精密连续模多步拉深有限元分析研究

承善   常州机电职业技术学院   江苏常州   213164

摘  要：分析并研究了某不锈钢制异形盒的多步拉深工艺，由UG建立参数化模型，利用板料冲压模拟专用软件Dynaform对零件的拉深成形过程进行了有限元仿真，在此基础上对比仿真及试验数据，发现两者较为吻合，证明采用实体壳单元作为板料模拟异形盒零件的多步拉深能够精确地预测包含厚度大变形的冲压过程。

关键词：数值模拟，板料，多步拉深

1 引言

现代精密电子零件，如MP4外壳、手机外壳，录音笔外壳等，通常具有外形复杂、尺寸小、精度高、表面质量好等特点。为提高批量生产的效率，对于这些外形尺寸和厚度较小的拉深成形件，可采用带料级进拉深模多步拉深成形。拉深工序的设计是级进模开发的关键。长期以来，依赖经验公式的级进模拉深工序的设计，而产品的几何形状和材料性能都在变化，所以传统方法难以预测成形过程中材料的流动状态、应力应变分布等[1-2]。运用有限元模拟技术，对级进模拉深工序进行分析和优化，能有效提高模具设计质量、降低成本[3]。

本文采用了动力显式积分的有限元方法，对某个异形盒零件的多步拉深过程进行了模拟，通过模拟确定了成形工艺，最后通过试验获得了满意的零件，为设计此类不规则盒形零件的拉深工艺及模具提供了重要依据。

2 级进模连续拉深有限元模型的建立

异性盒零件外形比较复杂，难以通过几何展开来获得初始坯料形状。另外，几何展开不考虑塑性变形因素，对于拉延件来说展开后的尺寸是不精确的。Dynaform具有初始坯料估计功能，其原理是基于全量理论（也称形变理论）。可以假定成形过程是比例加载的（第一次拉深过程可以近似认为是比例加载），仅仅考虑初始的毛坯和变形终了的状态，不考虑变形的中间状态，采用一步加载。此方法也称为逆算法。

把零件的网格划好，并消除单元（特别是零件边界上的单元）交叉、重叠、缝隙以及小空洞等缺陷，然后打开DYNAFORM中的Blank Size Estimate功能，输入板料的厚度 、材料参数等进行自动展开计算，得到坯料的展开轮廓。实际生产中考虑到排样的方便和经济性，往往采用规则形状的坯料，因此，需要把算出来的线条用规则形状拟合。结合零件外形特点，本文用椭圆近似拟合，最终采用的坯料外形如图1所示。

由冲压手册中的计算公式算出此零件需要5次拉深成形，初选各步拉深系数分别为 ， ， ， ， 。由UG软件对工件、凹、凸模进行三维建模，1-5步拉深凸模的形状见图1。将建模生成的igs文件导入到hypermesh软件中进行网格划分和修补，提高模拟计算的精度，最后，将生成的nas文件导入Dynaform中进行数值模拟。在连续拉深的数值模拟过程中，将各个工位模拟后产生的dynain文件导入到下一个工位的模拟中，可以准确传递各个工位的变形历史。

2.1 边界条件约束设置

在单工序拉深模中，坯料周边处于自由状态，不受任何边界约束。但是，级进模单个工位的矩形毛坯只是整个条料中的一部分，在送料过程中受到了其他工位材料和导料销的共同约束，因此矩形的边界材料在板料平面上的自由度受到限制，在边界约束设置中约束板料沿Y方向的移动自由度，如图2所示。

2.2 压边圈和浮料器几何模型

在实际拉深过程中，整个带料处于送进过程中，因此拉深工位的压边圈不能盖住整个带料。拉深毛坯只是很小的一块，其压边面积是参与拉深变形的材料面积，这里需要注意的是，切口的载体在拉深时也随着拉深凸缘材料一起变形，因此设计压边圈时考虑将载体一并压住，压边力的大小根据压边面积计算得到。

条料在送进过程中经各个工位冲压后，条料上的坯件由平面状逐渐变成了立体状，这是影响送料通畅的主要原因，为此常采用浮料器，使条料在送进过程中，浮离下模平面一定高度，实现自动送料。使用浮料器往往在一副模具里设置多个。

2.3 有限元模型的建立

在Dynaform中选取Material Type 36的材料模型，这种模型适用于厚向异性的弹塑性强化材料。选取Dynaform软件材料库里面的S304材料。

在第一次拉深中，考虑到良好润滑，板料和压边圈、凸模、凹模之间的摩擦系数都设为0.125，板料和浮料器之间的摩擦系数设为0.25。压边力设为300N，浮料力设为1000N。由于显式动力算法对速率不敏感，一般采用将冲压速度放大的办法，来提高计算效率[4]，但速度超过一定的临界值后，使系统的惯性效应显示出来，影响仿真结果的可信度和数值计算的稳定性。经实际模拟显示在一定范围内的冲压速度对模拟结果影响不大，这里取冲压速度为3000mm/s。

3 模拟结果分析

进行第1次拉深模拟时，在自动设置里进行板料自动设置，LS-DYNA求解器成功运行终止后将生成dynain文件，它包含毛坯的节点位置和应力应变的全部信息，以供后续工步使用。经调整优化工艺参数后，将凸模几何形状改为图3，取凸模最小圆角c=0.3，压边力为300N，模拟结果显示凸模圆角的选取对第2次拉深质量的影响较大。得到第1次拉深后的零件厚度分布如图4所示，最大减薄率为24%。

从第1步拉深到第5步拉深，零件由椭圆形件过渡为异性件，从5步拉深FLD结果来看，都没有出现破裂现象，在第5步拉深拉深结束时板料在底部较小圆角侧最薄，约为0.21mm，最大减薄率接近30%。拉深时直壁部分的板料受到切向压力而增厚，出现起皱现象。但随着后续工序的剪裁，起皱问题可以忽略。从多步拉深模拟结果来看，零件的成形质量较好。

4 与多步拉深试验的比较

按照模拟得到的工艺参数进行模具设计，并进行试模，将每步拉深得到的零件从A-A，B-B方向进行剖切，如图5所示。

将第5次拉深后有限元模拟与试验得到的零件厚度值进行对比，从图6中可以看出，模拟值和试验值吻合的较好，零件的危险截面处于A-A向也就是纵向凸模圆角处，模拟值和试验值基本吻合，最大减薄率达到30%左右。从A-A向看，凹模圆角处试验值和模拟值相差很大，这是由于在实际成形过程中，材料的形状和性能不断变化，且零件和模具表面的摩擦力比理想情况的偏大，所以边角部分材料受压，增厚很大，这个可以通过减小零件与模具表面的摩擦力，精修模具来改善。整体壁厚分布比较均匀。