TriboForm：板材沖壓中摩擦和潤滑的影響

2019-04-19 by:CAE仿真在線來源:互聯網

TriboForm軟件在金屬板材成型和模擬領域迅速普及。最初,TriboForm軟件主要為工具制造商的工程服務,現在已經發展成可以和主要的金屬成型模擬解決方案配合使用,包括AutoForm,Pam-Stamp和LS-Dyna。

在鈑金沖壓過程中,板材始終與工具接觸。這種接觸不是靜態的,而是動態的,因為金屬板在工具表面上流動,即在板材和工具之間存在相對運動。即使板材和工具表面在沒有輔助視覺的情況下看起來很光滑,但是在顯微鏡下,它們顯示出復雜的形狀。

圖 1:粗糙度為 1.5μm 的無涂層低碳鋼板。

圖 2:粗糙度為0.4μm 的鑄鐵工具表面。

板材和工具表面具有粗糙度分布,這些分布是由一系列不同的高度、深度和間距的峰谷構成,如圖 1 和圖 2所示。金屬板的粗糙度分布根據材料的類型,等級和涂層而不同,而工具的粗糙度分布將根據材料的類型和它們的加工方式而不同。

由于板材和工具表面的這些不規則性,因此存在相對運動的阻力。簡單來說,這種對相對運動產生的阻力被稱為“摩擦”,這也是為什么在金屬板上施加潤滑劑以降低其阻力并因此減小摩擦的原因。摩擦力與兩個運動物體的接觸力之間的比率由摩擦系數“μ”表示,其值取決于摩擦學系統本身和成型過程,例如板材的溫度、沖壓速度、接觸壓力和板材的應變。

我們知道了摩擦力來自何處,以及為什么我們需要在沖壓前在板材上涂抹潤滑劑。現在,我們將著重討論潤滑量如何影響面板在成型過程中的質量。通過下面的圖片大家可以更好地了解潤滑效果。

使用TriboForm創建的摩擦模型在AutoForm中模擬下圖中顯示的所有面板。請注意,當不使用摩擦模型時,使用恒定的摩擦系數“μ”運行模擬。當使用摩擦模型時,用戶可以在模擬面板時改變潤滑量;并且根據面板對摩擦力的敏感程度,潤滑量會對面板的質量產生不同的影響。

圖 3:潤滑量太高

圖 4:潤滑量太低。

圖 5:最佳潤滑。

圖 3、4 和圖5 所示的板材使用相同的精確模擬設置進行模擬,由于潤滑劑量已經發生改變,因此零件質量不同。圖3 中所示的板材因為在拉伸之前在板上施加了高潤滑性,在拐角處有嚴重的起皺。

潤滑量越高,運動阻力越低,即材料隨后以不受控制的方式在工具表面上自由運動,從而產生皺折。相反,當施加在片材上的潤滑量非常低時,運動阻力非常高。這種高阻力迫使金屬板拉伸超過所需的量,產生大量的減薄,并且在某些情況下,產生大量的裂紋,如圖4 所示。

因此,在拉動面板時使用適當的潤滑量變得至關重要,找到所需的最佳潤滑量同樣重要。圖5 顯示了正確使用潤滑劑時沒有皺折和裂縫的板材。

就像任何其他制造工藝一樣,在板材上涂抹潤滑劑會產生一些不一致性,如噪音。這意味著,如果用戶決定在板材上使用的潤滑劑的量為1g/㎡,從而生產無缺陷面板,那么機器人每次在面板上噴灑精確數量的潤滑劑的可能性是多少?例如,如果設備的精度為85%,則潤滑劑的偏差將在0.85 - 1.15g/㎡,如果面板對摩擦非常敏感,則可能會出現一些問題。因此,找到潤滑量的安全范圍并確保設備在給定范圍內噴灑潤滑劑至關重要。

找到面板中不會產生大量表面缺陷并且同時不顯示高稀釋值的潤滑劑的“最佳量”取決于精確的仿真工具,例如使用帶有AutoForm的TriboForm插件。

在考慮 AHSS成型摩擦學系統時,有三個要點需要考慮,即:1)摩擦和摩擦學對回彈的影響;2)AHSS成型產生更高的溫度,這會再次影響摩擦行為;3)AHSS成型中使用不同的工具材料對成型和模擬中的摩擦行為產生新的影響。在成型模擬中應考慮上述這三種現象,這只能通過使用先進的摩擦模型來實現。

當然,AHSS在形成例如汽車部件時具有更多的回彈。回彈會受到鈑金成型模擬中設定的摩擦行為的嚴重影響。這也是為什么你應該對沖壓模擬中的摩擦行為進行改進的原因。反過來這也會產生更好的回彈預測。摩擦力決定了零件中的約束量,并且基于此,回彈行為受到影響。此外,重要的是要考慮在AHSS 成型時,通常會觀察到工具和板材之間較高的接觸壓力,這也是摩擦變得如此重要的原因,并且摩擦導致了材料中的溫度升高,這對低碳鋼而言,這種數量級是不會出現的。因此,適當描述溫度變化以及對摩擦行為的影響對于模擬AHSS 的成型是非常關鍵的。

此外,AHSS成型材料需要使用工具鋼,這些工具鋼通常不在中等強度鋼上使用。現在我們必須考慮由一定碳和鉻含量制成的更硬的工具產生摩擦學效應,而不是考慮鑄鐵制成的工具。這種模具材料也會對摩擦學性能產生影響。這就是為什么在模擬設置期間,用戶必須考慮到這一點以及潤滑劑選擇。一個好的摩擦模型應該考慮到生成摩擦模型時的所有這些相互關系。

如果您在成型模擬中有一個先進的摩擦模型,那么您需要在鈑金成型模擬中引入一個真實的摩擦學系統。然后,您將獲得更準確的裂紋、起皺、減薄和回彈預測,這些預測都與您使用的摩擦模型相關聯。

Johan Hol 博士

研發經理, TriboForm

Ir. Johan Hol 博士在金屬板材成型領域獲得了博士學位。2013 年,他聯合創辦了TriboForm 工程公司,這是一家提供虛擬設計和摩擦學建模領域咨詢服務和軟件解決方案的軟件公司。在 2016 年加入AutoForm 集團后,Hol 博士成為TriboForm 軟件開發經理,負責TriboForm軟件產品的開發和全球市場的技術支持。

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