1 引言

      板料成形是利用模具使金屬板料發(fā)生塑性變形一種塑性成形工藝。傳統(tǒng)的板材沖壓工藝要經(jīng)過反復沖壓試驗、修改模具等復雜過程。其周期較長、成本大，已經(jīng)不適合當今社會小批量、快速、低成本的生產(chǎn)模式。板材成形過程是多重非線性的復雜變形過程，采用有限元法模擬板材成形過程可以減少試模時間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)費用。目前，板材成形的數(shù)值模擬方法已經(jīng)受到廣泛的重視，并且正在逐步實現(xiàn)實際生產(chǎn)中的模具設計、沖壓過程模擬、缺陷的預防及分析等。對于薄板類沖壓成形過程的數(shù)值模擬已進行了較多的研究，而對中厚板成形過程的數(shù)值模擬研究進行的較少。由于厚度較厚，有異于其它的薄板成形，目前針對中厚板的有限元分析技術不夠成熟，未見完整的理論研究報告，因此有必要對其進行深入研究。本文基于Von-Mises屈服理論，采用MSC.Marc有限元分析軟件對某汽車離合器的沖壓成型過程進行了模擬，驗證了該有限元模型分析中厚板成型的可靠性和可行性。

2 Von-Mises屈服準則

      因中厚度板料厚度較厚，有異于其它的薄板成形，不能輕易的應用一般的薄板料屈服模型，因此采用合適彈塑性材料模型非常重要。Mises于1913年提出一屈服準則：當點應力狀態(tài)的等效應力達到某一與應力狀態(tài)無關的定值時，材料就屈服。或者說材料處于塑性狀態(tài)時，等效應力始終是一不變的定值。目前Von-Mises屈服準則被有限元軟件中廣泛采用。大量試驗證明，對于絕大多數(shù)金屬材料，Von-Mises屈服準則接近實驗數(shù)據(jù)。

      Von-Mises屈服準則的屈服方程為：

                

      其中：

      σ為等效應力；

      σ1、σ2、σ3分別為第一、第二、第三主應力；

      C為一常數(shù)。

      用單向拉深屈服時的應力狀態(tài)（σs，0，0 ）代入上式即可得到常數(shù)C：

                 

      于是，Mises屈服準則的表達式為：

                             

      即

               

               或

           

3 有限元模型建立

      圖1為某汽車離合器蓋示例，材料為Q235，料厚3.5mm。在沖壓過程中，壓邊圈將板料壓在凹模上，通過給定壓邊力實現(xiàn)。板料隨著沖頭的勻速向下運動被壓入型腔。卸載后，沖頭與板料間的接觸消失，板材經(jīng)回彈后得到最后形狀。采用MSC.Marc軟件繪制模型，模具、毛坯有限元網(wǎng)格圖如圖2所示。模具采用剛性體，不可變形。采用雙線性摩擦模型，板料與凸模間的摩擦系數(shù)為0.2，與凹模間的摩擦系數(shù)為0.1，且假設整個過程中摩擦系數(shù)保持不變。考慮到板料在拉延過程中發(fā)生大位移，因而采用逐級更新的Lagrangian彈塑性材料模型和網(wǎng)格自適應技術。板單元采用實體單元。收斂準則采用位移判斷標準，容差1%。模擬回彈時，釋放工件與模具之間的接觸。

      沖壓過程是一個復雜的變形過程，一些限制條件對實際過程影響很小，因而可以進行一些必要的簡化與假設。材料采用各向同性模型且均質(zhì)，屈服準則采用Von-Mises屈服理論和各向同性硬化法則；忽略在加工過程中的溫度變化及熱效應對板材的影響。

      常溫下板材拉伸試驗是研究板料力學性能最常用、最基本的試驗。本文按照國家標準金屬材料室溫拉伸試驗方法（GB.T228-2002）進行拉伸試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行處理計算，將工程應力應變曲線轉(zhuǎn)化為真實應力應變曲線，應用最小二乘法原理擬合得到板料的性能參數(shù)。材料整個拉伸試驗過程在我公司質(zhì)保部試驗室萬能拉伸試驗機上進行。經(jīng)轉(zhuǎn)換后真實屈服應力應變曲線如圖1所示。材料參數(shù)如表1所示。MSC.Marc建立的有限元模型如圖2所示：

                 

                  

           

4 MSC.Marc數(shù)值模擬結(jié)果與分析

      本文從板料有限元分析的等效應力情況來分析板料的變形極限狀態(tài)，因此有必要研究變形物體內(nèi)各點的應力狀態(tài)、應變狀態(tài)以及塑性變形時各應力之間的關系。

      圖3所示為板料Von-Mises等效應力云圖。Von-Mises等效應力較高處為產(chǎn)品直臂與法蘭部分的轉(zhuǎn)角部分，由于材料完全貼膜，這部分金屬的受力狀態(tài)是兩向受拉，一向受壓。結(jié)果顯示，最大等效應力為450MPa。根據(jù)Von-Mises強度理論，選用安全系數(shù)s=1.3，其小于材料的許用應力484.62MPa，所以該設計是合理的。

                  

5 生產(chǎn)結(jié)果與模擬結(jié)果比較

      通過分析蓋的成型工藝，根據(jù)設定的沖壓工藝方案把所設計的模具投入生產(chǎn)之后，發(fā)現(xiàn)沖壓出的制件表面質(zhì)量良好，無明顯的起皺，拉裂等質(zhì)量問題。圖4為三維造型模具圖和離合器蓋標實際生產(chǎn)裝配后的離合器產(chǎn)品。從結(jié)果中看出，有限元數(shù)值模擬技術指導模具設計的作用得到了很好的發(fā)揮，大大縮短了模具設計周期，減少了試模次數(shù)和試模時間，降低了模具設計成本。

               

6 結(jié)論

      (1)采用Von-Mises材料屈服準則準確分析了中厚板料的拉深數(shù)值模擬；

      (2)利用逐級更新的Lagrangian彈塑性材料模型，適合于求解中厚板料沖壓成形這類大變形問題；

      (3)有限元模擬方法可以很好地再現(xiàn)板材成型過程。通過與生產(chǎn)實際結(jié)果進行對比，采用上述的關鍵技術MSC.Marc軟件能有效模擬中厚板材沖壓成形中的變形及卸載過程。（轉(zhuǎn)）