外缘内曲翻边工艺及数值模拟研究

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1、南昌航空大学士学位论文外缘内曲翻边工艺及数值模拟研究1绪论1.1外缘翻边及分类翻边是将金属平板坯料或半成品工序件的一部分，沿其一定的轮廓线使其内法兰部分变大、成为有竖边边缘的冲压成形方法。当然，也有不变成竖边，只把坯料中某一部分的孔径加以扩大的情况〔有的书上称为扩孔)。翻边主要用于制造出与其他零件的装配部位或者为了提高零件的刚度而用来加工出特定的形状，在大型板金成形时，也可作为控制破裂或折皱的手段。在汽车覆盖件中，多数零件都要经过翻边加工，翻边部分主要用于各覆盖件之间的连接(焊接、铆接、粘接等)，有时翻边也是产品流线或者美观方面的需要。圆孔翻边、

2、内曲外缘翻边等属于伸长类翻边；外缘外曲翻边等属于压缩类翻边，而非圆孔翻边通常是伸长类翻边、压缩类翻边和弯曲成形的组合形式。当翻边的变形区边缘为一直线时，翻边成形就转变为弯曲成形，可以说，弯曲是翻边的一种特殊情况。但翻边时，金属板料变形状态比弯曲时要复杂的多。外缘翻边分为内曲翻边和外曲翻边两种。外曲翻边属于压缩类翻边，其变形性质和应力状态类似于不用压边圈的浅拉深。内曲翻边属于伸长类翻边，与孔的翻边相似。当翻边变形面为平面时为平面翻边；翻边变形面为曲面，称为曲面翻边。这里主要讨论内曲外缘翻边的情况[1-3]。沿不封闭的内凹曲线进行的翻边成形称为内曲外

3、缘翻边，如图1.1所示，代表了伸长类翻边成形的一般形式，其变形区的应力状态和变形特点都与圆孔翻边相似。两者不同之处在于内曲翻边时，竖边根部各处应力、应变分布不均匀，曲率半径不同的部位应力应变状态也各不相同。因此，在制备成形坯料时，必须考虑到这一变形的不均匀性，使坯料外轮廓的凸凹变化与材料变形程度大小取得一致。内曲翻边变形程度可用参数来表示：即KA=f/(R-f)(1)KA值越大，内曲翻边的变形程度越大。变形区的切向拉应力和拉应变在竖边边缘达到最大；并在接近翻边变形结束时刻，变形发展到最为严重程度。48南昌航空大学士学位论文外曲翻边成形时的变形区材

4、料承受切向压应力的作用，大到一定量值后，会使变形区材料发生压缩失稳，因此，变形区材料起皱是外曲翻边成形顺利进行的主要障碍。在实际生产中，通常都须对不参与变形的坯料突缘平面施加足够大的压边力。图1.1内外缘翻边示意图主要特点：圆孔翻边及沿内凹曲线的翻边为典型的伸长类翻边。翻边时，带有圆孔的环状坯料周边被压边圈压紧，位于凹模孔口以内的坯料部分得到塑性变形。在变形过程中，随着凸模下降，变形的坯料单元体在凸模和凹模的圆角处发生弯曲，孔的直径增大，而坯料单元体相对凸模作径向移动，逐渐靠近凹模腔内壁，在此移动过程中，坯料单元体在径向平面内，由凸模下方平直形状

5、移到凸模圆角时产生弯曲，在随后离开凸模圆角时，再次由弯曲变直[4-8]。1.2翻边工艺的发展简史及现状我国在板料成形数值模拟方面起步较晚，与发达国家(美、日等)相比晚了十几年。经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大进展，但主要集中在部分高校中。华中理工大学针对不完全对称盒形件的成形特点，开发了有限变形弹塑性薄膜有限元程序对其进行分析研究。吉林工业大学采用更新的Lagrange法以及有限元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变形有限元法,研究了金属板料成形的塑性流动规律以及成形过程中发生的起皱、裂纹等现象，首次提出了多点成形时非连续接触

6、边界约束的处理方法，建立了基于Mindlin48南昌航空大学士学位论文壳理论三维金属板料成形过程分析的有限元模型，编制了用于板料多点成形分析的有限元专用软件，成功分析了多点成形时的金属流动规律。哈尔滨工业大学采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并对方盒件的成形过程进行了分析，对板料粘性介质胀形过程中的应变速率变化也进行了模拟研究。北京航空航天大学则对板料成形过程中的接触摩擦和悬空区起皱进行数值模拟。上海铁道学院的李尧臣用有限元法模拟了金属板材的冲压成形过程，分析了金属板材在冲压过程中的屈曲现象，建立了增量形式的变分原理，跟踪

7、了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过程。上海交通大学对板料成形的回弹进行了较为系统的研究，提出在板料回弹模拟中采用修正的拉格朗日法较为合适[9-10]。卢险峰教授通过模拟以及实验验证，得出将翻边变形过程可分为具有不同特征的4个阶段。即变形区材料从变形开始出现斜角段斜角与直壁段圆角与直壁段要求高度的直壁段的几个具体阶段。这使得对翻边变形过程的认识从现有的宏观定性分析进入到细观定量分析。得出采用那些用翻边变形中料厚不变的假设条件所进行的理论分析是不甚合理和不够精确的。数值模拟对深入认识翻边变形过程及其变形特点,对翻边工艺的理论研究和工程实践具有指导意义

8、[11-14]。对于翻边的研究，国外学者WangN.M.和WangC.T.曾经采用完全解析的手段，分别提出了内曲翻边和外曲翻边成形的变形