熨平对洛伦磁力驱动孔翻边成形特性的影响外文翻译资料

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熨平对洛伦磁力驱动孔翻边成形特性的影响

（翻边过程）

Junjia Cui amp;*, Shijin Sun, Hao An, Hang Ou , Guangyao Lia

a State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha, 410082, China Shenzhen Automotive Research Institute, Beijing Institute of Technology, Shenzhen, 518118, China

摘要 在常规翻边工艺中，通过减少成形工具间的间隙而实现的熨平能够产生高领、规则的几何形状和良好的成形性。以5182铝合金为实验材料，研究了在洛伦兹力驱动(LFD)孔翻边的过程中熨平对翻边特性的影响。通过减小模具直径和保持冲床直径不变从而实现了LFD翻边过程中的熨平现象。为了揭示这一高速过程中有无熨平的形成机理，建立了弹塑性有限元模拟模型。分析了三种临界间隙厚度比(Rcc1、Rcc2和Rcc3)在最终剖面上的典型特征，包括结脊、回弹、尖端倾斜等。重点讨论了不同间隙厚度比(R)对弹簧·背倾角和叶尖倾角的影响。根据三个RCC值，可以同时实现熨平识别和熨平范围(混合熨斗和纯铁)的分离。在分析翻边部分半径、壁面和翼尖的基础上，提出了一种替代R值低于Rcc2的翻边情况下的高度计算方法并与实验高度进行了比较，证明了预测公式的可行性。

关键词 翻孔，熨平，高应变率，有限元素，临界间隙厚度比

1、导言
以铝合金为代表的轻质高性能材料被广泛应用。铝合金孔翻边工艺在应用于钣金制品和管道连接的领域已得到广泛的研究。孔翻边是一种传统的钣金冲压工艺，常用于生产整体凸缘。在传统的孔翻边工艺中，将坯料夹紧在压边器和模具之间，然后驱动冲头拉伸预制孔周围的材料从而生产出有翻边的零件。在管道连接作业中，几何产品通常有一个接箍作为作业面，为了使连接牢固，法兰部件要求要有一个高的接箍和规则的几何形状。Chien(2001a,b)观察了常规孔翻边研究中的断裂和颈缩现象。在增加预制孔直径的情况下，成品唇孔周围得到了良好的周边，这种情况也导致了领圈高度的降低。低成形性不能满足高凸缘法兰的生产，这是常规孔翻边工艺的典型矛盾。Soussi等人(2018)测量了预制孔管径，Pnr法兰具有规则几何形状时的管径和预制孔直径。管径在孔翻边开始时的管径研究采用0.8-mm薄的1000系列铝合金板材。Pnr低于Pnecking的结果表明，在所考虑的孔翻边工艺条件下，不存在缺陷且几何形状正常的法兰是不可能实现的。
为了提高成形工艺的成形性，不断发展新技术。Marisetal.(2016)进行了一项电液自由成形研究，发现AA5182暂时表现出超过1000s-1的应变速率，这被认为是成形性提高的原因之一。通过微调试件的几何形状，实现了电液自由成形过程中的4种应变路径。得到了AA5182合金在高应变速率下的成形极限曲线。与准静态实验FLC相比，AA5182电液自由成形试样的FLC的工程应变提高了8%。通过动态拉伸和半球形冲压试验研究了高应变速率对AA6082-T6板材成形极限曲线的影响。垂直位置越高，铝合金的成形性越好。因此，在高应变速率下成形是提高成形性、避免极端条件下断裂或颈缩的有效方法。Taberetal(2012)建立了一个简单的lorentz力驱动(LFD)冲击平台，用于粉末压实和板料成形过程。在他们的研究中，他们发现该方法的最大速度为10m/s，与准静态冲压工艺相比，无缺陷的最大成形深度可以提高30%。法兰环变高的现象表明，高应变率的孔翻边工艺具有生产性能更好的法兰的潜力。

通过控制冲模与凸模之间的间隙，可以在熨平或不熨平的情况下进行孔翻边加工。法兰部分无需熨平，通过边缘拉伸，间隙值提高。当熨平过程进行时，金属被挤压在冲头和模具之间，导致一个更长的环。在这种情况下，熨平是一个低价值的间隙。Soussi等人(2018)指出，经过熨平的法兰被迫与模具保持完全接触，以获得更长的、更均匀的法兰。通过建立仿真模型，研究了与冲床接触的区域，识别了熨平过程中法向接触力的分布和演化规律。最后，分析了孔翻边与熨平下的成形运动学。Masmoudi等人(2017)开发了一种熨平法兰，具有更坚实和均匀的厚度，以及更高的高度，以增加成形螺纹的数量，在钣件的情况下。Thipprakmas等人(2007)确定了带熨平的精冲孔翻边工艺的法兰形状和翻边能力优于常规孔翻边工艺。定量地解释了法兰形状与精冲孔翻边条件之间的关系。除了它在几何上的优势，Kacem等人(2014)发现熨平可以减少在孔翻边过程中翻边零件的损坏。熨平会在翻边过程中造成压应力状态，从而封闭已经存在的空隙。然而，小的间隙-厚度比和小的初始孔直径也会导致法兰的损伤状态。
为了应用熨平过的法兰件，有必要获得决定熨平发生的工艺条件。Kacem等(2011)将法兰尖端厚度突然减小时的间隙-厚度比Rc作为熨平临界间隙-厚度比Rcc。在确定Rcc的基础上，对不同Re的零件轮廓和运动学进行了比较。很明显，随着Re的减少，非正则几何消失了。Soussietal。(2018)研究了初始井眼直径与Rce之间的关系，发现它们在有限范围内呈线性关系。钢筋混凝土对孔翻边加工过程中的冲头载荷、最终形状、变形行为等特性都有影响。因此，这个研究结果对肾细胞癌的研究具有重要意义。
根据以上文献，可以得出以下结论:首先，为了实现无常规孔翻边工艺缺陷的法兰，增加了预制孔的直径;但降低了法兰高度，同时抑制了法兰的正则几何形状。因此提高法兰件的成形性是提高法兰件性能的重要课题。高应变速率的成形工艺具有良好的成形性。但是在翻边时具有较高的应变率。执行后法兰高度没有明显增加。最后，与传统的孔翻边工艺相比，熨平后的法兰具有更高的凸缘和更规则的几何形状。

在此基础上，对LFD孔翻边工艺下的熨平法兰生产进行了有益的尝试。本研究在间隙-厚度比为1.516-0.683的范围内进行了LFD孔翻边试验。利用高速摄像机记录了折边过程和翻边过程。利用冲压速度提取建立了高速翻边成形的数值仿真模型，分析了翻边成形过程，揭示了熨平现象的演变过程。提取法兰高度、尖端厚度、型材特征等几何参数和成形参数(凸模载荷、凸模速度等)，研究熨平程度对LFD翻边工艺的影响。此外还提出了Ro低于Rcc情况下的高度预测公式
2.材料和方法

2.1 孔翻边参数
本工作考虑采用1.2mm厚的AA5182铝合金板材。材料中的元素质量分数如表1所示。当冲头与模具之间的间隙设定在一定值以下时，熨平发生。在熨平成形过程中，法兰会不断地与冲头和摸具接触。
因此，对于给定的工件厚度，间隙是研究带熨平或不带熨平孔翻边时必须控制的重要参数。对于间隙的一般描述，可以方便地定义间隙-厚度比R，即间隙c与工件厚度t的比值。随着稀土含量的降低，法兰逐渐由不整烫变为带整烫。
如Krichen等人(2011)的工作所示，一个固定的压边架被用来维护工件。在高速成形过程中，由于模具安装时产生的同轴度误差较小，导致金属流动不均匀。因此，在凸模的末端设置导向气缸，在压边座上方设置导向凸块，以保证凸模运动方向完全垂直向下。根据Huangetal.(2002)的研究，采用回弹较小的锥形冲头。影响实验结果的模具参数如表2所示，如图1所示。由于Rc与间隙c有关，改变模具半径或冲头半径可以改变间隙值，从而改变Rc。为了保证实验变量的一致性，不应改变板材上预制孔的半径。在此基础上，如果通过改变凸模半径来控制R，则需要改变凸模的锥半角，从而影响翻边成形过程中的成形运动学。相比之下，改变模具半径不会影响其他实验参数。在图1所示的孔翻边模具中，保持凸模直径不变，改变模具直径以控制Re，并将模具设计为可更换的，以研究熨平过程的演变。
2.2 实验

LFD孔翻边的实验装置如图2a所示。
供能机、电磁驱动工具和功能模具构成了LFD系统(Caietal.，2021)。采用PST公司生产的PS48-16磁脉冲发生器作为LFD过程的动力源。最大电容为408uF，最大放电电压为16kV，最大放电能量为48kJ。螺旋线圈采用截面积为14*2mm的铬锆铜丝制成。它具有良好的导电性、导热性、高硬度和耐磨性。感应线圈固定在上横梁上，并与脉冲发生器连接。驱动板、放大器和冲头被刚性地连接在一起，形成一个滑动组件。
表一 各元素成分表

表二 模具几何参数值

图一 LFD孔翻边模具及参数

图2a 实验设备

为了实现高效的能量传输，使用了一个高导电性的驱动板。滑动组件由安装在中梁上的线性轴承约束。模具固定在下横梁上。在安装过程中，保证模具和冲头同轴是非常重要的。LFD孔翻边工艺描述如下:
放电电路主要由大容量电容器和电容组成控制开关.首先，高振幅交流电流动，如图3所示.准静态和高速条件下的应力-应变曲线通过感应线圈产生强磁场，然后，对固定的感应线圈和移动的滑动组件施加洛伦磁力。最后，冲头获得巨大的动能，使胚料在冲击下能以高应变率成型。工件预制孔均采用电火花线切割加工，并用砂纸打磨去除毛刺.Jiang et al(202年)对实验中使用的磁脉冲发生器的性能进行了评价.所有翻边试验均在放电能量为9kJ的情况下完成.利用高速摄像机在10万s-1的恒定帧率下获得冲床的速度曲线.Yang等人(2021)详细介绍了利用数字图像相关技术获取冲压速度的方法.为了比较LFD孔翻边和常规孔翻边的性能，在万能材料试验机上进行了加载速度为2mm/min的试验。

2.3 数值模拟

利用商用有限元软件LS-dyna建立了基于有限元与边界元相结合的电磁-力学数值模型，揭示了lfd孔翻边成形过程的成形行为.建立共享节点，将边界元法计算的电磁场和感应涡流传递到有限元法计算的力学场信息，解决了Kinsey等(2018)的场耦合问题.
在材料动力行为的有限元建模中，Johnson-Cook本构模型(Johnson等人，1983年)，是应用最广泛的材料模型之一.Slycken等人(2007)研究了Trip钢的力学性能.结果表明，Jonson-Cook模型能较好地反映材料在高应变率条件下的行为.采用不考虑温度影响的蛤同性简化Johnson-厨师本构模型，研究了AA5182在高应变率下的变形行为。
sigma;=(A Bε)(1 Clne)
式中，A为初始屈服应力，B为硬化指数，n为硬化指数，C为Johnson-Cook应变率指数，e为归一化有效塑性应变率.Li等人(2018年)得到的相同板材材料在不同应变速率下的应力-应变曲线如图3所示.材料性质常数如表3所示.

仿真模型原理图如图4所示.将工件以外的部件设置为刚体，合理简化了仿真模型.涉及电磁场计算的工具线圈、驱动板和放大器采用六面体型实体单元进行网格划分。

图3 真正的应变

表3 材料模型中的参数

图四 数值模型中刀具位置与网格划分

其中，驱动板、放大器和冲头受自由度限制，模拟线性轴承的约束。为了提高模拟精度，增加了实体单元网格化工件变形区的网格密度。高速成形过程中的强烈摩擦会增加凸模的表面粗糙度。通过参考Popov等人的研究，采用库仑摩擦定律求解摩擦效应材料加工技术301(2022)117442工具板界面。为了描述刀具与坯料之间合理的接触条件，将摩擦系数定义为0.3。虽然本研究中数值分析得到的结果是专门适用于这类铝的，但所建立的方法仍然适用于其他金属。

结果与讨论

3.1实验结果与仿真验证

LFD翻边工艺与常规翻边工艺生产的成品如图5所示。当Re=1.516时，可以发现法兰部分存在细小裂纹。随着Rc值的减小，裂缝长度大大增加。与此同时，裂纹的数量也有所增加。但是LFD孔翻边成形的法兰件并无缺陷。
相对于高Re值，低Rc值可以得到粗糙的表面。这表明与常规孔翻边工艺相比，无论采用熨平还是不采用熨平，LFD孔翻边工艺的成形性都有显著提高。通过数字图像相关系统得到LFD孔翻边过程中的冲孔速度，并与数值模拟得到的速度曲线进行对比如图6所示。可以看出两者速度是很一致的。不同Re值的实验速度在位移为15mm时有所区别，与变形分析d阶段开始时的位移值一致，这表明数值模拟模型是可靠的。不同Rc值条件下冲床的最终速度如图7所示。当R值大于0.833时，最终速度随着Re的减小而减小。当Re小于0.833后，最终速度急剧下降。Relt;0.625时，最终速度降至0。因为冲头卡在有法兰的零件上，在成形完成的情况下无法分开。

图5 LFD翻边与常规孔翻边的产品比较

图6 冲压速度与冲压行程的实验和仿真比较

图7 冲头的最终速度对Re的影响

测量法兰端部局部厚度，测量方法如图11部分所示。对于实验获得的零件，采用线切割技术切割法兰然后安装。用显微镜拍照用计算机按一定比例测量尺寸。法兰高度Rc=0.542和尖端厚度Rc=1.9%的最大差异分别为2.9%和1.9%。实验和仿真中R的截面剖面图为0.683，如图8所示。提取不同截面的厚度并进行比较，发现实验与模拟的最大差异为13.1%。实验部分不

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