變速-變載條件下板料沖壓成形性能及其變形機理研究.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，促進了輕質(zhì)、高強度材料的應用。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、補償模具型面等方法，通常需要長時間的試模和修模才能獲得成功，導致模具質(zhì)量降低、成本上升。而一旦調(diào)試不成功，就會造成極大的經(jīng)濟損失。實際上，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/變載對沖壓成形的影響規(guī)律，探討相關(guān)機理，對完善沖壓成形技術(shù)，提高沖壓件的質(zhì)量具有重要的意義。本文將重點圍繞成形速度及成形載荷對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)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，進行系統(tǒng)深入的研究。
　　首先，基于塑性力學的基本理論，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，進一步采用有限元數(shù)值模擬方法，研究了成形速度對主變形區(qū)等效應力和等效應變速率的影響。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，速度對成形過程的影響主要通過摩擦來實現(xiàn)。為此，針對拉深成形，分別采用平板滑動摩擦實驗和拉彎摩擦實驗，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。實驗結(jié)果表明：隨法向載荷的增大，滑動摩擦系數(shù)減??；而

4、隨速度的增大，滑動摩擦系數(shù)增大，在運動穩(wěn)定階段，滑動摩擦系數(shù)與速度成線性關(guān)系；速度對法蘭處摩擦的影響遠大于對圓角處摩擦的影響，且速度對圓角處摩擦的影響不顯著；另外，通過合理設置變速成形方式，能有效地降低初始摩擦力和摩擦力隨速度變化的幅值。在上述實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，為了進一步研究速度對摩擦影響的機理，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、、材料力學性能和板料表面形貌的摩擦模型，該模型能夠定量計算法蘭處的滑動摩擦系數(shù)，對于進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形彎曲實驗，研究了速度、載荷、凸模行程和彎曲次數(shù)等參數(shù)對回彈的影響。實驗結(jié)果表明，成形速度對回彈的影響較小，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、慮應力-應變分布、受力邊界條件、彈塑性材料模型和Hill屈服準則的基礎(chǔ)上，建立了成形載荷控制下的彎曲回彈預測模型，該模型與實驗結(jié)果相吻合，克服了傳統(tǒng)經(jīng)驗公式僅能預測自由彎曲回彈的不足，可用于指導難成形材料的校正彎曲成形工藝設計。
　　在上述研究成果基礎(chǔ)上，采用圓筒件拉深工藝實驗進一步研究了速度影響拉深成形性能的規(guī)律。實驗研究發(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、一個重要因素。當采用階段變化的速度模式成形時，速度的轉(zhuǎn)變應在板料完全進入圓角區(qū)之后進行，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，采用塑性力學理論和前面提出的摩擦模型，以及拉深實驗結(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，該表達式能夠判斷變速/變載成形工藝的可行性，并指導變速變載條件下的拉深成形工藝參數(shù)的設計。
　　綜上所述