金属板料渐进成形工艺过程有限元模拟（上）

HEATS

　　1.前言

2 x( c' }4 U+ f- i, N* s ' @- K c+ Y3 s: X v+ [& k% C

　　板料零件数控渐进成形工艺是一种通过数字控制设备，采用预先编制好的控制程序逐点成形板料零件的柔性加工工艺。该工艺不需要专用模具，成形极限较大，重复性好，可控制金属流动，能加工出形状复杂的自由曲面，适合于航天、汽车工业等的小批量、多品种、形状复杂的板料零件加工，有着十分诱人的发展前景。但是迄今为止，国际上对数控渐进成形工艺的研究也只处于探索阶段，理论方面的分析较少且不成熟，对于该工艺的成形和控制方面还有待于发展完善。

/ c. ~$ C6 X( h7 ^8 k7 }

　　随着有限元分析技术的飞速发展以及计算机性能的不断提高，一个融入了计算机图形学、数值方法、塑性成形理论与工艺等各类技术的模拟软件系统已逐渐成为板料数控渐进成形研究及成形优化的强有力的工具。

　　本文就引入有限元模拟技术对板料零件数控渐进成形工艺的成形过程进行模拟方面的探讨。 2.金属板料数控渐进成形原理

5 @: v* Y. J5 X" x3 x1 s 8 Q3 g( K* g M+ B. \, t

　　板料零件数控渐进成形的加工过程。数控成形系统主要由工具头(成形工具)、导向装置、芯模和机床本体组成。工具头在数控系统的控制下进行运动，芯模起支撑板料的作用，对于形状复杂的零件，该芯模可以制成简单的模具，有利于板料的成形。

1 l& I, ^0 K9 ~/ o; e

　　成形时，首先将被加工的板料置于一个通用芯模上，在托板四周用压板夹紧板料，该托板可沿导柱上下滑动。然后将该装置固定在三轴联动的数控成形机上，加工时，成形工具先走到指定位置，并对板料压下设定压下量，然后根据控制系统的指令，按照第一层轮廓的要求，以走等高线的方式，对板料进行单点渐进塑性加工。

8 v7 h9 m. g% V6 `& d$ L6 {

　　3.成形过程的计算机模拟

% f! s- [' H$ [0 t- ?8 o' R% Q

　　成形过程的特点决定了金属板料数控渐进成形的成形过程是一个同时包括几何非线性、材料非线性和边界条件非线性等问题的非常复杂的弹塑性大变形力学过程，其物理模型和数学模型都不同于传统的板料单次拉深工况下的模型，必须基于板料分层成形的特点进行分层成形过程的计算机模拟，采用大变形弹塑性非线性有限元法求解分析模型，获得工件成形过程中变形和应力的分布、成形力的变化、预测成形过程中可能产生的缺陷，为制定正确的成形工艺提供理论依据。

$ m3 c; L, t5 O" D& b

　　作为大型的通用有限元分析软件之一，ANSYS/LS-DYNA兼有ANSYS和LS-DYNA的优点。其强大的非线性功能、多种材料模型和较强的运动加载控制在模拟板料渐进成形方面具有很大优势。ANSYS后处理器可以很方便的将计算结果进行彩色等值、矢量图和梯度等多种直观显示。经过渐进成形后板料的应力场分布、板厚变化和各种工艺参数对成形结果的影响可以直观方便的显示，并可有效的模拟出板料渐进成形的全过程，为金属板料渐进成形过程中各种工艺参数的合理优化，有效地控制板料的变形过程提供理论依据。

0 e4 m' a; }' y# Y: p; |& `. ~

　　下面对有限元模拟中模型建立、网格划分、加载和边界条件等关键方面进行分析。

　　有限元模型的建立和网格划分对于板料渐进成形工艺过程的有限元模拟来说，其建模过程不是很复杂。在ANSYS本身具有的前处理模块就可以对整个模型进行完整的描述。另外，ANSYS提供了与其他CAD软件的专用数据接口，能够实现与CAD软件间无缝的几何模型传递，对于较复杂的顶支撑模型可通过其他CAD软件导入。

7 e- F8 `; N$ n5 E+ s5 i- c 8 v. X* |9 Y' K% n9 j. b

　　模拟方盒件成形的有限元模型。

　　该模型由工具头、板料、托板和压板以及顶支撑模型四部分组成，能够较好的完成对整个成形过程的模拟。

　　建模的关键在于网格划分。网格划分中各种参数的设置将决定生成的模型在分析时是否能够满足准确性和经济性。通常情况下映射网格具有规则形状、排列有规律的单元，往往比自由网格得到的结果更加精确，而且在求解时对CPU和内存的需求也相对要低些。为获得这种规则网格形状，需要从建立几何模型开始就对模型进行比较详尽的规划，以使生成的模型满足生成映射网格的规则要求。同时对网格的疏密进行控制，在板料的塑性变形区采用较密的网格划分，而对没有参与变形的区域采用较疏的网格划分。在板料渐进成形工艺中，工具头按指定轨迹进行运动，板料每次产生的变形仅发生在成形球头的周围，对于几乎所有的金属(бb/бS≤2)其塑性区大小:

　　其中d为工具头直径，t为板厚，△h为工具头单层进给量。

' B0 K; n0 m0 K: Z9 b# {/ f9 s$ D - M; d/ b* W% R+ ?0 g9 ?

　　因此网格细分区应在成形零件的外轮廓基础上有一个相应的偏移量T0，其中T0≥R0。另外，对不同的零件形状工具头所走的轨迹也有所不同，相应的板料网格划分也应采取不同的形式。成形方盒零件和圆盒零件所采取的两种板料网格划分形式。

/ G0 C5 `- Q2 t