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1、XXXXXXXXXXXXXXXXXX- 1 -针对铝板金属新型顺序控制技术改进的模具开发过程阿波斯托洛斯（1） ，拉尔夫施莱希（2） ， 马赛厄斯 教授.博士.工商管理硕士（1）成型技术研究所， Holzgartenstr . 17 ，德国斯图加特 70174（2）内卡苏姆高等教育学会 戈特利布戴姆勒海峡 .40，德国内卡苏姆 74172摘要当今的拉伸成型技术主要用于大型的、平直的金属板材的生产加工，这些板材主要用于飞机制造工业（机翼制造）和造船业。由于高额的投资费用很长的加工时间，传统的拉伸成型技术不适用于车身面板的生产。尽管如此，诸如一些零件机械性能的改进之类的当下拉伸成型方法所具有的有利
2、之处使得现在拉伸成型技术对于汽车工业极具吸引力。正是由于这个原因，金属板材成型的一项新的技术（短循环拉伸 SCS）已经在斯图加特大学金属成型技术学院(IFU)付诸于实现1。SCS 技术在汽车车身面板的加工过程中联合了板材的预拉伸和随后深拉伸操作，而小汽车车身面板的加工对表面质量方面有很高的要求的。SCS 技术是基于仅使用具有很短的加工周期的单动作深拉伸压力机这样一个低成本模具上的。2.在使用典型的低碳合金钢作为车身面板时，以前的的调查已经显示出 SCS 技术所具有的惊人潜能。在拉伸区域包含实验验证进行的关于理论上可实现的有效应变的可实施的研究证明样本在拉伸区域有效的应变值是0.093。为了满足
3、日益增长的环境法规的要求，汽车工业通过使用诸如铝和高强度钢材之类的轻量级材料集中于解决车体的重量，SCS 技术为在最低投资费用下获得高表面质量的车身面板生产提供了可能，所以有必要证实 SCS 技术对于一种新的轻量板材金属材料来说正如在铝金属板材中描述的那样。由于高强度钢的材质属性，使得在使用SCS 技术使材料下凹而出现反抗力和局部坚硬时对他的检测是没有意义的，尽管如此，铝是由于低材料性能注定要进行预拉伸处理以加强这些性能。SCS 技术为铝板预拉伸和就零件硬化和耐冲击性而言的有意义的高的零件质量提供了巨大的潜能。关键字：SCS技术 拉伸成型法 铝板金属成型 成型仿真XXXXXXXXXXXXXXX
4、XXX- 2 -1 、简介汽车车身面板经常被外部狂风冰雹或石块冲击的外部机械负荷所接触，这些局部的负荷常常导致严重的局部塑性变形。许多研究已经表明金属板材零件的预拉伸增加了其耐冲击性3。常见的拉伸成型技术由于其有预拉伸，所以允许在零件的成型时增加弯曲抵抗，利用这样的拉伸成型技术一些飞机制造业和造船业上主要的大型、平直零件就可以被制造出来。由于较高的投资费用和相当长的加工时间，这类拉伸成型技术不适用于车身面板的生产。为了从拉伸成型技术中获益但是同时也节省投资费用，发达的 SCS 技术好像注定使拉伸成型技术又一次对汽车工业产生出吸引力。SCSS 技术使短加工循环和最佳的零件质量很好的结合在一起3。
5、2 、短循环拉伸成型（SCS）在这一章里，我们将解释 SCS 技术的基本功能和以前对 SCS 的研究探索。2.1 基本功能SCS 拉伸成型是融合了金属板材面板预拉伸和后续深拉伸的一项最近的发达技术。这项技术是在斯图加特大学金属成型技术研究所里发展起来的，而且它是基于一种低廉的成本的，因为它包含来两个対置的柱状模具以提供一个轮流的弯曲和金属板材边界的随意松弛（图 1） 。图 1 SCS 模具设计的基本原理通过轮流弯曲和松弛坯料的边缘，坯料的感应拉应变随着压力机的冲击而增长，直至坯料被拉伸成型。除了坯料轮流的弯曲和松弛外，由于坯料和模具的凸凹肩处的摩擦也会使应变水平增加。首先，坯料的拉伸是靠模具咬
6、合作用的几何学原理；其次，XXXXXXXXXXXXXXXXXX- 3 -侧边的拉伸可由调整模具的压边圈尺寸和摩擦环境来预先确定。更多影响加工的参数有：模具型腔的宽度和深度，型腔的直径和型腔的数量。这个加工过程是如此的复杂所以材料的替换或是上述任何一个参数的调整都需要单独的进行研究4。早些时候的的研究表明对模具元件的数量的依赖性和可达到的最大有效应变，这些研究包含对不同模具几何仿真和模具元件的不同数量的实验验证。依靠模具元件数量和压力机冲击，不同有效的应变水平是可以达到的，并且是合格的3。由于比较不同模具集合体的难度，人们开发了一个新的基准方法，通过考虑模具元件数量、模具型腔的高度、可达到的有效
7、应变水平2,4,5,允许比较不同模具的几何特性。依靠模具几何特性和条形坯料尺寸，可以实现的一个最大的有效应变值 0.09。2.2 贴近生产的模具概念基于 2.1 章所涉及的研究，一个贴近生产的模具被开发出来用于制造一个规模减小的汽车车身面板。这个模具的概念是建立在 SCS 技术的基础之上的，将平板的预拉伸和后续深拉伸很好的结合在一起而在一个压力机冲程中完成操作的。这个模具和由它生产的零件在一个小规模的车门面板生产中可由图 2 显示出来。图 2 贴近生产的模具外形（左边）和他生产的车外门板（右边） XXXXXXXXXXXXXXXXXX- 4 -这个模具的概念包含两个相对的联锁装置：压力机框架和模
8、具部分。首先依照 2.1章的说明传递进已拉伸直的板料直到有效的应变达到预先确定的值，一旦上模接触到预拉伸板料干涉的压边装置，压边装置可起到一个响声作用，并且提供所需的约束力，在这个阶段板料被深拉伸直到压力机到达底部的死点位置。首先只有一种钢板金属材料的研究是为加工过程中的主要验证而实施的。厚度为 0.75MM的低碳钢 DC04 被用来作为条形板料的预拉伸和车门板的研究，在3,4,5低碳钢 DC04 加工验证时有条形板料的预拉伸，也有车门板的预拉伸和深拉伸的结合。在贴近生产模具的发展进程中一个基本的工具是有限元（FE）过程模拟。利用为预拉伸条形板料而设置的函数开发流程的实验价值可极大的且有效的缩
9、短车门板的开发时间。有限元（FE）过程模拟在有预处理工具材料分析和通用显示分析动力程序（LS-DYNA）求解程序的情况下是可以实现的。图 3 显示了在预拉伸之后的车门板的过程模拟的结果，图 4 显示了深度拉伸过程中门板中心在达到最大有效应变值 0.06 之后有限元（FE）仿真的结果。图 3 预拉伸后车门板成型仿真的结果3 图 4 深度拉伸后车门板成型仿真的结果32.3 对 SCS进一步可实现的研究对 SCS 技术更进一步的研究主要关注于坯料周围压边装置的外形方面。比如说，一个三角形坯料的预拉伸需要有在坯料所有三个边界设计的三个压边装置来模拟，这些尝试同样可以在设有啮合压边装置的圆形和梯形坯料上
10、实现7。诸如网格细化和冲XXXXXXXXXXXXXXXXXX- 5 -击速度之类仿真参数的依赖性的研究也应当加以分析，更多的关于此类主题的信息可以在8中找到，用铝合金 AN AA6016 作为车门板的可行性研究同样也可以在8中找到相关信息。仿真只是我们初步的尝试，所以压边装置的几何形状不用调整是由于材料的改变是可是实现的。尽管如此，其结果是令人信服的，所以 SCS 技术应用在铝合金的加工上看起来是可行的。3、SCS 技术应用于铝合金成型的模具发展进程为了加强铝合金预拉伸的压边装置的几何特性，一个发展进程的策略将为有效地实现这个目标而制定。在这一章我们将描述这一发展进程的几个阶段。3.1 压边装
11、置最佳化的理论基础正如在5中所描述的，在预拉伸低碳钢 DC04 时用两种不同几何形状的压边装置使之达到相同的应变水平是可能实现的。第一几何特征三上三下压边元件，第二几何特征提供两上两下下压边元件，本着使用最少板材的的目的，具有两上两下压边装置的铝合金压边装置几何构造也是可以实现的。首先，具有三上三下压边装置的压边几何构造被设计和模拟的目的是用来识别铝所能达到的最大有效应变，具有三上三下压边装置的最大有效几何构造的模拟结果如图 5 中所示。图 5 三上三下压边元件集合的成型模拟结果正如在图 5 中所示的那样，在预拉伸范围内达到的最大有效应变值是 0.04。按照 AA6016 的均匀应变可以得知理
12、论上可得到的最大有效应变值将更加高，因为板XXXXXXXXXXXXXXXXXX- 6 -料的弯曲和松弛是在第一个肩轴半径处且摩擦是在板料和压边半径之间发生的，在肩部半径应力会增大。其屈服应力在超过它的均匀应变和样本断裂极限前会一直上升，这样实际可达到的有效应变值是显著的低于理论值的。由板料的弯曲和松弛所引起的屈服应力强化效果已经在过去的研究中分析过3,一个关于这种强化效果的数学特性描述可以在9中找到相关信息。在第二阶段，将压边装置几何构造优化使之有三上三下压边元件变为两上两下压边元件。通过减少压边元件可以使材料的使用大大节省。为了通过最少的压边元件达到至少相同的最大有效应变，压边元件的约束力必
13、须显著地提高。除了摩擦系统，一个其他的参数压边半径也对可实现的有效应变有很大的影响，通过减小上压边装置的半径大小，其约束力和这样一来的有效应变值将会大大增加所以压扁半径的选择可以用来预先确定必需的有效应变值。可达到的有效应变不是决定于压边半径这个唯一因素，压边半径对于安全加工方面也很重要。假若压边半径过小，结合处的断裂危险会由于更高的应力值而增加。事实上在较小的压力冲击下，压边半径实际上越小，有效应变值可达到的越大，这样一来，我们的目标就是设计尽可能小的压边半径以此减小样本的尺寸，与此同时可增加有效应力值。压边装置最佳的几何构型加工是可以通过压边半径的摩擦环境而使用有限元仿真来实现的。由于因断
14、裂所引起的更多的所提及的危险，所以我们需要做的一件很重要的事情是：我们要有一个可靠的失效预测模型，它要有预测结合处中心部位的失效的能力，因为在成型模拟中使用了传统的失效预测模型，所以在结合部位的中心区域失效预测是不可能的。确保成型加工可行性的最常见的方法是所谓的使用了成型极限曲线（FLC）的成型极限图（FLD）方法，成型极限曲线（FLC）认为应变仅仅在中间纤维区，它也描述了失效发生处膜不稳定首次出现是由于凹形料的进一步变深和出现缩颈10。在板料弯曲期间，外部纤维会比中心纤维有更大的拉伸，所以一个板料的失效是由于外部纤维沿着晶界的断裂，这样一来，通过中心纤维是不可预测失效的。在弯曲期间应用 FL
15、C 标准于一个弯曲板料的外部纤维并且判断它的应变值，总之，一个板料的失效肯定是可以预测的，因为外部纤维显著地有效应力值会超过 FLC，因此，SCS 加工包括金属板料的各种弯曲操作，FLC 标准没有给出可行性报表的预测。为了消除板料弯曲时的失效现象，也为了开发出一个有效的压边装置几何构型，一个考虑到材料的弯曲性的增强的失效预测模型会被使用，这个增强的失效预测模型考虑了金属板料外部纤维和中心纤维的应力分布情况，所以他可能预测到弯曲应力主要存在的可能部位。在11，12中所谓的弯曲极限曲线（BLC）描述了在弯曲占主要负荷的情况下的失效，在这种情况下，由弯曲和拉伸所组成的一个联合负荷占主要支配地位，所以
16、 BLC 标准本身对失效预测是没有用处的。研究已经表明，一个拉伸和同步发生的弯曲的联合是可能在 SCS 加工中实现的，它增加在材料的弯曲性和应变值方面超XXXXXXXXXXXXXXXXXX- 7 -过了 FLC。为了预测有高的拉伸应变值的弯曲占主要地位的加工过程的可行性，我们要使用更多所提到的增强型失效预测模型。依据10所谓的 CFLC 模型考虑了与中心纤维应变值和弯曲半径相关的外部纤维应变值，像这样 CFLC 模型可以预测 SCS 期间的失效并且帮助压边装置使之最佳化。3.2 压边装置几何构型的仿真最佳化考虑到上述的参数，压边装置几何构型将会通过不同的压边半径、压边深度、拉伸间隙、样本尺寸来增强。设计的具有不同压边装置几何构型的模具被用来仿真以预测可达到的最大应变值和零件在使用增强失效模型时的可行性，超过 40 种以上的结合构型被设计出来并用来仿真。在图 6 中显示在顶端的是压边装置几何构型的基本模型和开
