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1、有限元为基础的级进模拉伸工艺设计摘要渐进式拉伸模是最强大的一种拉伸工艺，因此它也是所有级进模中加工最困难的。在这项研究中，提出了一个基于有限元的渐进式拉伸模分析和设计方法，并形成了汽车照明组件灯泡罩证明。有限元模拟预测，不仅符合变薄和应变，但也有助于消除表面变形。相比较于传统的基于经验的设计，有限元法为基础的开发方法允许工程师在模具制造之前去预测潜在的成型缺陷，从而缩短磨具开发时间。关键字 级进模拉伸，增量有限元法，一步有限元法，起皱，断裂，表面变形，灯泡罩1.介绍级进模是生产大规模金属冲压件的工具，这在家用品中是很常见的，比如生产家电，汽车，办公设备和其他现代餐具。级进模制造复杂的金属冲压件
2、，通过按顺序在每一个工作站传送钢板，执行不同的操作，例如，穿孔，开槽，切断，冲裁，切割，弯曲， 整形，拉伸，起伏，压印，和修边。由于板条自动传输通过每个工作点和传感器控制的试验指导下，具有高效率，高质量，更安全的特点的级进模成型过程。为了在一个模具中完成各种工序，级进模是一个复杂的结构，一般由150-200组件组成，因而级进模的设计是一项繁琐和耗时的过程。1.1 CAD/CAM在级进模开发中的应用 自上世纪70年代，计算机技术已被用来提高级进模设计效率。在这节中，简要介绍一个全面的文献回顾关于计算机辅助级进模设计。从19世纪70年代中期到80年代中期，第一代级进模的CAD/CAE系统，提高了设
3、计效率，通过提供了基本的计算机图形功能，购置数据库模具组件和设计过程的标准化。自九十年代以来，由于级进模设计是以经验和设计规则为基础的实践，人工智能技术（AL）（如知识库，专家系统，模糊推理，规则推理，神经网络）与基于特征建模和知识表征相结合，以进一步提高设计效率。近几年来，主营CAD/CAM系统还提供了定制功能级进模设计，例如，VISI-series-CAD/CAM模具和模具解决方案，来自UGS的级进模向导NX，ProSHEETMETAL的Pro/Engineer和3DQuick- Press with Solidworks 。然而，基于人工智能和功能技术仅能帮助设计师快速找到解决方法，类似
4、于存储知识或简单应变元件的变形，例如，冲裁，拼接，弯曲，起伏等，以往的经验范围之外的问题依然依赖于设计者的经验和直觉，从而薄板相关的故障，如起皱，断裂，都不能确定，直到物理芯片的制造和测试。1.2 FEM在级进模开发中的应用 钣金仿真技术在过去的十年已经成熟。主要商用有限元分析软件有DYNAFORM, PAM-STAMP, AUTOFORM，它们分析钣金成型过程的能力很强大。Byun等人在进行了有限元分析关于CRT部分的级进模成型。两个关键的操作，卷边弯曲和压印，选自于已被模拟和比较测量结果的16个工序，Park 等人使用硬质塑料有限元分析，模拟一个级进的叠加处理，形成了精密电机铁芯。仿真结果
5、有助于开发相应的模具和工艺设计，Lee SB等人进行精密动态有限元分析关于IC引线脚成型的级进模冲裁过程。他们模拟级进模冲裁过程和已加工好的引线脚的回弹影响。Sim等人开发了一个级进式U型弯曲过程，通过共同使用有限元分析和三维建模。然而，这个级进式深拉伸过程，是所有级进模中最困难的，因此很少拿来研究。 在这项研究中，提出了一个以有限元为基础的级进模设计方法，这个方法主要为了实现对灯泡罩级进模的开发。在以有限元分析为基础帮助下，钣金成型缺陷可以被检测和改善在物理磨具制造前，因此可以缩短开发时间。2.以FEM为基础的级进式拉伸膜设计级进模设计有两部分组成，一部分是建模，展开，嵌套，毛培布局和模具结
6、构配置，在所推荐的以有限元分析方法为基础级进模拉伸过程方法，VISI-CAD软件执行钣金零件成型，展开，条料布局以及模具结构建模，而商业DYNAFORM软件V5.2有限元程序可以进行计算毛培的形状和模具设计以及成型工艺分析，一个设计序列图如图-1。 图-1：基于有限元法为基础的级进式拉伸模设计序列图 图-2：灯泡罩和头灯 a：头灯b：灯泡罩和反射灯泡c：灯泡罩的工作机制 钣金模型，它通常是由客户提供的三维模型设计方法开始。最后的拉伸产生于VISI_CAD的部分边延长部分，最后拉伸的几何形状的表面几何形状网状由DYNAFORM V5.2自动生成网格。毛培形状是由 一步有限元计算，初始条料的布局和
7、工作部件设计规则和经验，进一步验证了增量模拟。如果在模拟中没有确定故障，将尝试少拉伸。仿真结果证明，故障免费设计将会被原型工装测试验证，如果拉伸部分满足质量要求，设计被批准，就可以送到加工部门加工了，如果没有，条料的布局和工件需要被改进，以消除通过以上的设计和验证检测到的缺陷。图-3：灯泡罩6845（单位：mm）2.1动态显示有限元 拉伸过程通过DYNAFORM V5.2的动态显示方法进行模拟，使用中央差分法直接集成在时间t内的虚功平衡。 Tij是柯西应力张量，ui, j是位移梯度， ti 是矢量的牵引力，是变异算子 ，是密度，ui 是物质粒子的加速度，在给定的时间t内，加入阻尼期，平衡便得：
8、 这里的M是质量集中矩阵，C是一个人工阻尼矩阵，F是载体的外力，I是载体的内力。解决平衡（2）的中央差分法： 为了使中央差分法的稳定，时间t不得不小于： 这里的L是一个元素的特征长度，Cd是工件材料的声速，W是系统的最大特征频率，E是Young的材料的弹性模量。表-1：商业优质钢板材料性能2.2一步逆向有限元分析模拟关于计算毛培形状 通过由DYNAFORM V5.2提供的所谓的一步逆向计算法，从最终零件的几何形状预测初始毛培的形状。不同于增量有限元数值模拟方法，一步有限元分析法以最终工件几何尺寸，最初的板材厚度，板材性能开始。逆向计算式基于一个理想的变形假设，它假设外部的作用有助于板材变形而忽
9、略摩擦和变形均匀。因此，在最后的冲也配置C，虚功方程如下： 零件的几何形状网状由四边形等参元素，包括退化的三角元素，可变现为： 通过元素离散冲压配置C可表示为： 方程转化为： 这是由Newton-Raphson方法解决，可以表示为第i个迭代： 图-4：一步有限元法毛培形状计算 a 灯泡罩 b 最终拉伸形状网格形式 c 一步有限元法计算毛培形状 d 毛培 图-5： 初步设计条料布局：1穿孔2枪3拉伸4闲置5拉伸6拉伸7修边8翻边9滚动10修剪11修剪12滚动13切断2.3基本关系基于假设，在相同的状态下，应力分量与应变分量相当，且服从Hill的各向异性屈服准则，应力和应变与上述的有限元模拟Hen
10、cky的变形理论有关：其中， 分别是应变和应力的有效值，分别是压制方向为0，45，90的Lankford值。 2.4 缺陷监测在一个拉伸过程中，会因为很多缺陷而导致失败。根据这些原因，这些缺陷可列为：（1）成形性相关的缺陷如起皱，断裂和表面变形，（2）相关的微观缺陷，如桔皮，起垄或拉拢，（3）润滑相关的缺陷，如擦伤，划伤等。当润滑缺陷发生时，润滑油不能提供给模具及板材有效分离，因此需要一个可行的润滑剂。通过测量表面粗糙度可以识别微观结构相关的缺陷，和避免通过选择适当晶粒尺寸的板材的微观结构。受多种因素影响，如薄板成形，模具的几何形状，毛坯形状，成形性相关的缺陷。增量模拟和原型工具测试共同使用，
11、以检测这种类型的缺陷。图-6： 模型和模型表：三种拉伸的摩擦系数工位冲裁压边拉伸.起皱：起皱受许多因素影响，诸如工艺参数，接触条件，力学性能和毛培的几何形状。通过数值精度的积累生成明确的代码，和普遍预测准确的起皱区域。从模拟零件的几何形状，起皱可以直接测量，然而，起皱幅度的测量时一个繁琐的过程，如果嵌入式的起皱测量过子程序是不可用的。另一种方法采用了起皱极限图是由轻微的应变和主应变之间的比率确定。由于应变是比较容易被有关组成部分蚀刻圈网格，应变率可以更有效地预测起皱的风险。断裂：断裂是一种不稳定的现象，发生在局部区域的应变集中和后续变形变化，发生的明显变化。一般情况下，断裂可以预测：（）基于应
12、变的标准，例如，成型极限图（）和最大的一部分变薄（）基于应力的标准，例如，成形极限应力图（）（）韧性损伤准则，例如，Cockroft和Latham准则。部分壁变薄常用于工业上表明骨折的概率，因此，在目前的研究中，管壁变薄选择作为断裂准则。这个过程是一个近似的方法，因为应变路径对最大减薄量有所影响。然而，细化标准仍然是有用的和有效地估计断裂的发生在大多数深拉伸操作中。表面变形：表面变形可能发生在多个拉伸过程中。不同于起皱，它发生在圆周方向，表面变形出现在垂直截面区域，当目前拉伸提供了伸展不能伸直弯曲的区域，在前面拉伸阶段。当整形的吸引是一个主要的问题，甚至一个非常小，例如，.，超过的曲线半径的变
13、化可能会失败一部分。由于表面变形小，很难确定变形网格。原型工具测试与应力分析相结合，用于确定表面变形。在.中将详细讨论一个表面上的变形。图：最后拉伸模拟部分变薄和主应变比的分布变薄分布主应变比在垂直方向的分配实施灯泡罩，它是由金属板和镀镍制成的，安装在车辆前面的前照灯灯泡，用来防止不必要的光线（防炫光），产生头灯的前照灯灯泡罩的质量直接影响光束质量。由于几何形状的复杂性，灯泡罩的成型需要级进式拉伸模，即一个典型的单件灯泡罩最多需要13-25成型站，如穿刺，切割，起伏，多重拉伸，弯曲和修边等。该设计方法以应用于灯泡罩6875，这是北美模型车的设计（见图-3）。这部分有一个半球罩和一个弯曲脚，一般
14、公差是0.5mm，倒角是0.1mm，商业质量（CQ）钢板厚度为0.6mm，这是一个典型的冷轧板材的外露部分，被用于成型部分。DYNAFORM软件V5.2材料数据库的推荐材料性能列于表-1。图-8：三次拉伸工件成型：原型模具和模拟预测3.1计算毛胚形状最终拉伸尺寸产生于壁的外延部分至底部水平（见图-4a和b），然后最终拉伸尺寸被网状几何分为44个三角形和1630个矩形单元。在一台有4个奔腾处理器和3.00GB的RAM的个人电脑上，一部有限元毛胚尺寸计算需要1.2s(见图-4)。一个长23mm宽7.8mm的标签添加到毛培上，形成了腿节（见图-4d）。3.2初步设计和模拟预测增量一个4.7mm的托架
15、，6.25mm的连接板，2.4mm的金属板添加到毛胚上，级进和板料宽度分别确定在92mm和95.25mm。根据设计的规则确定拉伸比，没有中间退火，3个拉伸的拉伸比分别为1.82（82 mm/44.5mm）绘制，1.3（44.5 mm/34.5毫米）和1.09（34.5毫米/31.8毫米），随后跟接着是切边，翻边和滚动修整（见带布局图-5）。 三个工作组件的拉伸在VISI中设计，在DYNAFORM软件V5.2（见图6）创建了相应的仿真模型设计。对于对称的零件，只需建模一半的几何尺寸，由于毛培和金属板之间的连接只有4mm，与毛培只存比较是非常小的，金属板仿真模型省略。水溶性石油由克拉克石油化工公司
16、生产的是用于润滑。表2中列出的摩擦系数是基于在实践中的经验和以下原型芯片的测试，它也证明所给的摩擦条件下可给出了一个准确的预测。恒定压边力，900N，500N，1005N分别用于三个拉伸，并通过迭代优化方法。 考虑到测试和耐腐蚀，最大变薄25的基础上，选择作为标准来报告发生断裂的危险。第三道拉伸工序的仿真结果表明，部分可无断裂拉伸（图7a）。1的应变率作为标准选时，小的起皱趋势被预计出现在法兰区（见图-7b）。因此，一大片法兰区域被修剪，标签区域也会被压平（见图-5），起皱的条件是可接受的。 在两次拉伸中，成型几何已经进行了模拟，然而，部分失败的原因是最大减薄量高达50%，如果在模具曲线中防止
17、起皱。 3.3 原型模具验证 原型模具制造，以验证设计（见工件的几何形状形成三种拉伸结果，如图-8）。应变和变薄分布已进行了比较并适合测试和测量的大多数比较点。面积接近模具，第二次拉伸的主应变的差异为6%左右，第三次拉伸变薄10%。这可以解释为恒定的摩擦模型并不能反映真正的摩擦条件，它受到接触压力，滑动速度，表面硬化的影响。除了法拉边的增厚，观察其它区域的成型部分也没有起皱的现象。 图-9：有限元预测和样机试验测量的比较。a 三拉伸的主应变 b三拉伸的小应变c三拉伸的变薄量图-10：表面变形，分析和改进。a 部分变形，第二次拉伸冲头RP=10mm b 三次拉伸部分头的半径变化 c 相应应力分布
18、 d 二次拉伸冲头半径对压力分布在三次拉伸部分头的影响e 部分不失真，二次拉伸冲头RP=17.2mmf 三次拉伸部分头的半径变化 3.4表面变形分析及其改进观察失真小部分球头（见部分圆顶头的横截面，从A到B，从最初的原型测试测量半径变化（图10A，B）。 一个可能的原因是，冲头周边的材料经历了拉伸弯曲变形，如果当前的拉伸伸展不能提供足够的拉伸力，以伸直曲面面积弯曲和作用在以前的拉伸硬化，这样，表面变形可能发生。钢材的屈服应力，也被称为Von Mises应力： Von Mises 应力分布在球头截面获得，应力峰值在相应区域被观察到（见半径曲线分布的例子Rp=10mm，初步设计二次拉伸的冲头半径（
19、见图-10b，c）。在一个1.5mm很短的距离内，区域A的应力急剧从430增加至500Mp，然后在一个3mm的距离内极力降为400Mp。应力峰值表明材料的加工硬化和变形发生在当环绕材料不能提供足够的应力以伸直它的时候。通过对不同的半径从5mm到17.2mm，对二次拉伸冲头半径的影响进行了研究，发现在A和B区域的应力水平从530Mp-580Mp下降至460Mp-430Mp，高应力区的长度也从8mm减至1.5mm。这种现象可以被解释为，一个普通的二次拉伸冲头半径可导致加工硬化趋势，从而在三次拉伸中很容易变直。二次拉伸重头半径相应的变为17.2mm，变形在拉伸部分也会消失（见图-10e和f）。根据修
20、改后的设计再制造模具。五天后试用，模具在ComCorp制造商进行生产（见图-11）。图-11：模具制造，条料成型4.结论在这项研究中，介绍了一项基于有限元分析法的级进式拉伸模。以设计规则和设计经验开始，然后通过有限元分析模拟，并进一步确定了潜在的缺陷，从而验证原型模具。有限元模拟预测与样机测试相匹配，通过研究冲头半径对米塞尔应力的影响对表面变形进行移除。由于成型缺陷在模具制造前可以被检测和阻止，灯泡罩在这项研究中表明，先前长达几个星期的试用期已经缩短至数天。致谢 The authors would like to thank Mr. DaveStanciu, general manager a
21、t the Isatec Technical Center and ComCorp Industries for arranging resources for the investigation; Mr. Jim Lewandowski, technical director, for providing valuable advice on die design; Mr. John Dukles, chief technician, for conducting tooling tryout and prototype test. The first author would like t
22、o thank Professors Taylan Altan and Rajiv Shivpuri at the Ohio State University, Professors Jingrong Xiao, Xiangzhi Xiao at the Huazhong University of Science & Technology, Professors Xianfeng Lu at Nanchang University and Professor Shenglin Xu at Jianghan University for their instructions during fi
23、rst authors previous work and studies. DYNAFORM V5.2 and VISI V13.0 software used in this study was developed by ETA and Vero International Software,respectively. Technical supports were provided by Compass Technologies. The authors gratefully acknowledge the support of these software developers and
24、 technical supporters.参考文献1. Cheok BT, Nee AYC (1998) Configuration of progressive dies. Artif Intell Eng Des Anal Manuf 12:4054182. Sheng ZQ, Xiao XZ, Li JJ, Wen JY (1999) A progressive dies structure CAD system based on function-oriented assembly design environment. Proc 6th ICTP. Nuremberg, Germa
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