简介概要

铝板/塑料混合成型中铝板大塑性变形区的有限元分析

来源期刊：中国有色金属学报2002年第1期

论文作者：陈明安张新明

文章页码：71 - 75

关键词：金属板料成形；液压成形；塑料注射成型；有限元；铝板

Key words：sheet metal forming; hydroforming; plastic in jection molding;finite element method;aluminum sheet

摘要：采用弹塑性大变形更新的Lagrange有限元方法研究了铝板/塑料混合成型过程中铝板的成形过程和变形特点。结果表明，当塑料熔体压力从30MPa增大到50MPa时，铝板凸缘区已基本不再参与变形，铝板上两个板厚减薄较严重的大塑性变形区在此阶段形成。模底接触区与自由变形区交界处的大塑性变形区依次处于板料曲面内双向伸长变形和平面应变状态；模腔入口圆角区与自由变形区交界处的大塑性变形区由两部分构成，其中与模壁接触部分依次处于板料曲面内双向伸长变形、拉伸变形和平面应变状态，另一部分依次处于板料曲面内双向伸长变形和平面应变状态。

Abstract: The forming process and the deformation characteristics of the aluminum sheet during hybrid forming have been analyzed by the updated Lagrangian finite element method. The results show that the flange of the aluminum sheet has almost no any further deformation and that two highly strained zones with severe thickness reduction are developed when t he plastic melt pressure increases from 30MPa to 50MPa. The zone between the region contacted with bottom of the mould and the free forming region shows stretch forming and t hen transferred to plane strain state. Another zone between the mould entry region and the free forming region is constituted with two parts. One neighboring to side-wall of the mould shows stretch forming，and then transferred to deep drawing and finally to plane strain state，and the other shows stretch forming and then transferred to plane strain state.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.01.014

铝板/塑料混合成型中铝板大塑性变形区的有限元分析

陈明安张新明

中南大学材料科学与工程系

中南大学材料科学与工程系长沙410083.湖南大学材料科学与工程学院

长沙410082

摘要：

采用弹塑性大变形更新的Lagrange有限元方法研究了铝板 /塑料混合成型过程中铝板的成形过程和变形特点。结果表明 , 当塑料熔体压力从 30MPa增大到 5 0MPa时 , 铝板凸缘区已基本不再参与变形 , 铝板上两个板厚减薄较严重的大塑性变形区在此阶段形成。模底接触区与自由变形区交界处的大塑性变形区依次处于板料曲面内双向伸长变形和平面应变状态 ;模腔入口圆角区与自由变形区交界处的大塑性变形区由两部分构成 , 其中与模壁接触部分依次处于板料曲面内双向伸长变形、拉伸变形和平面应变状态 , 另一部分依次处于板料曲面内双向伸长变形和平面应变状态。

关键词：

金属板料成形;液压成形;塑料注射成型;有限元;铝板;

中图分类号： TG301

收稿日期：2001-03-02

Finite element analysis of highly strained zones of formed aluminum sheet by hybrid forming of sheet metal and plastic

Abstract：

The forming process and the deformation characteristics of the aluminum sheet during hybrid forming have been analyzed by the updated Lagrangian finite element method. The results show that the flange of the aluminum sheet has almost no any further deformation and that two highly strained zones with severe thickness reduction are developed when the plastic melt pressure increases from 30?MPa to 50?MPa. The zone between the region contacted with bottom of the mould and the free forming region shows stretch forming and then transferred to plane strain state. Another zone between the mould entry region and the free forming region is constituted with two parts. One neighboring to side wall of the mould shows stretch forming, and then transferred to deep drawing and finally to plane strain state, and the other shows stretch forming and then transferred to plane strain state.

Keyword：

sheet metal forming; hydroforming; plastic injection molding; finite element method; aluminum sheet;

Received： 2001-03-02

金属/塑料的宏观复合制件由两种不同种类且性能相差很大的材料构成 ^[1,2,3,4,5] 。在其混合成型过程中, 塑料熔体压力是金属板料成形的动力, 成形的金属板料成为塑料注射成型的模腔 ^[6] 。加压的塑料熔体类似于金属板料液压成型中的加压流体介质 ^[7,8,9] 。显然, 混合成型过程中金属板料的成形过程及其变形特点是研究开发这种新工艺中确定成型工艺参数、设计模具时需弄清的。实验表明, 混合成型后在铝板自由变形区两端形成两个大塑性变形区, 板厚减薄较严重, 是混合成型中铝板成形时最易出现破裂的地方。实际上, 当金属板料在平底凹模中进行液压成形和液压胀形成形过程中也有类似的板厚严重减薄处的开裂现象 ^[10,11] , 但迄今尚未见分析和研究该大塑性变形区形成过程以及材料变形模式的文献报导。本文作者采用弹塑性大变形更新的Lagrange有限元方法对混合成形中铝板的成形过程进行了分析, 为金属板料/塑料混合成型的工艺研究提供依据。

1实验方法及结果

混合成型试验在螺杆式塑料注射成型机上进行, 螺杆直径为d22 mm, 最大注射压力为202 MPa。金属板料为d50 mm×1 mm的半硬状态纯铝板。模腔直径为d38 mm, 深4 mm, 入口处圆角半径为2 mm。塑料材料为聚丙烯PP, 注射速率为4.35 cm³/s, 注射温度为230 ℃, 注射压力为116 MPa, 实验测定模腔末端的熔体压力为50.2 MPa。图1所示为实验所得制件的剖面图, 并利用工具显微镜测量了两个板厚减薄较严重的大塑性变形区的最小厚度。

图1 混合成型试验所得制件的剖切截面

Fig.1 Sectional view of formed aluminum/plastic combined component

2有限元模型

由于混合成型中金属板料的成形过程是一个大塑性变形过程, 因此采用弹塑性大变形更新的Lagrange方法 ^[12] 对其成形过程进行数值模拟。将铝板成形作为轴对称问题处理。为了较好地描述板料变形时的弯曲效应以及板厚方向上的应力、应变变化特点, 在板厚方向上设置4层单元, 用4×65个单元将其一半离散化, 如图2所示。采用的单元为4个高斯积分点的四边形轴对称单元。模板及模腔均作为刚体处理。

图2 有限元网格

Fig.2 Finite element meshes of aluminum sheet

铝板的弹性模量E=70 GPa, 泊松比υ=0.33, 初始屈服极限σ_s=70 MPa, 抗拉强度σ_b=100 MPa, 且为服从von Mises屈服准则的各向同性强化的弹塑性材料。尽管混合成型中塑料熔体温度为230 ℃, 但由于塑料熔体压力在1.2 s内迅速上升到最大值, 故可忽略塑料熔体温度对铝板力学性能的影响, 并认为塑料熔体压力分布均匀, 熔体最大压力为50 MPa。

铝板与模具的摩擦因数为0.05, 并采用考虑相对滑动速度影响的摩擦规律 ^[12] , 则有

F_t=μF_n (2/π) arctan (v_r/C)

式中 F_t—摩擦力, μ—摩擦因数, F_n—正压力, v_r—相对滑动速度, C—比v_r小得多的正值常数。注意到, C取值过小将导致收敛困难, C取值过大又几乎表现不出摩擦的影响。本文中C取值为6×10^-2?v_r。

铝板有限元节点与模具的接触条件为: 当节点与模壁之间的距离小于或等于所有单元中的最小边长的1/25时, 即认为该节点与模具处于接触状态; 否则, 则处于非接触状态。

铝板成形过程的有限元数值模拟在大型非线性分析有限元软件MARC ^[12] 上进行, 并用交互式的MENTAT Ⅱ软件进行有限元分析的前、后置处理。

3分析与讨论

3.1铝板成形过程分析

图3给出混合成型过程中铝板边缘位移与塑料熔体压力的关系。在注塑机的合模锁紧过程中, 铝板凸缘被夹紧, 并在厚度方向上被压下0.05 mm, 板料边缘朝外移动约0.2 mm。随后, 注塑机注射的塑料熔体迫使铝板在模腔内成形, 板料边缘朝内移动。铝板与模具的接触面积不断增大, 塑料熔体压力也不断升高。但当塑料熔体压力上升到约30 MPa后, 铝板边缘的朝内移动基本停止, 这说明铝板凸缘区已基本不再参与变形。在塑料熔体压力从0上升到约30 MPa的过程中, 铝板凸缘区处于拉伸变形状态, 铝板边缘的朝内移动量逐渐增大; 而模腔内的铝板承受板料曲面内双向伸长变形。研究表明, 金属板料液压成形过程中凸缘材料朝内移动有利于减轻模腔内铝板的胀形变形程度 ^[7,8,10] 。这说明, 混合成型过程中铝板厚度减薄较严重的大塑性变形区是在凸缘区停止变形后, 即塑料熔体压力从约30 MPa上升到50 MPa的过程中形成的。

图3 混合成型中铝板边缘位移与塑料熔体压力的关系

Fig.3 Relationship between drawn-in of flangeedge of aluminum sheet and pressure of polymer melt in hybrid forming

3.2大塑性变形区的形成及变形特点

图4给出了塑料熔体压力为50 MPa时模腔底角部附近铝板内最大主塑性应变ε_max, 最小主塑性应变ε_min, 周向塑性应变ε₃₃和等效塑性应变ε_i的等值线场图。将成形铝板分为4个区域: 凸缘区 (记为Ⅰ区) 、模腔入口圆角区 (记为Ⅱ区) 、与模底接触区 (记为Ⅲ区) 和自由变形区 (记为Ⅳ区) 。由图4可见, 铝板成形过程中在Ⅱ区与Ⅳ区以及Ⅲ区与Ⅳ区的交界处形成两个板厚减薄较严重的大塑性变形区, 其位置与图1的混合成型实验铝板上两个板厚减薄最严重的区域相对应。 Ⅱ区与Ⅳ区交界处最小厚度的实测值为0.702 mm, 有限元模拟值为 0.738 mm; Ⅲ区与Ⅳ区交界处最小厚度的实测值为0.643 mm, 有限元模拟值为0.725 mm。可见, 有限元模拟结果与实验结果具有较好的相符性。

图5给出混合成型过程中塑料熔体压力分别为30 MPa, 40 MPa和50 MPa时模腔底角部附近铝板内绝对值最大的主塑性应变的等值线场图。由图4及图5可知, Ⅱ区处于径向拉伸-周向压缩变形状态, Ⅳ区处于径向拉伸-周向伸长变形状态。由于板料曲面弯曲效应, Ⅱ区与Ⅳ区沿板厚方向呈现明显的应变梯度。在图5中, Ⅱ区与Ⅳ区交界处板厚减薄较严重的大塑性变形区由两部分构成, 分别记为B和C; Ⅲ区与Ⅳ区交界处板厚减薄较严重的大塑性变形区记为A。从A, B和C3个区域中各取1个节点, 给出这3个节点的周向塑性应变ε₃₃随混合成型过程中塑料熔体压力的变化情况, 如图6所示。当塑料熔体压力从30 MPa增大到50 MPa时, A区的ε₃₃为正, 且随塑料熔体压力增大而逐渐增大, 当塑料熔体压力增大到40 MPa后, ε₃₃基本不变, 因此A区依次处于板料曲面内双向伸长变形和平面应变状态; 对于B区, ε₃₃逐渐增大, 然后逐渐减小, 最后基本不变, 因此B区依次处于板料曲面内双向伸长变形、拉伸变形和平面应变状态; 对于C区, ε₃₃先增大, 然后基本不变, 因此C区依次处于板料曲面内双向伸长变形和平面应变状态。

图4 塑料熔体压力为50 MPa时模腔底角部附近铝板内塑性应变等值线场图

Fig.4 Distribution of plastic strain in formed aluminum sheet around root corner of mould at plastic melt pressure of 50 MPa (a) —Maximum principal strain, ε_max; (b) —Minimum principal strain, ε_min; (c) —Circumferential strain, ε₃₃; (d) —Equivalent strain, ε_i

图6亦给出了塑料熔体压力从50 MPa增大到60 MPa时ε₃₃的变化情况。可见, C区的ε₃₃基本不变, 处于平面应变状态; A区和B区的ε₃₃从基本不变转变到增大, 因此变形由平面应变状态转变到板料曲面内双向伸长变形状态。显然, 板厚减薄较严重的大塑性变形区的变形程度随塑料熔体压力增大而增大和板厚减薄而更严重。这将导致混合成型过程中铝板成形时板厚减薄严重的地方出现破裂现象。

为了避免出现破裂现象, 应使更多的材料从板料凸缘区流入模腔内。为此, 一方面应尽可能采用较大的模具入口圆角半径, 减小板料凸缘区与模具的摩擦因数, 另一方面对板料凸缘区施加较小的板厚压下量, 甚至采用零压下量。这是由于作为板料成形介质的塑料熔体的粘度比水、油等介质的大, 且其粘度随塑料熔体温度降低而快速增大。因此, 只要板料凸缘区与模具的间隙不超过注塑模具分型面的缝隙 (约0.01～0.03 mm) , 则混合成形过程中不会出现塑料熔体渗漏现象。

图5 塑料熔体压力为30 MPa, 40 MPa和50 MPa时模腔底角部附近铝板内绝对值最大的主塑性应变的等值线场图

Fig.5 Distribution of major principal plastic strain in aluminum sheet around root corner of mould at plastic melt pressure of 30 MPa (a) , 40 MPa (b) and 50 MPa (c)

图6 混合成型过程中A, B和C区周向塑性应变ε33的变化

Fig.6 Evolution of circumferential plastic strain in regions of A, B and C in hybrid forming of aluminum sheet

4结论

1) 在塑料熔体压力从0上升到约30 MPa的过程中, 铝板凸缘区处于拉伸变形状态, 铝板边缘的朝内移动量逐渐增大; 而模腔内的铝板承受板料曲面内双向伸长变形。

2) 当塑料熔体压力上升到约30 MPa后, 铝板边缘的朝内移动基本停止, 凸缘区已基本不再参与变形, 并在铝板自由变形区两端形成两个板厚减薄较严重的大塑性变形区。

3) 采用弹塑性大变形更新的Lagrange有限元方法分析了板厚严重减薄的大塑性变形区的形成过程及材料变形模式。当塑料熔体压力从30 MPa增大到50 MPa时, A区依次处于板料曲面内双向伸长变形和平面应变状态; Ⅱ区与Ⅳ区交界处板厚减薄较严重的大塑性变形区由B和C两部分构成, B区依次处于板料曲面内双向伸长变形、拉伸变形和平面应变状态, C区依次处于板料曲面内双向伸长变形和平面应变状态。