CN101574716A - 金属片部件的成形方法和设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属片部件的成形方法和设计方法。如果该部件想要在多部分模具组中以一个步骤成形，则该部件可从重量轻且强度高的材料形成到将正常地超过材料的成形限制的程度。最终部件的包括深凹入和小半径区域的临界区域从预先成形或者中间形状部件形成。预先成形以流体压力成形工艺进一步形成为最终部件形状，其中，预先成形的宽半径区域形成在深凹入和尖锐拐角中。

Description

金属片部件的成形方法和设计方法
技术领域
本发明涉及一种从金属片毛坯形成部件的成形方法和设计方法，所述方法包括将金属片毛坯拉深成中间形状，然后形成为包括临界区域的最终设计形状。
背景技术
在各种工业中，将金属片毛坯形成为多个部件，很多制造工艺是可行的。这些制造工艺非常适于形成具有很少复杂几何形状的部件。一些部件可具有临界区域，所述临界区域通过传统工艺不超过将要成形的材料的可成形性限制不会被形成。这种临界区域由于形成部件所需的深度拉深(depth draw)或者由于需要形成紧密的半径(tight radii)而会超过可成形性限制。
为了制造具有临界区域的部件，具有很少复杂几何形状的多个部件可被形成，然后通过焊接、铆接或者其它传统紧固技术被结合在一起。用于形成具有复杂几何形状的部件的另一种方法是在它们在温成形或者超塑成形工艺中被加热到高温之后形成部件。在高温中形成部件会产生关于润滑的问题，并且会导致部件的壁过薄。
用于形成具有临界区域的复杂部件的另一种方法是：最初形成部件，然后在将该部件重新形成为期望的最终形状之前，对该部件施加热处理以恢复材料的延展性。该方法的一个问题在于：需要对该部件进行热处理的实际时间，并且该部件必须根据精确的热处理时序被热处理，从而有效。该方法的另一变形是增加成形(incremental forming)，其中，该部件被局部成形，然后被快速热处理。包括对该部件热处理或者预热的任何成形方法都有导致毛坯过薄的趋势。
提出的另一种工艺被称为水力机械拉深(hydro-mechanical drawing，也称为氨基技术(amino technology))，该水力机械拉深在材料进入模腔的指定区域使摩擦力减小。摩擦力减小允许另外的金属从毛坯的边缘区域被拉深到所述模腔中。水力机械拉深工艺不适于形成这样的部件，因为另外的材料不能从边缘区域被拉深到中间区域，所以在大面板的控制区域中需要过大的局部伸展，其中，大面板的控制区域位于从模具(die)的边缘距离具有足够的距离处。
部件成形工艺还受到被成形的材料的类型的影响。铝、高强度钢和先进的高强度钢(advanced high-strength steel)趋向于具有更小的延展性和低可成形性，或者具有成形限制。具体地讲，结合加热步骤或者热处理步骤的成形工艺更适用于铝合金，而通常不适用于高强度钢和先进的高强度钢。提供具有高强度性能且轻重量的最终部件的需要使得为了使重量轻而使用这种类型的先进材料变得重要。但是，这种材料和合金的低的成形限制局限了设计的自由度以及由这些类型的材料制成的部件的类型。
如下所总结的这种研究解决了上述问题和在表示允许更复杂的部件由重量轻且高强度的合金制成的领域中的长期需要的其它问题。
在此提出的这种改进总结如下。
发明内容
提供了一种使部件从金属片毛坯形成为具有至少一个临界成形区域或者范围的最终设计形状的方法。所述方法包括以下步骤：拉深所述毛坯使其形成中间成形的部件，所述中间成形的部件包括与所述临界区域相邻的隆起。然后，通过将所述隆起形成到临界区域中而进一步形成中间成形的部件，以形成最终设计形状。
根据该实施例的另一方面，以流体压力成形工艺执行成形步骤。在此使用的术语“流体压力成形工艺”应该被解释成包括水力成形、气体成形和电动液压成形。
临界区域是最终设计形状的区域，所述区域需要将毛坯拉深成尖锐拐角或者将毛坯拉深到超过毛坯的成形限制的深度。根据该方法，在拉深步骤中，所述毛坯被拉深到所述毛坯的成形限制内的深度。然后，将该部件形成为最终设计形状的步骤产生将超过单步成形工艺的成形限制的最终部件设计的成形。该方法还包括提供中间成形的部件，该中间成形的部件具有与半径增加的临界区域相邻的至少一个隆起。所述中间成形的部件具有与最终部件形状的表面面积相比基本相等的表面面积。
根据该方法的另一特征，由所述中间成形的部件的形状限定的中间腔在由最终部件形状限定的最终腔的边界内。根据该方法，拉深操作可用具有至少两个模具的冲压模具组执行。然后，在完成初始拉深操作之后可用流体压力成形工具执行成形或者结合操作。
根据下述步骤提供一种从金属片毛坯形成部件的设计方法。定义最终部件作为计算机辅助设计模型。利用有限元分析来分析最终部件。识别最终部件形状中的达到或者超过金属片毛坯的成形限制的临界区域。模拟设计形状，以基于最终部件形状局部减小在产生中间部件形状的过程中被施加到毛坯的应变。中间部件形状与最终部件形状的表面面积基本相同。
设计部件的方法还包括在中间部件形状中限定中间腔，所述中间部件形状中的中间腔在由最终部件形状限定的最终腔的边界内。
在设计部件的方法的分析步骤中，有限元分析被用于确定在部件的临界区域中的节点力。施加在模拟步骤中将最终设计形状转变为中间形状所需要的节点力。
在模拟设计形状的步骤中，最终部件形状弹性地变形以产生中间部件形状，从而保持了中间部件形状和最终部件形状的表面面积关系，并且中间部件形状在最终部件形状之内。
设计部件的方法还可包括在毛坯中设计至少一个隆起，所述毛坯以中间部件形状形成，然后被重新形成以将材料从所述隆起提供到临界区域中。设计将被形成的中间部件形状，然后中间部件形状被重新形成以允许所述隆起进入尖锐拐角中。中间部件形状的产生是迭代过程，并且最终部件被测试以验证当形成最终部件时没有超过成形限制。
考虑到附图和以下对示出的实施例的详细描述，上述方法的这些和其它方面将被更好地理解。
附图说明
图1是设计有表示有限元分析单元的交叉影线(cross-hatching)对称部件的一半的透视图；
图2是与图1类似的对称部件的一半的透视图，图2还包括能够用于产生中间形状的部件上的指定区域的表示；
图3是标记有有限元分析单元的对称中间部件形状的一半的不连续透视图；
图4根据该方法设计并制成的对称最终部件的一半的不连续透视图；
图5是显示在用于成形的位置上的三部分模具和金属片毛坯的剖视图图解；
图6是在图5中显示的模具的剖视图图解，其中，工件被上冲模拉深而形成中间形状；
图7是与图5类似的剖视图图解，显示了具有通过下冲模而在其中形成的隆起的工件；
图8是可以在流体压力成形工艺中使用以形成中间部件形状的一侧模具的剖视图图解；
图9是显示压力成形工具的剖视图图解，该压力成形工具包括一侧模具，最终部件用实线表示且抵靠着所述一侧模具而形成。
具体实施方式
在上述附图和以下描述中示出的模具设计方法利用重量轻的材料(例如，高强度钢、先进的高强度钢和铝合金)便于形成复杂的金属片冲压。在大多数金属片冲压中，应变分布不均匀。在尖锐拐角(sharp corner)和深凹处材料伸展最大程度的位置应变最大。例如，车辆部件(例如，牌照凹处和门把手凹处)可具有不能在一个拉深操作中形成为期望的形状的尖锐拐角和深凹入。
参照图1，设计工艺的第一步是产生部件10的最终形状的数字网格。表示该部件的表面的计算机辅助设计(CAD)数学数据被加载到现有的网格化软件系统(例如，Altair Hypermesh软件)中。有限元分析(FEA)网格被应用到数字网格。网格用于计算该部件将如何从最终形状逆向变形(相对于成形工艺)，以创建容易预先成形的形状。设计预先成形以在到腔的入口处具有平滑的半径，同时使该部件的底部伸展(在成形过程中，该部件的底部通常不遭受过量的应变)。
该工艺的第二步是确定将需要什么样的力使模拟的弹性毛坯根据计划的策略而变形。能够模拟毛坯和模具之间的接触相互作用的结构代码用于模拟金属片成形工艺。结构代码的示例包括可用于模拟金属片成形工艺的MATRAS、LS DYNA、ABAQUS和AUTOFORM等。材料被注模成薄的弹性膜以产生等同的表面。
数值分析用于基于FEA数据计算和分配从最终形状到预先成形形状形成毛坯所需要的节点力。
参照图2，数值分析用于计算节点力已被调节的位置，以计算通过冲压或者其它金属成形工艺易于成形的预先成形的形状。金属被拉出尖锐拐角而没有用于设计预先成形的伸展，使得其具有与该部件的最终形状相等的表面面积。
基于数值分析定义用于使毛坯从最终形状“逆向”变形的节点力的分布。节点力的分布结果通过交叉影线16在图2中被示出。如图3所示，因为设计的最终形状被用作起点，节点力的分析被用于设计预先成形形状18，所以这就是已知的毛坯逆向变形。
预先成形形状18包括位于与临界区域20相邻的位置上的隆起24，该临界区域20是该部件的深的拉深凹入或者小半径区域(sharp radius area)。预先成形形状18(即，中间成形的部件的形状)在迭代过程中产生。预先成形形状被设计成便于形成在图4中显示的最终部件形状。可由金属制成的隆起24可弯曲，而不会实际伸展到最终部件形状10中。这里使用的“而不会实际伸展”应该理解为表示预先成形形状或者中间部件形状的表面面积比最终部件的表面面积小5％。当其形成为最终部件形状10时，中间预先成形部件形状18易于小于5％的伸展。由于大多数伸展是不需要的，所以将预先成形形状18重新成形为最终部件形状10仅需要有限量的压力。临界区域20(即，深凹入和尖锐拐角)被填充有在第二步成形步骤中在预先成形18上的隆起24中的材料。根据该方法，最初形成为预先成形的精确量的额外的金属随后被形成，或者被送入到临界区域20中。
根据该方法，假设面板是弹性的，通过分配将材料拉出尖锐拐角所需的人工节点力，数学工具操纵最终部件的CAD数据，以提供平滑的表面预先成形18。还根据该方法，在逆向模拟中，非常大的压力被施加到边缘区域，以当计算预先成形形状以从最终形状数据逆向运动时防止其运动。从最终部件形状10的尖锐拐角拉出金属，以形成预先成形部件形状18，而从尖锐拐角实际没有伸展到保留区域或者隆起24中。在该方法中，通过将最终部件的网格收缩为预先成形形状18的形状，来控制当毛坯40从预先成形形状18形成为最终形状10时在毛坯40中伸展的程度。当毛坯40实际从预先成形18形成为最终形状10时，隆起24可形成为比预先成形形状18的其它部件延伸得更多。
参照图5、图6和图7，工具30被示出，该工具可以用于形成预先成形18。工具30包括与压边圈(binder ring)34合作的上冲模32。该工具还包括下模具36和下冲模38。该工具30是示例性的，并且可提供包括另外的冲模或者不同形状的表面的很多其它工具。如图5中所示，毛坯40通过压边圈被保持在下模具36上。如图5所示，上冲模32悬在毛坯40之上，下冲模38缩回到下模具36中。
参照图6，毛坯40通过上冲模32被局部成形，在下模具36的周围边缘42上形成宽半径的区域。通过预先成形临界区域46也形成宽半径曲面。宽半径的周围边缘42和预先成形临界区域46在拉深操作中容易形成，并且没有遭受裂开或者起皱。
参照图7，下冲模38运动到与毛坯40接合，并通过使毛坯40的先前未形成的区域(如图6所示)伸展完成预先成形形状18的成形，从而在预先成形形状18中产生隆起24。
利用传统的多部分模具组成形操作来执行在图5至图7中示出的步骤。但是，应该理解，预先成形形状还可以在流体压力成形操作中形成。
参照图8，示出了适于流体压力成形工艺的一侧成形模具。一侧模具52将与水力成形模具、气体成形模具、电动液压成形模具、超塑成形模具、橡胶成形模具或者爆炸成形模具配合使用。例如，在流体压力成形工艺中，流体压力被施加到毛坯40的与一侧模具52相反的一侧，以形成预先成形形状18。预先成形18包括呈平滑半径区域且简单以在流体压力成形工艺中成形的周围边缘42和隆起24。
参照图9，一侧最终模具54被示出，以适于在压力成形工具56中使用。压力通过适当的流体压力成形工艺被正常施加到预先成形形状18的表面，如先前所描述的，从而使其形成为抵靠着一侧最终模具54的最终部件形状10。周围边缘42从相对宽的半径到窄的半径形成，并且预先成形临界区域46形成在包括最终部件10中的临界区域20的深凹入和小拐角区域中。
在图8中示出的中间部件形状的边界在由最终部件形状限定的最终腔的边界内，如图9所示。将预先成形形状18形成为多部分模具中的最终部件形状10将是非常困难的或者不可能的，这是因为中间部件形状将在多部分模具组中被挤压或者起皱，该多部分模具组不将相等且正常的压力施加到预先成形18的表面上。流体压力成形工艺实质上利用最小的伸展将预先成形18弯曲为最终部件形状10。
假设形成了弹性毛坯，在腔中的预先成形形状18和最终部件形状10的表面面积可基本保持彼此相等。通过保持预先成形和最终部件形状的表面面积相等，预先成形可被弯曲成最终部件形状，而非被伸展为最终部件形状。
虽然已经详细描述了实现本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员应该理解，本发明承认各种可替换的用于实现由权利要求限定的本发明的设计和实施例。

Claims (20)

1、一种用于从金属片毛坯形成部件的方法，其中，所述部件具有被形成到最终设计形状的至少一个临界区域，所述方法包括以下步骤：
拉深所述毛坯以形成中间成形的部件，所述中间成形的部件包括与所述临界区域相邻的至少一个隆起；
形成所述中间成形的部件以将所述至少一个隆起形成到临界区域中，以形成最终设计形状。
2、如权利要求1所述的方法，其中，以流体压力成形工艺执行成形步骤。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述临界区域是需要将毛坯拉深到超过毛坯的成形限制的尖锐拐角的最终设计形状的区域。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述临界区域是需要将毛坯拉深到超过毛坯的成形限制的深度的最终设计形状的区域。
5、如权利要求1所述的方法，其中，在拉深步骤中，所述毛坯被拉深到在所述毛坯的成形限制内的深度，其中，使所述部件形成为最终设计形状的步骤产生超过单步成形工艺的成形限制的部件。
6、如权利要求1所述的方法，其中，所述中间成形的部件具有至少一个隆起和半径增加的临界区域，其中，所述中间成形的部件具有与最终部件形状的表面面积相等的表面面积。
7、如权利要求1所述的方法，其中，由所述中间成形的部件的形状限定的中间腔在由最终部件形状限定的最终腔的边界内。
8、如权利要求1所述的方法，其中，拉深操作使用具有至少两个模具的冲压模具组执行。
9、一种从金属片毛坯形成部件的设计方法，所述方法包括以下步骤：
定义最终部件形状作为计算机辅助设计模型；
利用有限元分析来分析最终部件形状；
识别最终部件形状中的达到或者超过金属片毛坯的成形限制的临界区域；
模拟设计形状，以基于最终部件形状局部减小在产生中间部件形状的过程中被施加到毛坯的应变，其中，中间部件形状的表面面积与最终部件形状的表面面积相等。
10、如权利要求9所述的设计方法，其中，由中间部件形状限定的中间腔在由最终部件形状限定的最终腔的边界内。
11、如权利要求9所述的设计方法，其中，在分析步骤中，有限元分析被用于确定在临界区域中的节点力，并施加在模拟设计形状的步骤中将最终设计形状转变为中间形状所需要的节点力。
12、如权利要求9所述的设计方法，其中，在模拟设计形状的步骤中，最终部件形状弹性地变形以产生中间部件形状，从而保持了中间部件形状和最终部件形状的表面面积关系，并且中间部件形状在最终部件形状之内。
13、如权利要求9所述的设计方法，其中，在中间部件形状中设计形成毛坯的至少一个隆起，该中间部件形状被重新形成以将所述至少一个隆起形成到深腔中。
14、如权利要求9所述的设计方法，其中，在中间部件形状中设计形成至少一个隆起，该中间部件形状被重新形成以将所述至少一个隆起形成到尖锐拐角中。
15、如权利要求9所述的设计方法，其中，在迭代过程中产生中间部件形状，其中，设计将至少一个隆起加入到至少一个临界区域中，并且所述方法还包括测试最终部件以验证没有超过成形限制而形成最终部件。
16、一种从金属片毛坯形成部件的设计方法，所述方法包括以下步骤：
定义最终部件形状作为计算机辅助设计模型；
利用有限元分析来分析最终部件形状；
识别最终部件形状中的达到或者超过金属片毛坯的成形限制的临界区域；
模拟设计形状，以基于最终部件形状局部减小在产生中间部件形状的过程中被施加到毛坯的应变，其中，由中间部件形状限定的中间腔在由最终部件形状限定的最终腔的边界内。
17、如权利要求16所述的设计方法，其中，模拟设计形状的步骤还包括在模拟中使最终部件形状弹性地变形以产生中间部件形状，从而保持了中间部件形状和最终部件形状的表面面积关系。
18、如权利要求16所述的设计方法，其中，在中间部件形状中设计形成毛坯的至少一个隆起，所述中间部件形状被重新形成以形成至少一个隆起，其中，所述至少一个隆起被形成到临界区域中。
19、如权利要求16所述的设计方法，其中，在迭代过程中产生中间部件形状，其中，至少一个隆起被设计成加入到至少一个临界区域中，并且所述方法还包括测试最终部件以验证没有超过成形限制而形成最终部件。
20、如权利要求16所述的设计方法，其中，以流体压力成形工艺执行成形步骤。
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