有限元分析在拉深坯料设计中的应用

摘要：应用MSC.Marc软件建立三维有限元模型，对某异形产品的拉深过程进行模拟仿真。介绍了基于有限元仿真复杂拉深件坯料尺寸设计流程和方法。

关键词：拉深成形 有限元仿真 坯料尺寸

Finite Element Simulation design on drawing blank

Zhao Hong

（Zhejiang Aishida Electrical CO.LTD， Zhejiang TaiZhou， 317500）

Abstract： The simulation process of drawing for an abnormity product by using software MSC. Marc is studied， 3D elastic plastic model is built. The designing process of blank dimensions by finite element simulation and the method is studied.

Keywords： drawing； finite element simulation； blank size.

1.引言

工艺设计和模具设计过程中经常要预先确定坯料的形状和尺寸，传统方法一般按截面展开方法来确定。以矩形盒状零件为例，毛坯的计算如下：

图1 求展开尺寸的示意图

a）直边部分 b） 圆角部分

Fig 1 Blank size sketch map

a）Straight side part b）Round part

①直边部分按弯曲件展开长度（图1a）

L1=0.5（Bf-B）+h+0.57r0-0.43ra （1）

②将圆角部分当作直径为2r，高度为h的圆筒形件展开，则有

Ra= （2）

这种计算方法缺点是不能综合考虑材料特性、模具结构及摩擦等因素影响。只能通过实际调模阶段反复试模来确定理想的坯料形状。下料模再根据调整后的坯料尺寸开模。如采用有限元提前准确确定坯料的形状，下料模就可与拉深模同步开发，全套模开模时间可缩短40%。

2.分析计算

2.1 模型前处理

在PROE软件中建立产品和模具3D曲面。对于几何图形对称的零件，只建立一半有限元模型，然后利用边界条件进行约束。将3D数据导入Marc后，在坯料与凸、凹模和压边圈之间建立了刚体—变形体接触对，将凸、凹模和压边圈视为刚体， 坯料视为变形体。

2.2材料参数

产品材料为不锈钢SUS430，材料厚度0.7mm，弹性模量为210Gpa，泊松比为0.3，初始屈服应力为205Mpa。

2.3 模拟结果及分析过程

2.3.1 第一次试模拟

坯料形状初步确定为矩形，长宽按折弯的坯料计算方法估算，在各增加5mm切边余量后尺寸为300*125。

结果显示产品斜壁直边部分凸缘略宽，对应的另一侧直壁处凸缘略窄，凸缘分布不均。成形极限图显示成形极限参数最大值为0.5426，位于直壁与底部交汇圆角处。如图2所示。

图2 拉深后成形极限图

Fig 2Forming limit diagram by drawing

2.3.2 优化后模拟结果

根据初次模拟的结果，坯料形状进行几次调整，具体过程不再陈述，最终调整如下：分别用R100和R110圆弧代替直壁侧和斜壁侧坯料直角；坯料的位置在初次模拟的基础上向直壁侧移动5mm 放置。

模拟拉深后凸缘宽度较为均匀，成形极限参数最大值为0.4624，相对优化前减小0.0802，符合预期设计目标，如图3所示。新坯料既节省材料，又减少了不必要的板料流动阻力，提高了产品底部圆角在拉深过程的抗破裂能力。

图3 调整后拉深成形极限图

Fig 3 Forming limit diagram by drawing after adjustment

3.拉深试验结果

根据模拟结果调整后的坯料尺寸进行线切割制片，再进行拉深试验，试验结果符合模拟结果。

4.结束语

（1）有限元技术在冲压模具、工艺设计过程中能够简化设计过程，节约设计成本和时间，有效解决实际难题。

（2）有限元技术要与传统冲压模具设计结合运用，综合考虑压边力、模具结构等工艺经验参数，才能较快得出符合要求结果。

参考文献：

[1]《冲模设计手册》编写组，编著.冲模设计手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]《冲压工艺及冲模设计》编写委员会，编著.冲压工艺及冲模设计[M].北京：国防工业出版社，1993.