過程的影響主要通過摩擦來實(shí)現(xiàn)。為此，針對(duì)拉深成形，分別采用平板滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)和拉彎摩擦實(shí)驗(yàn)，研究了變速/變載條件下板料在法蘭處和凹模圓角處的摩擦行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨法向載荷的增大，滑動(dòng)摩擦系數(shù)減??；而

4、隨速度的增大，滑動(dòng)摩擦系數(shù)增大，在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定階段，滑動(dòng)摩擦系數(shù)與速度成線性關(guān)系；速度對(duì)法蘭處摩擦的影響遠(yuǎn)大于對(duì)圓角處摩擦的影響，且速度對(duì)圓角處摩擦的影響不顯著；另外，通過合理設(shè)置變速成形方式，能有效地降低初始摩擦力和摩擦力隨速度變化的幅值。在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步研究速度對(duì)摩擦影響的機(jī)理，采用分形理論，建立了基于板料表面形貌的彈塑性接觸模型，研究了板料和模具間實(shí)際接觸面積和法向載荷之間的定量關(guān)系，并首次建立了考慮成形速度、法向載荷

5、、材料力學(xué)性能和板料表面形貌的摩擦模型，該模型能夠定量計(jì)算法蘭處的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，對(duì)于進(jìn)一步揭示沖壓成形過程中的摩擦行為，以及提高成形過程數(shù)值模擬精度都具有重要的意義。
　　針對(duì)影響沖壓成形質(zhì)量的彎曲回彈，分別采用V形和U形彎曲實(shí)驗(yàn)，研究了速度、載荷、凸模行程和彎曲次數(shù)等參數(shù)對(duì)回彈的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，成形速度對(duì)回彈的影響較小，而成形載荷、凸模的行程和彎曲成形次數(shù)對(duì)回彈有較大影響，尤其是通過成形載荷的變化能有效地控制回彈。為此，在考

6、慮應(yīng)力-應(yīng)變分布、受力邊界條件、彈塑性材料模型和Hill屈服準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，建立了成形載荷控制下的彎曲回彈預(yù)測模型，該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，克服了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式僅能預(yù)測自由彎曲回彈的不足，可用于指導(dǎo)難成形材料的校正彎曲成形工藝設(shè)計(jì)。
　　在上述研究成果基礎(chǔ)上，采用圓筒件拉深工藝實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了速度影響拉深成形性能的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用不同的拉深速度，筒形件的拉深深度及壁厚均勻性都存在較大的差異。這表明速度是影響拉深成形性能和質(zhì)量的

7、一個(gè)重要因素。當(dāng)采用階段變化的速度模式成形時(shí)，速度的轉(zhuǎn)變應(yīng)在板料完全進(jìn)入圓角區(qū)之后進(jìn)行，還需使拉深初始速度小于材料的極限成形速度。這些現(xiàn)象主要是由于成形過程中的摩擦隨速度變化而引起的。為此，采用塑性力學(xué)理論和前面提出的摩擦模型，以及拉深實(shí)驗(yàn)結(jié)論，首次建立了變速/變載條件下，材料的極限拉深系數(shù)與材料性能參數(shù)和拉深速度之間的關(guān)系式，該表達(dá)式能夠判斷變速/變載成形工藝的可行性，并指導(dǎo)變速變載條件下的拉深成形工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)。
　　綜上所述