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文献综述

重庆理工大学

文献综述

二级学院应用技术学院

班级108214701

学生姓名刘才浩学号06

《冲压模具设计中侧壁起皱分析》的文献综述

刘才浩

（重庆理工大学应用技术学院重庆南岸区400050）

摘要

在带有斜度的方形盒和带有阶梯的方形盒的拉深中发生的起皱现象一直在被研究。

这两中类型的起皱现象有一个共同的特征：

全都发生在相对无支撑、无压边的壁拉深中。

在带有斜度的方形盒的拉深中，常受到工序参数的影响，例如：

模具的间隙值和压边力等，所以常用有限元模拟的方法来研究分析起皱的发生。

模拟的结果表明模具的间隙值越大，起皱现象就越严重，而且增加压边力也不能抑制和消除起皱现象的发生。

在带有阶梯的方形盒拉深的起皱现象分析中，常通过实际生产中一种近似的几何结构来研究、试验。

当凸模与阶梯边缘之间的金属板料在拉深时分布并不均衡，就会在侧壁发生起皱现象。

为了消除起皱现象的发生，一个最优的模具设计常采用有限元的方法进行分析。

模拟的结果和起皱试验论证了有限元分析的准确性，并且表明了使用有限元分析在拉深模具设计中的优越性。

关键词：

侧壁起皱；拉深模；带有阶梯的方形盒；带有斜度的方形盒。

Thestampingmoulddesignwallwrinklinganalysis\"ofliteraturereview

LiuCai-hao

（ChongqinguniversityofscienceandtechnologyinstituteoftechnologyChongQingNanandistract400050

Abstract

Inthesquareboxwithagradientandtheladderofsquareboxwiththepressure-pad-forcehappenthewrinklingofthephenomenonhasbeenstudied.Thetwotypesofthewrinklingofhaveacommoncharacteristics:

alloccurinrelativelynosupport,andnopressuresidewallpressure-pad-force.Inthesquareboxwithagradient,pressure-pad-forceoftenbeprocedureparameterseffects,suchas:

diegapvalueandblankholderforce,socommonlyusedfiniteelementsimulationmethodtostudywrinkledhappen.Simulationresultsshowthatthebiggerthegapofthemould,thewrinklingoftheserious,andincreasetheblank-holderforcealsocan'trestrainandeliminatewrinklinghappens.Withaladdersquareboxindeepdrawingthewrinklingofanalysis,oftenthroughtheactualproductionofakindofapproximategeometricstructuretoresearchandexperiment.Whenthepunchandladderbetweenedgeofsheetmetalindeepdrawingisnotbalanceddistributionwhen,willhappeninthelateralwallwrinklingphenomenon.Inordertoeliminatetheproblemofwrinkling,anoptimalmolddesignoftenUSESthemethodoffiniteelementanalysis.Simulationresultsandwrinklingtestprovedtheaccuracyofthefiniteelementanalysis,andshowthattheuseoffiniteelementanalysisindeepdrawingdiedesignthesuperiority.

Keywords：

Wallwrinkling；Deepdrawingdie；Withaladdersquarebox；Thesquareboxwithagradient。

1.介绍【1】

在金属板料的冲压拉深过程中往往存在着起皱的缺陷。

在金属板料成形过程中，有三种形式的起皱频繁的发生：

边缘起皱，侧壁起皱和由于残余的弹性压力引起的未变形区域的弹性弯曲。

在冲压一个复杂形状零件的操作时，侧壁起皱意味着冲模腔中的起皱。

由于侧壁区域的金属板料相对于其它区域的金属板料不被工具所保征质量，侧壁起皱的消除比边缘起皱的抑制更难。

很明显，在未被加固的侧壁区域中的金属材料的额外拉伸可能防止起皱，而且在实际操作中也可以通过增加冲压力来防止起皱，但是过度的拉力会通过裂痕导致失败。

因此，冲压力必须处于一个狭小的范围，一方面，要高于抑制起皱的力，另一方面，要低于产生破裂的力。

冲压力的狭小范围很难计算。

对于冲压一个复杂形状的零件，当起皱发生在中心区域时，有意义的冲压力范围甚至不存在。

为了解决冲压和拉深过程中产生的起皱问题，一些专业人员做了许多的测试，最终发现起皱的开始取决于在压力不均匀区域中有压缩的侧部力的弹性弯曲。

这些测试的努力结果被用于一些简单的零件起皱问题，并在90年代早期，冲压一个比较复杂的零件的起皱问题在三维动态软件和有限元方法的成功运用中得到解决的可能。

有一个拥有锥度的和一个有阶梯的方形杯子存在着倾斜的侧壁。

在冲压过程中，侧壁上的金属板料相对没被支撑，所以，侧壁更容易起皱。

现在对起皱的研究中，其过程中所产生的不同影响都在进行研究。

当冲压带有阶梯的方形杯子时，犹如图

（1）b显示的一样，能够得到另一种形式的起皱。

为了了解分析的效力，通过使用有限元分析的方法来设计模具从而减少起皱。

通过模具设计的方法使得有限元法得到证实。

图

（1）带有锥度方形杯子的拉伸（a）带有阶梯的矩形杯子的拉伸（b）

2．有限元模型【2】

在冲压过程中的模具、冲头等都是用CAD等绘图软件来设计的。

三节点和四节点的外形元素通常用来为以上工具生产网眼系统。

在模拟有限元时，工具都被认为是刚硬的，并且相应的网眼是用来定义工具几何学的而不是其压力的分析而且对应的网眼被用来定义工具几何学而不是压力分析。

同样CAD软件使用四节点外形元素来为板形坏料构造网眼。

图2是冲压有阶梯的方形杯子时所显示的工具完整布置下的网眼系统。

由于杯子的对称性，只分析杯子的四分之一就可以。

在模拟中，板形坏料放在压力机上，冲模向下移动，逆着压力机夹紧板形坏料。

然后冲模上升使得板形坏料按着模腔成形。

图2有限元网眼

图3金属板料的应力应变关系

3．锥度方形杯中的起皱【3】

3.1冲模间隙的影响

为了分析冲模间隙对于起皱问题的影响，在冲压一个锥度方形杯子时，分别采用20mm，30mm，50mm大小的冲模间隙进行模拟冲压实验。

在每次实验中，模腔的尺寸都保持在200mm，而且杯子高度都是100mm。

以及三次模拟实验中使用的金属板料都是380×380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金属的应力应变曲线如图3所示。

图4G=50mm的带有锥度的方形杯子

从模拟结果可以看出三次模拟中都发生了起皱现象，冲模间隙为50mm冲压出来的杯子模拟形状如图4。

从图4中可以看出，起皱分布在侧壁，侧壁拐角出比较明显。

这就说明在冲压过程中，由于侧壁大面积区域不被支撑而产生起皱，同时，由于冲模间隙不一样，冲头各边的长度与模腔尺寸也不一样。

由于横向压力的增大，在冲头和模腔中拉深成形的金属板料越来越不牢固。

在压缩下，侧壁金属板料不受限制的拉伸是起皱的主要原因。

为了更加了解三种不同间隙冲压出来的产品，两个主要的应变比率β被介绍，β=εmin/εmax，这里的εmin和εmax分别是主要的和次要的应变。

Hosford和Caddell已经展示了β的实际值比β的评论值大，假设当起皱发生时，β的实际值越大，起皱的可能性就越大。

在三个冲模间隙不同的冲压中，相同的侧壁高度，在图5中画出图4中M-N的β值。

由图5可知严重的起皱通常发生在拐角处，而对三个冲模间隙不同的冲压，在侧壁中心很少发生起皱。

还说明了冲模间隙越大，β的实际值就越大。

所以，冲模间隙增大将增大在锥度方形杯子侧壁处发生起皱的可能。

3.2冲压力的影响【4】

冲压中，增加冲压力可以减少起皱。

为了研究增加冲压力的影响，通过保持冲模间隙为50mm，改变冲压力的方法来进行实验模拟。

冲压力从100KN增加到600KN，这两个力分别产生0.33Mpa和1.98Mpa。

模拟结果显示冲压力的增加并没有帮助消除发生在侧壁的起皱。

在图4中已标出沿着横截面M-N的β值与冲压力为100KN和600KN的β值作比较。

模拟结果指出两种情况下，沿着横截面M-N的β值是一样的。

为了检查两种不同冲压力的起皱形状，正如图4和图6标出的那样，侧壁上从底部向上有五处不同位置的横截面。

从图6可以看出，两个外壳的波浪形横截面是相似的。

这就说明在冲压带有锥度的方形杯子时，冲压力不影响起皱的发生，这是因为起皱的原因主要是由于在有横向压力存在的侧壁处有大面积区域不被支撑。

冲压力对冲头和模腔之间材料不稳定的模式并没有影响。

图5沿着横截面M-N不同冲模间隙的β值

4．阶梯矩形杯子【5】

在冲压一个阶梯杯子时，如图

（1）b轮廓1显示冲压阶梯杯子的冲头草图，侧壁C沿台阶D-E而行。

在最近的研究中发现，在一个实际的产品中检查到了这种几何形状。

这种产品使用的原材料的厚度是0.7mm，从拉力测试中获得的应力应变关系如图3所示。

这种冲压部分产品的程序包括通过清理焊缝的深拉。

在这种深拉过程中，没有焊缝被用在冲模表面来帮助金属的流动。

但是，由于冲头拐角处的半径过小和其复杂的几何形状，如图7显示的那样，在冲头边缘上部经常发生拉裂，在真实产品的侧壁处经常发生起皱。

从图7中可以看出，皱纹发分布在侧壁上，但是在阶梯边缘拐角处最为严重，就像图1（b）中A-D，B-E显示的那样。

在冲头的上部边缘，金属往往被拉裂，就像图7所示。

图6从图a的100KN到图b的600KN不同侧壁高度的横截面线条

图7产品零件中的拉裂和起皱

如图

（1）b就像A-B边缘半径和冲孔拐角处A的半径一样，冲孔的半径也很小，这被认为是拉裂的最主要原因。

但是，根据有限元分析的结果，拉裂可以通过增加以半径来避免。

这种理念在现实产品中通过增加半径得到证实。

通过有限元法来监测冲压工序中板料的变形形状是其的一个优势，而这在真实的产品冲压过程中是不可能的。

对冲压过程中金属流动的精密监测显示板料最开始通过冲头的力按模腔的形状成形，直到板料接触到如图1（b）阶梯D-E边缘才形成起皱。

起皱的形状如图8显示的那样。

这就为模具设计的改进提供了有价值的信息。

图8当板料接触台阶边缘的起皱形成

图9切除了的台阶拐角

在最初对于起皱的猜想是在冲头的拐角处A与解题拐角处范围D之间的金属板料的拉深不平坦产生的。

如图

（1）b所示。

阶梯拐角处被切主要是为了改善拉深条件，这样就允许通过增加阶梯边缘有更多的拉伸被应用到如图9所示，从而使得模具设计的改进得到发展。

但是，杯子侧壁处仍然有起皱，这就意味着起皱是因为整个冲头边缘和整个阶梯边缘的不平坦引起的。

为了证明这种说法的真实性，用了两种改进过的模具设计来实验：

为了描述想象中的形状用两种拉深操作，一种是增加更多的拉深操作，而另一种是切去整个阶梯。

后一个方法的模拟形状所图10所示。

自从更低的阶梯被切去后，拉深工序与图10中的杯子拉深工序性很相似。

从图中可以看出起皱现象已消失。

在这两种操作的拉深工序中，板料最初是被拉到很深的阶梯处，如图（11）a所示，然后，较低的阶梯在第二步拉深操作中成形，同时，如图（11）b所示的想象形状也得到了。

从图中能够清晰的看出，通过两步拉深工序能够冲出没有起皱的阶梯矩形杯子，同时也说明在两步拉深工序中，如果相应的顺序被应用，则更低一些的阶梯处的成形是伴随更深阶梯处和最深阶梯边缘处成形的最早成形[6]，如图

（1）b中的A-B，由于金属不容易通过较低的阶梯进入模具型腔。

图10改善模具设计的模拟形状

图11两个操作步骤中的a第一步操作b第二步操作

由限元分析法可以知道用简单的拉深操作来设计理想产品的冲压模具设计是很难成功的。

但是，由于额外的模具费用和操作费用，两个操作的制造费用是很高的。

为了保持较低的制造费用，设计师对零件的形状做出了合适的改变，并且通过有限元模拟分析法来去除较低的台阶来改善模具设计，如图10所示。

随着设计方法的改进，产品真实的冲压模具被制造出来，而且零件还没有起皱，如图12所示。

通过有限元模拟分析法得到的零件也没有起皱。

为了进一步验证有限元模拟分析法的结果，有限元模拟分析法得到的沿横截面G-H的厚度分布如图12所示，这与产品的尺寸做了比较，比较的结果显示在图13。

从图中可以看出有限元模拟分析法得到的预想的厚度分布和产品得到的厚度分布是相符合的。

这种吻合证实了有限元模拟分析法的效率。

图12无缺陷产品零件

图13G-H处模拟和测量厚度

5．总结

通过有限元模拟分析法研究了两种在冲压过程中的起皱，而且还检查了其起皱的原因和消除起皱的方法。

第一种形式的起皱发生在冲压带有锥度的方形杯子的侧壁上，这种起皱的原因是因为冲模间隙过大（冲模间隙就是模腔的尺寸和冲头的尺寸的差距）。

当金属被拉至模腔中，在冲头和型腔中有一有害的拉深时，大的冲模间隙导致金属板料的大面积区域不被支撑，因此大面积区域不被支撑导致起皱。

有限元模拟分析法显示这种起皱不能通过增加冲压力的方法来得到抑制。

另一种形式的起皱发生在有阶梯矩形的几何形状物体冲压过程中。

起皱往往发生在台阶以上的侧壁，甚至冲模的间隙不是足够的大。

通过有限元模拟法得知，这种起皱主要是由于在冲头和台阶边缘存在不平坦的拉伸。

在模具设计过程中，通过有限元模拟分析法单独的尝试被用来消除起皱，切除了台阶的模具被建立。

通过无缺陷的零件证实了这种模具设计方法对消除起皱的作用。

有限元模拟分析法得到的结果和真实产品中看到的结果相吻合说明了有限元模拟分析法的准确性，还证实了用有限元分析法代替真实的模具制造方法的效力。

参考文献

[1]邓明吕林等.《冲压成形工艺与模具》[M]2011年北京化学工业出版社

[2]黄义俊张俊异型拉深零件侧壁起皱的有限元分析与解决方法 机械工程师2005年第12期107-108.

[3]R.NarayanasamyR.Sowerby，Whenusingaconicaldieformingofsheetmetal[J]Journalofmaterialsprocessingtechnology1994275-290.

[4]W.J.stronge，M.P.F.SutcliffeT.X.Yu，Induringstamping,circularplatewithplasticwrinkling[J]Experimentalskills1986345-353.

[5]T.X.Yu，W.JohnsonW.J.Stronge，Circularplatesonthehemisphericaldiesinstampingforming[J]Journalofmechanics1984131-148。

[6]W.F.HosfordR.M.Caddell，Metalforming:

machineryandmetallurgy，1993年第二季。