钢制车轮轮辐冲压翻边工艺参数的有限元模拟.pdf

钢制车轮轮辐冲压翻边工艺参数的有限元模拟 ① 吴 峰１， 李 会２， 刘海全１， 何 琼１， 许晓嫦１ （１．中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ２．湖南华菱涟源钢铁有限公司，湖南 娄底 ４１７０００） 摘 要 使用 ＡＮＳＹＳ 分析软件，建立了车轮轮辐冲压系统的仿真模型，对翻边工序进行了有限元模拟并分析了成型后轮辐等效应 力分布，探究了冲压翻边高度、坯料屈服强度以及坯料厚度对轮辐成型的影响。 模拟结果表明，最佳工艺参数为坯料屈服强度 ４９０ ＭＰａ，翻边高度 １６ ｍｍ，板厚 ４．２ ｍｍ，在此工艺条件下，轮辐零件圆孔翻边开裂现象得到有效控制，开裂率下降到 ０．０１％。 关键词 冲压成型； 轮辐； 翻边； 有限元模拟 中图分类号 ＴＧ３８６文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１５．０５．０３５ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１５）０５－０１３２－０４ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌａｎｇｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｓｔｅｅｌ Ｓｐｏｋｅｓ ＷＵ Ｆｅｎｇ１， ＬＩ Ｈｕｉ２， ＬＩＵ Ｈａｉ⁃ｑｕａｎ１， ＨＥ Ｑｉｏｎｇ１， ＸＵ Ｘｉａｏ⁃ｃｈａｎｇ１ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕｎａｎ Ｖａｌｉｎ Ｌｉａｎｙｕａｎ Ｉｒｏｎ ＆ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｌｏｕｄｉ ４１７０００， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｐｏｋｅｓ ｏｆ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｔｈｅ ｆｌａｎｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｆｌａｎｇｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ， ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｏｋｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ４９０ ＭＰａ， ｔｈｅ ｆｌａｎｇｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ａｔ １６ ｍｍ， ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ４．２ ｍｍ． Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅｓｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｒａｔｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｔｏ ０．０１％， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌａｎｇｉｎｇ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｓｐｏｋｅ ｐａｒｔｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｕｎｃｈ ｆｏｒｍｉｎｇ； ｓｐｏｋｅ； ｆｌａｎｇｉｎｇ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 板料冲压成型过程中包含大位移、大变形等复杂 物理现象，以前都是通过反复试验的方法制造出符合 要求的产品，花费大量时间和经费［１］。 随着计算机技 术的发展，将工艺制作和效能模拟与计算机软件结合 起来，能达到快速高效的目的［２］。 在国外，关于塑性加工领域中的 ＣＡＥ 技术研究较 早，应用也较成熟。 Ｓｕｔａｓｎ Ｔｈｉｐｐｒａｋｍａｓ 等人［３］利用 ＤＥＦＯＲＭ 模拟和实验比较后发现预制孔内表面裂纹 将严重影响翻孔质量以及翻边边缘的形状；Ｔｏｓｈｉｏ Ｋｕｍａｇａｉ［４］研究了冲头形状、坯料厚度对厚板料的变薄 翻边的影响。 我国在这一领域起步较晚，王冰［５］采用 数值模拟方法探究了不同凸模形状对翻边的影响；官 英平［６］对圆孔翻边极限翻边系数的计算方法进行了 研究；张立玲［７］也对圆孔翻边的应力应变进行了分 析。 多数研究都集中在冲压模具的设计和优化，但对 材料参数影响的研究却不多［８－１０］。 某制轮厂加工汽车车轮轮辐时，在最后的工序中 常常发生圆孔翻边处材料开裂，其中心圆孔翻边开裂 情况如图 １ 所示。 生产过程中 １／３ 的产品存在不同程 度的开裂，厂家采取了多种措施但均未能有效控制，批 量性的中心孔开裂缺陷给工业生产带来了巨大损失。 图 １ 中心圆孔翻边开裂图 ①收稿日期 ２０１５－０３－２５ 基金项目 长沙市科技计划资助项目（Ｋ１２０７０１９－１１） 作者简介 吴 峰（１９８９－），男，浙江绍兴人，硕士研究生，主要研究金属塑性加工。 作者简介 许晓嫦（１９６３－），女，湖南湘乡人，教授，主要从事金属材料加工研究。 第 ３５ 卷第 ５ 期 ２０１５ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３５ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１５ 本文针对钢制汽车轮辐的冲压工艺进行研究，通 过现场采集的数据建立仿真模型，探究了冲压翻边凹 模高度、坯料屈服强度以及坯料厚度对轮辐成型的影 响，从而制定最佳的车轮轮辐冲压工艺参数。 １ 轮辐冲压过程有限元模型 １．１ 有限元分析法 有限元法［１１］包含两部分内容① 把连续体分成 有限个部分，其性态由有限个参数所规定。 这是有限 元应用中主要要解决的问题。 ② 求解作为单元的集 合体的整个系统，所遵循的规则与适用于标准离散问 题的那些现成规则完全相同。 有限元法分析计算的基 本流程如图 ２ 所示。 定义项目名和 分析工程问题 定义接触和 边界条件 建立模型加载求解结果后处理 定义单元类型加载 定义载荷步 求解 定义单元实常数 的材料属性 建立分析模型 对模型进行 网格划分 读取求解数据 控制应力应变 等值线图 图 ２ 有限元法分析计算的基本流程 １．２ 建立冲压翻边有限元模型 轮辐冲压模拟的有限元计算使用 ＡＮＳＹＳ 软件，该 软件具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、 材料非线性及状态非线性分析。 同时 ＡＮＳＹＳ 具备三 维建模能力，仅靠 ＡＮＳＹＳ 的 ＧＵＩ（图形界面）就可建立 各种复杂的几何模型。 在前处理过程中，直接利用 ＡＮＳＹＳ 的三维建模能力，建立轮辐零件的凸模、凹模、 坯料的几何模型。 轮辐冲压系统比较复杂，只研究轮辐翻边过程，可 以对模型进行一定简化。 简化模型时，在兼顾划分单 元和受力特性的条件下，对于不需要进行分析的部分 可作近似处理，只要能保证力的传递即可。 根据生产 现场采集的数据建立轮辐冲压系统模型，坯料为中心 冲孔的圆形坯料，外径 ４２５ ｍｍ，内径 ４１ ｍｍ；翻边过程 中凸凹模的尺寸为凸模直径 ６０．３５ ｍｍ，翻边间隙值为 ｔ＝１．１ｔ０（ｔ０为原始板厚）。 由于轮辐冲压具有较强的 对称性，轮辐冲压系统的平面二分之一对称模型如 图 ３ 所示。 图 ３ 轮辐冲压系统的平面二分之一对称模型 由于冲压翻边是大变形、强塑性过程，本模拟选用 ４ 节点平面单元 ＰＬＡＮＥ４２，并通过设置关键字 Ｋ３ 实 现模拟平面应变问题。 凸模和凹模假设为刚性材料， 通过接触向导来实现对它的定义钢板的应力应变关 系假设为双线性等向强化，坯料为 ＬＧ５１０ＣＬ 热轧钢 板，其材料性能参数见表 １。 表 １ 材料性能参数 屈服强度／ ＭＰａ抗拉强度／ ＭＰａ弹性模量／ ＧＰａ泊松比 ４９０５１０～５３０２０００．３ 对冲压系统边界条件进行如下处理模具中凹模 的自由度被完全限制，即在冲压成型分析中凹模保持 静止不动，凸模限制除冲压方向运动外的其余 ５ 个自 由度。 模具与坯料之间的摩擦系数设置为 ０．１５。 ２ 模拟结果与分析 ２．１ 冲压翻边成型过程金属流动模拟 在模拟过程中，先采用现场实际生产的工艺参数 进行初步有限元模拟计算，探究坯料在变形过程中的 金属流动情况和应力变化趋势。 而节点运动矢量图和 网格变形图能较好地体现成型过程中金属各部分的流 动，图 ４ 为翻边过程中各单元节点的运动矢量图。 图 ４ 翻边过程中各单元节点的运动矢量图 在冲压翻边过程中，坯料各部分节点的运动趋势也 ３３１第 ５ 期吴 峰等 钢制车轮轮辐冲压翻边工艺参数的有限元模拟 各不相同，在模具冲头冲压力的作用下，坯料随着模具 压下量的变化而不断向下运动；在模具弯曲部分，坯料 节点也随之作屈曲运行，且节点分布比较密集；在模具 压边部分，坯料节点的运动矢量成斜向上，作翘曲运动。 图 ５ 为冲压翻边过程中某一阶段的网格变形图， 其中虚线部分为模具初始高度，虚线方框为坯料二分 之一截面图，实线为凸模压下位置，网格状的弯曲框为 坯料变形的网格图。 在弯曲处，坯料贴合凹模的一边 网格呈弯曲且紧密排布，此处坯料受到强烈的压应力， 远离凹模的弯曲侧网格被拉伸且分布相对稀疏，此处 坯料表面受到拉应力，易出现开裂。 图 ５ 冲压翻边过程中某一阶段的网格变形图 通过对轮辐成型时金属流动模拟以及对不同压下 量模拟结果拟合进行分析，可知翻边成型过程大致可分 为弯曲和扩孔 ２ 个阶段，在凸模圆角部分完全压入工件 为这 ２ 个阶段的分界点。 在变形开始阶段，成型力不断 增加，而后达到最大值，随着变形继续进行，翻孔力开始 减小，最终，最大应力又增大。 这是由于在开始阶段，凸 模和工件的接触面积不断增大，金属的变形抗力自然也 随之增加，在弯曲过程结束时翻边力达到最大，弯曲过 程结束后，板料的变形进入扩孔阶段，变形主要发生在 板料底部，变形抗力为板料底部变形区的抗拉应力和翻 边凸模与板料之间的摩擦力。 随着翻边的进行，底部变 形区的材料越来越少，因而变形抗力也不断减小，所需 变形力也减小。 不同压下量下模拟结果拟合图见图 ６。 回 回 回 回 回 回 回 回 回 回 2400 2000 1600 1200 800 46810121416 最大应力／MPa 压下量／mm 拟合曲线 实际值 图 ６ 不同压下量下模拟结果拟合图 ２．２ 翻边性能与材料的强塑性的关系研究 材料屈服强度对于轮辐成型过程有重要影响，本 研究旨在通过模拟不同屈服强度下成型的等效应力 图，从而得出翻边性能与屈服强度的影响规律。 当压 下量为 １６ ｍｍ 时，对不同屈服强度的坯料进行模拟， 结果见图 ７。 当屈服强度为 ５５０ ＭＰａ 时，计算结果不 收敛，说明坯料在此屈服强度下，现有模具无法实现冲 压加工，需对模具进行修改。 回 回 回 回 回 回 回 实际值 拟合值 1875 1850 1825 1800 1775 1750 1725 1700 360 420480540 屈服强度／MPa 模拟应力值／MPa 图 ７ 不同屈服强度下模拟结果拟合图 材料屈服强度的大小直接影响坯料翻边性能，材 料屈服强度增加，模拟过程中的最大等效应力成正比 函数增加，增加了变形难度。 屈服强度较大时，现有模 具可能无法进行加工，需要更换模具；屈服强度小，材 料易于变形，进行弯曲变形时，贴模性和定型性好。 但 较小的屈服强度又不能满足实际轮辐的使用要求，本 模拟给出的不同屈服强度材料所需的最大应力可作为 参考值，同时企业应结合现场设备能力和轮辐使用性 能选定合适的屈服强度。 ２．３ 翻边性能与坯料厚度的关系研究 由于实际生产条件的限制，钢厂供货时批次板料 的厚度存在波动，在同一套模具下，不同厚度的坯料对 于翻边性能造成直接影响。 本研究旨在通过模拟不同 厚度的坯料冲压翻边成型的等效应力图，从而得出现 有工况下坯料的最佳厚度。 根据 ＧＢ／ Ｔ７０９－２００６［１１］，板厚为 ４ ｍｍ 的厚度允 许偏差为０．５５ ｍｍ，板料最低厚度不应低于 ３．４５ ｍｍ。 当坯料屈服强度均为 ４９０ ＭＰａ，翻边高度为 １６ ｍｍ 时， 对不同厚度坯料进行冲压翻边，所得模拟结果见图 ８。 由图 ８ 可知，在坯料厚度由 ３．６５ ｍｍ 增加到 ４．７５ ｍｍ 的过程中，翻边最大应力先减小后增大，在厚度为 ４．２ ｍｍ 附近出现最低点，这也是翻边性能最佳的厚 度。 当坯料厚度大于 ４．５ ｍｍ 后，最大等效应力随着厚 度增加呈指数上升趋势。 若坯料厚度过大，则将导致 成型无法继续，坯料厚度较薄时，虽然能完成成型过 程，但成型过程中坯料无法贴紧模具从而导致形状偏 差，影响冲压成型效果。 ４３１矿 冶 工 程第 ３５ 卷 回 回 回 回 回 实际值 拟合值 3.6 4.0 4.4 4.8 2050 2000 1950 1900 1850 1800 最大应力／MPa 坯料厚度／mm 图 ８ 不同厚度坯料冲压翻边模拟结果拟合图 ２．４ 改进效果 通过实验及模拟，现场采用以下优化工艺参数坯 料屈服强度 ４９０ ＭＰａ，翻边高度 １６ ｍｍ，板厚 ４．２ ｍｍ， 工艺改进后，轮辐零件圆孔翻边开裂现象得到有效控 制，开裂率下降到 ０．０１％。 实际冲压轮辐如图 ９ 所示。 图 ９ 改进后的轮辐零件 ３ 结 论 １） 有限元分析法为塑性成型领域带来了新思路， 可大大降低生产成本、缩短制造周期。 本文对轮辐冲 压件在整个塑性成型过程中的材料流动、应力变化等 进行了预测。 翻孔成型过程大致可分为弯曲和扩孔２ 个 阶段，其应力变化规律都呈先增大后减少趋势。 ２） 材料的屈服强度对圆孔翻边开裂有较大影响， 材料屈服强度越高，越容易发生开裂，在保证材料使用 性能的同时应尽可能降低屈服强度，从而有效降低翻 边开裂率。 坯料厚度过大，将导致无法完成成型；坯料 厚度较薄时，成型过程中坯料无法贴紧模具从而导致 形状偏差，影响冲压成型效果。 ３） 经实验与模拟，推荐以下优化工艺参数坯料 屈服强度 ４９０ ＭＰａ，翻边高度 １６ ｍｍ，板厚 ４．２ ｍｍ，在 工艺改进后，轮辐零件圆孔翻边开裂现象得到有效控 制，开裂率下降到 ０．０１％。 参考文献 ［１］ 杨占尧． 冲压成形工艺与模具设计［Ｍ］． 北京航空工业出版社， ２０１２． ［２］ 刘建生． 金属塑性加工有限元模拟技术与应用［Ｍ］． 北京冶金 工业出版社，２００４． ［３］ Ｓｕｔａｓｎ Ｔｈｉｐｐｒａｋｍａｓ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｆｌａｎｇｅｄ ｓｈａｐｅｓ ｉｎ ｆｉｎｅｂｌａｎｋｅｄ⁃ｈｏｌｅ ｆｌａｎｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ［ Ｊ］． Ｍａｔｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ，２００７，１９２１２８－１３３． ［４］ Ｔｏｓｈｉｏ Ｋｕｍａｇａｉ． Ｈｏｌｅ Ｆｌａｎｇｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｉｒｏｎｉｎｇ ｏｆ Ｔｗｏ⁃ｐｌｙ Ｔｈｉｃｋ Ｓｈｅｅｔ Ｍｅｔａｌｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，８９５０－ ５１． ［５］ 王 冰，刘建生． 凸模形状对厚壁筒体上翻热接管孔的影响［Ｊ］． 太原科技大学学报，２００５，６（３）１６１－１６４． ［６］ 官英平． 圆孔翻边极限翻边系数计算方法的探讨［Ｊ］． 模具技术， ２０００（３）５８－７０． ［７］ 张立玲． 圆孔翻边应力应变分析［Ｊ］． 锻压技术，２００２（１）１４－１６． ［８］ 薛永栋． 基于 ＤＥＦＯＲＭ 的金属压力加工数值模拟［Ｊ］． 冶金设备， ２００７，１６４３４－３７． ［９］ 刘惟信． 机械最优化设计［Ｍ］． 北京清华大学出版社，１９８６． ［１０］ 李启月，郎秀权． 基于 ＳＵＲＰＡＣ 的 ＡＮＳＹＳ 三维复杂模型的构建 方法［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４，３４（５）１－９． ［１１］ ＧＢ／ Ｔ７０９－２００６， 热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏 差［Ｓ］． ２００６． �������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������� �� �� �� 中国锰业 ２０１６ 年征订启事 中国锰业创刊于 １９８３ 年，是我国锰行业唯一一家以推广锰业及相关行业的先进技术及交流生 产实践经验为特色的面向国内外公开发行的综合性科技期刊。 在地质、采矿、选矿、冶金和轻化工锰制 品、锰系合金、医药、磁性材料、电池原材料等行业的科研所、设计院、企业的产品技术和产品市场开发部 门、管理部门以及一些相关的设备企业颇具影响，是全国中文核心期刊、中国科技核心期刊，被多家数据 库全文收录。 中国锰业为季刊，６４ 页，单价 ５．００ 元，全年共 ２０．００ 元，邮发代号４２－１１５。 全国各地邮局均可订 阅，也可直接与编辑部联系。 地址湖南省长沙市麓山路 ３３ 号中国锰业编辑部邮编４１０００６ 电话（兼传真）０７３１－８８８５４２１７Ｅ－ｍａｉｌ Ｍｎ１９９９＠ ２６３．ｎｅｔｈｔｔｐ／ ／ ｗｗｗ．ｚｇｍｙｚｚ．ｃｏｍ ５３１第 ５ 期吴 峰等 钢制车轮轮辐冲压翻边工艺参数的有限元模拟