应用ABAQUS进行柔性多点模具蒙皮拉形工艺数值分析.doc

应用ABAQUS进行柔性多点模具蒙皮拉形工艺数值分析

白雪飘　曾元松
（北京航空制造工程研究所，北京，100024）

摘要：多点柔性模具蒙皮拉形是一种新兴的柔性加工技术，柔性模具的型面可重构性不但降低了模具制造成本，而且大大缩短了生产周期，极大地降低了生产成本。由于模具型面的可调性，生产中弹性垫层、回弹等因素对零件的影响完全可以通过调整模具的外形包络面来改善，从而减少加工零件反复试制的次数。本文通过有限元数值模拟方法，针对某典型零件分析了弹性垫层以及回弹对成形过程的影响，并通过调整和优化模具外形包络面，使得数值模拟的零件外形与目标零件外形吻合较好，为实际零件的成形和柔性模具型面的确定提供了重要的依据。
关键词：多点柔性模具；蒙皮拉形；弹性垫层；回弹；外形拟合

Simulation on Stretch Forming with Reconfigurable Tools by ABAQUS
Abstract: A reconfigurable tooling system is being developed on stretch forming. Because of the flexibility of the tool, production period and cost can be reduced deeply. The working surface of the tool consists of the ends of numerous pins with hemispherical tips. An interpolating polymer layer is inserted between the tool and the sheet metal during forming in order to suppress dimpling of the workpiece. Effect on the shape of workpiece by the interpolating polymer layer and spring back can be improved by changing the working surface of the tool. Stretch forming of a typical part is simulated with ABAQUS to get perfect working surface of the tool, which provides the technological basis for further study and experiment.
Keywords: reconfigurable tool, stretch forming, interpolating polymer layer, spring back, shape contrast

1. 前言
蒙皮拉形是指板料两端在拉形机夹钳夹持下，夹钳沿一定轨迹运动或模具上升使板料与拉形模接触，产生不均匀的平面拉应变而使板料与拉形模贴合的成形方法。
多点柔性模具蒙皮拉形是指由一系列高度可调、规则排列的小冲头形成离散曲面来代替传统拉形模进行蒙皮拉形的柔性加工技术。由于柔性多点模具的基本思想是以点代面，且每个点（冲头）顶部外形为球面，故在成形中易使板料产生局部应力集中，从而导致在零件表面上产生压痕，这对表面质量要求较高的蒙皮类零件是不允许的。因此，为避免压痕的产生，成形过程中在模具与板料之间需放置具有一定弹性的垫层材料，工艺示意如图1所示。

图1　多点柔性模具蒙皮拉形工艺示意图
在成形过程中弹性垫层受压会产生变形，从而影响成形零件的外形；拉伸成形后零件会有回弹现象，也会影响零件的成形精度。为了获得合格的零件外形，需要通过回弹补偿来优化模具外形包络面，如图2所示。

(a) 弹性垫层的影响

（b）回弹的影响
图2　柔性多点模具蒙皮拉形的成形影响因素
采用AQAQUS的有限元模拟技术可实现 “虚拟拉形”，并根据数值模拟结果修改多点模具的外形，其过程如图3所示。
零件外形
模具外形
计算零件外形
计算冲头排列
调整冲头排列
输出工艺参数
外形比较
ABAQUS数值分析
优
不优

图3 基于ABAQUS的工艺参数调整过程
本文以某典型的单曲率零件为例，通过数值计算进行蒙皮拉形的成形及回弹分析，最终获得可成形出与目标零件外形拟合良好的模具冲头排列。
2. 有限元分析模型
2.1 几何模型
所成形的目标零件为典型圆柱面零件（单曲率），其中，半径R＝350mm，长L＝400mm，弦长l＝330mm，厚度t＝2mm。考虑到零件的对称性，取零件的四分之一进行分析。
如图4所示，分析模型的模具由48个冲头组成，采用刚性壳单元R3D4进行离散；板料尺寸为550mm×220mm，采用大应变壳单元S4R进行离散；垫层尺寸为228mm×250mm×25mm，采用缩减积分六面体实体单元C3D8R进行离散。

图4　有限元分析模型
2.2 材料特性
板料选用2024-O，弹塑性材料模型。弹性垫层材料为邵氏硬度70的聚氨酯，选用超弹性材料中的Yeoh模型表征。材料参数均由实验获得。
2.3 施加载荷
根据蒙皮拉形的成形特点，选择比较理想的预拉－包覆－补拉的加载方式，在图4中BC边上应用位移加载实现：
Step 1：将板料拉伸至50%屈服极限（44.15Mpa）；
Step 2：将板料沿模具外形包覆（分5步实现）；
Step 3：将板料拉伸至延伸率为7%（分4步实现）。
3. 数值计算及结果分析
根据零件目标外形并考虑弹性垫层厚度，由曲面形状获得初始模具外形。
蒙皮拉形过程采用ABAQUS/Explicit动态显式算法进行分析。拉形后等效塑性应变分布云图如图5所示，零件无拉裂等缺陷发生。

图5　第一次分析拉形后等效塑性应变分布云图
在图4所示O点施加固定约束，卸去外载荷，其他对称边界条件不变，采用ABAQUS/Standard静态隐式算法进行回弹分析，得到回弹后应力分布云图如图6所示，

图6　第一次分析回弹后应力分布云图
由此，得到第一次分析的成形零件外形与目标零件外形对比如图7所示。

图7　第一次分析成形零件外形与目标零件外形对比
由图7可知，第一次分析的成形外形并未达到目标零件外形，二者之间的间隙如表1所示，其中，测试位置分别为与其相对应的冲头所在位置。
表1　第一次分析成形零件外形与目标零件外形间距对比
测试位置
Dis3
Dis4
Dis5
Dis6
对比间隙（mm）
0.678
1.629
2.666
2.662
依据表1第一次分析成形零件外形与目标零件外形间隙对比参数，沿Z方向调整模型中相应的冲头位置，其他参数均不改变，建立第二次分析模型。
经计算，得到第二次分析模型回弹分析后应力分布云图如图8所示，其外形与目标零件外形非常吻合，仅在零件边缘处存在0.46mm的间距，在零件设计允许误差范围内，因此所获得的模具型面可以用于实际零件的成形试验。第一次与第二次分析结果与目标零件外形对比如图9所示，修正后的第一行模具排列参数见表2。

图8　第二次分析回弹后应力分布云图

图9　两次分析成形零件外形与目标零件外形对比
表2　修正后第一行模具排列数据表（单位：mm）
冲头编号
X坐标
Y坐标
Z坐标
冲头编号
X坐标
Y坐标
Z坐标
Die11
0
0
87.000
Die14
0
90.15
74.958
Die12
0
30.05
85.523
Die15
0
120.20
64.891
Die13
0
60.10
81.687
Die16
0
150.25
49.920
4. 结论
针对某典型零件，采用ABAQUS对柔性多点模具上的蒙皮拉形进行了有限元模拟，分析了垫层和回弹对成形的影响，依据模拟的结果，比较目标零件外形和计算零件外形，调整多点模具的型面并再次进行模拟，最终获得较好的模具外形参数。分析结果对进一步的研究和成形试验提供了基础。同时，通过本简单实例，证明了ABAQUS软件用于柔性多点模具蒙皮拉形工艺和模具型面优化的有效性。

参考文献：
[1] Simona Socrate, Mary C. Boyce．A Finite Element Based Die Design Algorithm for Sheet-Metal Forming on Reconfigurable Tools．Journal of Engineering Materials and Technology, 2001, 123: 489-495．
[2] John M. Papazian, et al. ．Innovative Tooling for Sheet Metal Forming．Innovations in Processing and Manufacturing of Sheet Materials, ed. M.Y. Demeri, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2001:17-31．
[3] John M. Papazian, et al. ．Reconfigurable Tooling for Sheet Metal Forming．Sheet Metal Forming Technology, ed. M.Y. Demeri, The Minerals, Metals & Materials Society, 1999:23-38．
[4]《航空制造工程手册》总编委会．航空制造工程手册——飞机钣金工艺．北京：航空工业出版社，1992，12:353-363．
[5] Abaqus Documentation 6.5.1．

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