43、金属加工模拟：微车削与深拉延的研究进展

微车削与深拉延模拟研究进展

脚滑的狐狸160

于 2025-09-17 13:56:41 发布

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分类专栏：智能制造前沿技术探析文章标签：微车削深拉延有限元模拟

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金属加工模拟：微车削与深拉延的研究进展

在金属加工领域，微车削和深拉延是两种重要的加工工艺。微车削常用于加工微小零件，而深拉延则广泛应用于制造各种容器和面板。下面将分别介绍微车削和深拉延的模拟研究进展。

微车削模拟研究

在微车削模拟中，研究人员开发了基于有限元的温度 - 位移耦合模型，用于模拟纳米碳化硅颗粒增强的铝 7075 基金属基复合材料的微车削过程。

等效塑性应变与温度
- 研究中分析了不同进给量下的等效塑性应变。当进给量为 4μm 时，塑性应变与水平方向的夹角比进给量为 6μm 时更大。
- 刀具切削刃处的温度测量结果显示，小进给量时温度升高更多，这表明在剪切区存在颗粒，而大进给量时则不存在这种情况。
切削力验证
- 通过将切削力的模拟结果与实验结果进行比较来验证模型。实验中，进给量为 6μm 时的切削力为 7N，而模拟中切屑形成过程的平均切削力为 6N，两者吻合良好。
模型精度
- 经过验证，该模型的精度约为 85%。

以下是不同进给量下切削力和温度变化的表格：
| 进给量（μm） | 实验切削力（N） | 模拟切削力（N） | 温度升高情况 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 4 | - | - | 较大 |
| 6 | 7 | 6 | 较小 |

深拉延模拟研究

深拉延是一种重要的板材成型工艺，用于制造饮料罐、压力容器和汽车面板等产品。在深拉延模拟中，选择合适的屈服准则至关重要。

屈服准则的重要性
- 屈服函数用于定义材料的本构模型，不同的工程应用需要使用不同的屈服准则。选择合适的屈服准则对于准确模拟成型过程至关重要。
- 材料的本构模型应能够解释相关现象，如包辛格效应、各向异性屈服和应变硬化。
深拉延工艺参数
- 深拉延过程中，冲头对圆形坯料施加拉力，坯料被拉入模具型腔形成所需形状。
- 工艺参数包括冲头的角半径、直径、坯料的初始直径和厚度、模具的角半径、坯料夹持力以及坯料与工具界面的摩擦条件等，这些参数相互影响，共同决定了深拉延的行为。

以下是深拉延工艺的主要参数表格：
| 参数 | 含义 |
| ---- | ---- |
| Db | 坯料初始直径 |
| tb | 坯料厚度 |
| Dp | 冲头直径 |
| rp | 冲头角半径 |
| rd | 模具角半径 |
| Fd | 拉延力 |
| Fb | 坯料夹持力 |

不同屈服准则在深拉延模拟中的应用如下：
- Tresca 和 von Mises 屈服函数 ：用于各向同性材料。
- Hill’s 1948 屈服函数 ：是 von Mises 屈服函数的推广，但在某些铝合金和钢板中表现出异常行为。
- 其他各向异性屈服函数 ：如 BBC2008、Yld2000 - 2d、Yld2004 - 18p 等，这些函数在预测深拉延行为方面各有优劣。

以下是不同屈服准则在深拉延模拟中的应用情况 mermaid 流程图：

graph LR
    A[各向同性材料] --> B[Tresca 和 von Mises 屈服函数]
    C[各向异性材料] --> D[Hill’s 1948 屈服函数]
    C --> E[BBC2008 屈服准则]
    C --> F[Yld2000 - 2d 屈服准则]
    C --> G[Yld2004 - 18p 屈服准则]

在实际应用中，研究人员通过实验和模拟相结合的方法，对不同屈服准则进行了评估和比较，以选择最适合的屈服准则来提高深拉延模拟的准确性。

综上所述，微车削和深拉延的模拟研究对于优化加工工艺、提高产品质量具有重要意义。通过不断改进模型和选择合适的屈服准则，可以更好地预测加工过程中的力学行为，为实际生产提供有力的支持。

金属加工模拟：微车削与深拉延的研究进展

不同屈服准则的实验研究与应用效果

为了更准确地模拟深拉延过程，众多研究人员对不同屈服准则进行了实验研究，并比较了它们在实际应用中的效果。

Vrh 等人的研究 ：他们使用 VUMAT 子程序在 ABAQUS/Explicit 中实现了 BBC2008 屈服准则，用于预测深拉延过程中的凸耳现象。通过对 AA2090 和 AA5042 材料进行单轴和双轴拉伸试验，确定了屈服函数的所有参数。研究发现，该准则在预测 AA5042 - H2 深拉延的凸耳现象时，与实验结果有较好的一致性。
Moreira 等人的研究 ：在 ABAQUS 软件中借助 VUMAT 子程序实现了 Ferron 的平面应力正交各向异性屈服准则。通过对无间隙钢和镀锡钢板进行圆柱深拉延实验，将模拟结果中的厚度应变分布和凸耳现象与实验结果进行比较。结果表明，Ferron 模型在描述各向异性特征方面更有效。
Guner 等人的研究 ：在 ABAQUS Explicit 中利用 VUMAT 子程序实现了 Yld2000 - 2d 屈服准则，并对 AA6016 - T4 进行了有限元深拉延模拟。通过等双轴试验和拉伸试验确定材料模型参数，发现 Hill’s 1948 屈服函数预测的杯角厚度比实验结果低约 12%，而 Yld2000 - 2d 屈服准则得到的厚度应变分布与实验数据吻合良好。
Laurent 等人的研究 ：在 ABAQUS 中通过用户自定义的 UMAT 子程序实现了 Hill’s 1948、von Mises 和 Barlat’91 屈服准则，并结合各向同性和运动硬化模型，在弹簧回跳评估的开环试验中进行比较。测量释放的残余应力和弹簧回跳时，发现 Hill 模型与各向同性硬化得到的厚度应变分布略高于实验结果，且高于其他两个屈服准则。最终得出，Barlat’91 屈服准则与运动硬化相结合与实验结果吻合良好。

以下是不同研究中屈服准则应用效果的表格：
| 研究人员 | 屈服准则 | 材料 | 应用效果 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| Vrh 等人 | BBC2008 | AA2090、AA5042 | 预测凸耳现象与实验结果较好一致 |
| Moreira 等人 | Ferron 准则 | 无间隙钢、镀锡钢板 | 描述各向异性特征更有效 |
| Guner 等人 | Yld2000 - 2d | AA6016 - T4 | 厚度应变分布与实验数据吻合良好 |
| Laurent 等人 | Barlat’91（结合运动硬化） | - | 与实验结果吻合良好 |

有限元模拟深拉延的具体实施

在本次研究中，对 AA2090 - T3 板材的深拉延进行了有限元模拟，具体实施步骤如下：

模型选择与参数设置 ：在 ABAQUS/CAE 6.13 中进行模拟。由于对称性和减少计算时间，对杯形深拉延的四分之一截面进行建模和分析。坯料设为可变形体，坯料夹持器、冲头和模具建模为刚性表面。坯料采用 C3D8R 单元进行网格划分，这些单元是具有缩减积分能力的线性砖块单元（8 节点）。具体工艺参数设置为：Db = 158.76 mm；tb = 1.60 mm；Dp = 97.46 mm；rp = 12.70 mm；Dd = 101.48 mm；rd = 12.70 mm。AA2090 - T3 的材料属性为：密度 (ρ) = 2.59 g/cc；杨氏模量 (E) = 69 GPa；泊松比 (ν) = 0.33；屈服应力 (σY) = 279.16 MPa；应变硬化定律为 σeq = 646(0.025 + εpeq)^0.227。此外，还使用 AA6022 - T4 分析不同材料属性的影响，其材料属性为：密度 (ρ) = 2.69 g/cc；杨氏模量 (E) = 70 GPa；泊松比 (ν) = 0.33；屈服应力 (σY) = 162 MPa，应变硬化定律为 σeq = 396 - 234 exp(-6.745εpeq)。
摩擦与边界条件设置 ：所有界面采用库仑摩擦系数 0.1。板材 - 模具界面的摩擦用库仑定律建模，板材 - 冲头界面假设为粘着摩擦。施加 Fb = 5.5 kN 以保持板材 - 模具界面的接触。在板材 - 冲头界面的节点，根据冲头反应向量在 z 方向的拉伸或压缩性质决定是否失去接触。当节点接触时，假设为粘着摩擦条件，即节点在 x 和 y 方向的增量位移向量分量为零，z 方向分量等于冲头的增量位移。若节点不接触，增量应力向量的所有分量为零。在 x - y 对称平面，两个增量剪应力分量向量为零，位移向量的法向 (z) 分量为零；在 y - z 对称平面，两个增量剪应力分量向量为零，位移向量的法向 (x) 分量为零。对模具和坯料夹持器施加基本边界条件 (U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 = UR3 = 0)，冲头仅允许在负 y 方向平移。

以下是有限元模拟深拉延的步骤 mermaid 流程图：

graph LR
    A[选择 ABAQUS/CAE 6.13] --> B[设置模型参数]
    B --> C[设置摩擦与边界条件]
    C --> D[进行模拟分析]
    D --> E[比较模拟结果与实验结果]

总结与展望

金属加工中的微车削和深拉延模拟研究具有重要的实际意义。微车削模拟通过建立有限元温度 - 位移耦合模型，能够较好地预测切削力和温度变化，模型精度约为 85%，为优化微车削工艺提供了有力支持。深拉延模拟中，选择合适的屈服准则是关键，不同的屈服准则在不同材料和工艺条件下表现各异。通过大量的实验研究和有限元模拟，研究人员不断比较和评估不同屈服准则的效果，以提高深拉延模拟的准确性。

未来的研究可以在以下几个方面展开：
- 进一步改进微车削和深拉延的模拟模型，提高模型的精度和通用性，使其能够更好地适应不同材料和工艺条件。
- 探索更多新型的屈服准则，以更准确地描述材料的各向异性和复杂力学行为。
- 结合实验和模拟结果，深入研究加工过程中的微观机制，为工艺优化提供更深入的理论支持。

通过不断的研究和创新，金属加工模拟技术将在提高产品质量、降低生产成本等方面发挥更大的作用。