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前一种方法是基于新型工艺处理过程的发展,这种工艺处理过程使用了灵活的媒介,目的是替换传统的模具冲压工艺过程。
同时,后一种方法目的是发展一种先进的成型工艺过程,在这种过程中,零部件的最终形状取决于一种简单形状的小型冲压运动,而不是取决于模具形状。
就前面提到的指导方针而言,已经引入了弹性体与流体,目的是替换成套工具中的一种元素。
用这种方法,在橡胶成型工艺过程中,一个灵活的橡胶板,它的范围是通过刚性容器界定,是通过阳模与阴模去连接,目的是去克服定位与校准问题。
通过更换一些成型工具,同一橡胶板可以被生产出不同的零部件。
另一方面,一些利用流体反压的拉深工艺过程已经被提出呈现。
在这种一般被称为液压成型或流体力学成型工艺过程中,刚性的冲压机与拉伸外圈渗透进入一个封闭的液体腔。
在这种方法中,液体产生了反向的流体静压力,推动了拉伸部件,这种影响增大了冲压机与工件接触界面的摩擦力,导致了轴向力的减小,允许更高的拉深率,或更一般的意义上,增大了成型限制,确定冲压外圈厚度更加均匀。
而且,最近的几年里,在各种冲压工艺过程中,管件的液压成型过程已经成为了经济并且受企业欢迎的方法。
管件液压成型组件通常可以表征为提高了结构强度与硬度,更严格的尺寸公差与更低的弹性回弹。
这种成型工艺还提供了与经济方面相关的一些优点。
管件液压成形使得在某些情况下,将复杂的部件的制造从空心元件开始,仅仅需要短短的一个操作。
而在传统方法中,冲压和焊接工艺的整个序列是必不可少的;
因而无论是模具费用,由于较少的处理部分,还是二次操作,都可以大大减少。
反过来,管件液压成形的特点是,相比传统的冲压操作,它的周期慢,但需要更昂贵的设备。
此外,值得提出的是,关于这种工艺过程的知识还是相对缺乏的。
通过对技术文献的详细分析表明,仅仅只有少数文献集中于基础的研究,例如,操作参数的作用以及过程的有效性。
进入到上面提到的第二个指导方针,在这种过程中,零部件的最终形状取决于一种简单形状的小型冲压运动,而不是取决于模具形状。
就增量成型而言,这种工艺操作通常是在CNC数控铣床,在这里,通过固定路径可以分配与控制冲压运动。
实际上,先前的在CNC机床上关于发展增量成型工艺过程的尝试很大程度上是因为Matsubara【23】。
同时最近,Kitazawa与Nakajima提出了采用一种圆柱体形的增量拉深成型工艺,而不采用专用模具,去生产一种圆柱外壳。
Iseki建议使用由电脑控制的高速水射流去代替机械工具。
Tanaka等人提出了使用灵活的模具去成型薄板,这些模具的形状由排列成矩阵形式的气缸决定。
此外,Iseki通过滚地球开展了增量钣金的鼓出实验,目的是确定在工业中关于钣金增量成型工艺的成型限制图解。
上面提到的原因表明增量成型允许非常相关的工具与成本的降低。
另一方面,增量成型仍然很“年轻”并且处于一个发展过程。
几个研究小组关于这个过程的力学与局限的系统研究正在进行中。
这也仍然适用于旋压成型工艺过程,即使在这些成型工艺过程中使用了异形模。
尤其特别的是,剪切旋压成型工艺是生产薄壁旋转壳工件的一种主要的成型方法,并且尤其适用于中批量与小批量生产。
轴对称工件的旋压成型工艺相对于传统的工艺过程具有许多优势:
更低的变形抗力,更长的模具寿命,以及更低的设备投资。
然而,应该加强对这个工艺过程的技术与工程的研究,因为可利用的研究一般可以提供收集的实验数据而不是过程力学模型。
已经发展起来的数字模型方法对于预测旋压工艺过程所需要的力是很有帮助的,但是对于关键力学参数的影响以及加工材料的可旋转能力并不能够很好的阐述,还需要进一步的调查研究。
最后,应该考虑更多的有趣的成型过程,例如激光加工与喷丸加工,因为它们的灵活性以及潜在的工业应用。
在过去的几十年里,通过使用基于有限单元方法的数字仿真技术,成型过程的优化尤其是新型金属成型方法已经发展起来。
在这种方法中,使用并行工程设备的虚拟制造试验已经发展起来,它具有巨大的优点,可以使产品入市的时间以及产品启动成本获得综合并有意义的降低。
尤其特别的,就提及的钣金冲压工艺,成型分析的最后要求是要考虑完整的冲压仿真过程,包括拉深,弹性反冲,修边,再一次弹性反冲以及剩余应力状态评估。
此外,关于形状与延展断裂的缺点可以被预测。
介绍了复杂的接触条件,考虑拼焊板以及各向异性的影响。
所有的这些在短暂的计算时间都应该包含,目的在可以接受的模型与仿真时间里进行产品开发。
最近,隐式静态模型以及显式动态模型已经应用到成型工艺的数字仿真中。
下一章节已经给出了两大基本方法的简单介绍。
此外,有限元建模在钣金成型工艺中的一些缺陷也被介绍。
特别的,两大新型的钣金成型工艺——管件液压成型与旋压成型,将会被发展。
此外,关于被研究调查的旋压成型工艺的实验运动已经引入,目的是验证数字预测的有效性。
通过这种方式,可以显示数字仿真作为计算机辅助工程工具的能力。
2.数字模型
2.1静态隐式模型
典型的静态隐式方法是基于增量步进式解决方案:
假设在时间t时刻,考虑中的主体静力平衡配置是已知的,需要知道离散时间t+∆t时刻的解决方案,在式中∆t是合理选择的时间增量.通过迭代过程可以获得t+∆t时刻的配置,每一次的迭代是基于下面有限单元调整等式的解决方案:
在这公式中,
表示在时间t时刻测量的线性应变增量刚度矩阵,关于在相同时间t的配置;
表示在时间t时刻测量的非线性应变增量刚度矩阵,关于在相同时间t的配置,它包含条款由于应变与位移之间的非线性关系;
表示在迭代点i计算的节点位移增量的向量;
表示在时间t+∆t时刻外部应用节点负载向量,它包括产生的热应力;
表示在时间t+∆t的等效单元应力的节点力向量,在相同时间t+∆t测量的,并且通过先前的迭代点计算;
和
表示在相同时间
t+∆t的节点位移向量,分别地在节点i与节点i-1计算.
上面提到的调整方程可以由虚功原理导出,它表达了平衡和兼容性要求,采用了适当的应力应变措施以及合适的线性化过程:
尤其是,选择了Jaumann应力变化率张量和Green-Lagrange应变张量,为了使用刚体旋转下的应力张量不变量的材料和应变张量,可以考虑非线性压力和位移之间的关系,在大型旋转问题不容忽视。
需要指出的是,右手边的公式
(1)代表了不平衡的载荷矢量,因为单元应力导致载荷矢量不平衡,因此节点位移的增量是需要达到收敛。
力学分析结果代表了增量位移领域以及应力应变增量领域。
2.2.动态显式模型
调整有效单元系统动态响应的平衡方程或许可以书写为如下:
在这里
,
分别代表质量矩阵,阻尼矩阵和刚度矩阵。
{R}表示外部载荷向量;
{
}{
}分别代表有限单元组合的位移向量,速度向量以及加速度向量。
表达式
(2)是一个二阶微分方程系统,结果它被整合为一个合适的集成方案。
带着这个目的,为了解决表达式
(2),已经测试了几个集成方案;
其中最有效的一个是中心差分法,在这个方法里,它假设在0时刻,位移向量,速度向量以及加速度向量是已知的,解决方案是要求从时间0到时间T。
时间跨度为间距为∆t的均匀n等份,在时间∆t,2∆t,3∆t……他t,t+∆t,……T。
通过两个方便的有限差分表达式,中心差分法发展了整合的表达式
(2),在通用时间t,它依据位移近似接近速度和加速度。
通过这种方式,表达式
(1)可以被重新书写为这种形式:
在这里忽略了阻尼条件。
通过这种方法,可以获得在t+∆t时刻未知的位移;
对于隐式模型,表达式(3)显示了第一个重要的改进:
在这种方法中,不需要因式分解和刚度矩阵的转置,因此,这种模型便非常快捷有效。
通过块的步骤引入了对角线质量矩阵,这便是获得的更进一步的改进;
通过这种方式,系统(4)便成为独立的公式并且可以被一步一步的分解。
下面很有必要弄清楚的是,尽管隐式算法是无条件稳定的,但是中心差分法的最重要的缺点是有条件的稳定并且需要选择一个低于临界阀值的∆t。
相比于成型过程的自然时间,稳定时间增量通常是非常小的。
然而,仿真过程的速度是可以被加快的,可以通过人为的增加材料的质量密度或增加模具速度。
可以观察到通过这种方法,惯性影响在仿真中承担了相当重要的影响:
因为这种原因,为了在过程中避免不正确的模型,可以人为的增加质量密度以及模具速度的值,但必须在合适的限制之内。
尤其是,相对于变形能量的运动比率的连续核查在仿真中需要发展,取临界值为0.1。
2.3.钣金成型工艺过程的计算机辅助工程分析
在完整的钣金冲压工艺过程的数字仿真中,常常需要三维分析。
尤其是,仅仅通过考虑微不足道的对称条件,就可以简化数字模型。
在这种情形下,就CPU时间而言,关于经典的静态模型,显示模型是非常有效的。
每一次要解决一组独立的线性方程的增量。
此外,值得注意的是,数值调查往往是针对特定形状缺陷的检测(皱纹,皱纹等等)或其他类型的分析的塑料崩溃发生在形成过程。
在这种情况下一个隐式的代码将停止分析师的分析没有明确指示数值误差的性质:
事实上,刚度矩阵可以不再被倒置,因为一些对角术语将近似为零。
因此最后方程系统再也无法得到解决。
另一方面,在每一次时间增量中,显式模型不需要将刚度矩阵进行转置:
应该一个塑料崩溃发生然后分析将继续突出缺陷本身。
最后,板料冲压工艺的特点是相当复杂的接触条件。
因此,利用接触算法必须能够管理单边约束条件和不确定的联系。
利用隐式模型需要非常小的时间增量,以克服数值解的收敛问题。
因此需要更长的CPU时间。
反过来,显式模型利用而小时间的增量由于中央差分法,从而导致条件稳定,需要时间低于临界阈值的步骤。
通过这种方式,可以考虑复杂的接触条件,同时可以假定线性位移和压力之间的关系,忽略了几何非线性。
从上面讲述的我们可以知道,就钣金成型工艺过程而言,为了获得一个合适的工程分析操作,动态显式模型可能是最有效的工具。
3:
应用
在本节中,提出了几个利用显式方法的计算机辅助工程的应用。
特别的考虑了两个:
旨在生产T形组件的管件液压成形工艺过程以及生产圆锥形状的旋压成型工艺过程。
对这两个过程,数值结果将高亮显示操作流程变量的选择和优化以及有限元工具的有效性。
3.1.管件液压成型工艺过程
管件液压成型往往通过执行阶段来表征,在执行阶段过程中,组件通常先弯曲成一个合适的形状,然后进行冲压,目的是为了在沿其长度方向获得特定的横截面。
然后,进行液压成型过程,以便获得部件的最终形状,这个最终形状确定了最终的半径与厚度;
图-1.部件几何尺寸(几何尺寸;
mm;
管内径等于5mm)
这个部件是通过管件内部压力在内表面上的叠加以及管件两端冲头的进给运动而获得的。
在这个研究案例中,是考虑研究通过液压成型的T形组件(看图-1)
考虑的材料是1mm厚的AISI1050钢,它可以通过下面的应力应变曲线来表征:
这个成型工艺过程通过仿真模拟一个异性模和两个在管件两端活动的冲头。
正如在实验中发生的那样,通常是一个冲头是运动的,而另一个冲头当做部分快。
在整个数字仿真模拟过程中,库伦摩擦系数选用的0.1.
建立最初的数字模型使用了大约2000个壳体单元;
为了避免过度的单元扭曲,使用了一个几何重啮合算法,并且模架被模拟成刚体。
在图-2中,显示了两个后续步骤的过程力学。
图-2.液压过程的两个连续的状态
应该注意到,力学的分析过程强烈的取决于两个选择的基本操作变量,即内部压力与冲头的进给速率。
实际上,这类问题相当于一个
的上域问题,n和m表示上面提到的多项式功能。
此外,在成型过程中,需要考虑旨在对比突出一代的反冲模与时间的对比,目的是验证改进后的过程力学分析,包括厚度分布。
因此,这样的问题不可能通过一个实验调查活动;
因此数字仿真可以作为一个有效的工具使用。
尤其是在当前的研究中,假设了步进式趋势显示函数;
在图-3与图-4中显示了步进式函数。
图-3.内部压力对时间的函数:
步进式选择
图-4.冲头进给速率对时间的函数
第一组数值模拟开发利用了上面提到的时间历史功能,忽视对比反凸模的行动。
在图-5中,显示了所获得的部件的最终的厚度分布。
图-5.厚度分布(无反向冲头行动)
在这种情况下,最薄的地方可以获得相当与管件最初厚度的22%;
此外,可以观察到满意的不均匀厚度分布。
在成型过程中,通过引入反凸模运动,使得进一步的数字模拟获得了发展,目的是为了控制调查组件的突出发展。
选择的力量水平,在这样一种方式下采取行动限制金属的流动。
图-6中显示了选择的步进式时间历史函数。
图-6.反向冲头压力对时间的函数
在图-7中显示了获得的厚度分布;
最大变薄为获得的15%,此外,在最终的部件中,观察到了更好的厚度均匀性。
图-7.厚度分布(有反向冲头运动)
上面提到的结果显示了仿真工具的有效性与能力;
事实上,通过调查T形管件的液压成型过程,可以获得非常有趣并且有用的结果,可以在这种成型工艺过程的设计中加以利用。
3.2.剪切旋压成型
在剪切旋压工艺过程中,通过刚性工具在芯轴上的旋转活动,可以获得轴对称形状的工件;
成型部件可以由相同直径的空白来表征,并且它的成型过程是基于伸展机制。
通过刚性工具的进给运动,变形部件的厚度可以减少到最终需要的值。
在这个研究案例中,考虑了一个锥形界面,通过不同的锥坡角度。
在图-8中显示了45°
的角度。
图-8.45°
的旋压未成型模型
选择的材料是0.6mm厚的925银,可以用下面的应力-应变曲线表征:
此外,对使用的材料开展了一些圆顶实验,目的是获得材料的成型极限,图表显示在图-9中。
调查过程的特点是非常高水平的压力,而在当地赋予材料流动变形机制;
因为这个原因,应该开展一个合适的调查,目的是去测试典型FLD的有效性。
图-9.925银FLD
旋压工艺过程的特点是直径100毫米的空白磁盘,而较小的平截头体直径等于50毫米。
成形过程模拟的建模是一个锥形模作为刚体;
此外,空白是夹紧旋转模,通过一个刚性圆盘的作用迫使250丹应用。
在表metal-rigid模具接口库仑摩擦假设摩擦系数等于0.15。
最初的数值模型建立了利用约2000壳元素又一个几何重啮合算法利用,为了避免过度元素失真。
就操作参数而言,模具应用了1500转的转速,同时冲头进给部件在赤道平面选择以这种方式进给,获得一个复合进给速率以便正切锥面,大概等于1毫米每转。
在图-10与图-11中,分别表示的是模具角为60°
与45°
时,最终获得部件的厚度分布:
图-10.厚度分布(模具角度等于60°
)
图-11.厚度分布(模具角度等于45°
有限元仿真使正弦法,相关的薄板厚度之前和之后的形成过程,确认的两个配置的最大变薄,但通常它给只是一个指示获得稀疏的最后部分。
为了强调数字结果的有效性,通过使用与数字仿真相同的操作参数,执行了一系列的实验验证,为了去观察部件最终的厚度分布。
特别的,获得的部件在径面被剪切,同时沿着部件设置了一系列的检测点,如图-12所示。
图-12.在成型部件上标记的检测点
在有限元代码预测的值与实际测量部件的值之间,获得了很好的重叠值,如图13所示。
图-13.成型部件分别由实验与数字形成的厚度分布(模具角等于45°
实际上,有限元建模装置的有效性还需要更多的复杂几何形状与工具路径去进行测试。
但不管怎么说,数字模型似乎可以遵循发生在这样一个过程的特定的接触条件,为再设计一个新产品的过程中提供相关的使用数据。
4.结论
本文给出了关于最基本的有限单元数字模型的快速报告。
尤其特别的是,显示了在钣金成型仿真过程中,动态显式模型的有效性。
此外,提供了两个关于新型钣金成型工艺的计算机辅助工程的例子,正如提到的旋压成型工艺一样,都得到了实验证据的支持。
上面的注意事项和例子表明,有限元模型能够对特定的成型过程给分析师以有效的显示迹象。
事实上,它可以被视为一个验证工具,可以减少新产品的进入市场的时间,可以避免工程阶段的产品原型。
有限元代码还可以利用其它工具,例如人工智能工具,从而可以减少解决方案域的大小。
致谢
这项工作的进行使用了MURST(意大利大学和科学研究)基金。
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