關(guān)于沖鍛成形過程強(qiáng)力拉深增厚工藝的有限元分析

97/22沖鍛成形過程強(qiáng)力拉深增厚工藝的有限元分析國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50705034)國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50705034)華中科技大學(xué)模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王新云歐陽坤夏巨諶胡國安摘要結(jié)合冷擠壓與拉深工藝的特點(diǎn)，以雙杯形工件為對(duì)象，開展了沖鍛成形過程的強(qiáng)力拉深增厚工藝研究。即在反向拉深的同時(shí)，對(duì)側(cè)壁也施加軸向推力，進(jìn)行強(qiáng)力拉深以達(dá)到拉深并增厚的目的。采納有限元模擬軟件Dynaform研究了拉深增厚工藝中材料的流淌規(guī)律，分析了壓環(huán)的運(yùn)動(dòng)速度、壓邊力、凸模與凸凹模之間的間隙對(duì)工件最小厚度和內(nèi)壁最大厚度的阻礙，為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：沖鍛成形；拉深增厚；雙杯形件；數(shù)值模擬FEManalysisofthepowerfuldrawing-thickeningtechnologyinthestamping-forginghybridprocessAbstractApowerfuldrawing-thickeningtechnologywaspromptedfordouble-cup-shapedworkpieces,itcombinedthecharacteristicsofcoldextrusionwithdrawingprocess.Anaxialthrustwasexertedtothesidewallinbackwarddrawingtothickenit.TheFEMsoftwareDynaformwasutilizedtoresearchthematerialflow.Theimpactofthevelocityofthepressurering,thebinderforceandthegapbetweenpunchanddietotheminimumandmaximumoftheworkpiecethicknesswereanalyzed.Keywords:stamping-forginghybridforming;drawing-thickening;double-cup-shapedworkpiece;numericalsimulation1引言關(guān)于大表面積且壁厚差變化較大的零件，其通常的加工方法，或者是整體鑄造；或者是采納溫/熱鍛后切削的加工方法；或者是薄壁部與較厚部分通過焊接組合并熱處理等的多工序方式來制造。如此不僅整體性能有所下降，成本及能耗也較高，而且工序多也導(dǎo)致效率較低，不符合節(jié)能與綠色制造的社會(huì)進(jìn)展趨勢。本文提出一種結(jié)合了沖壓與鍛造技術(shù)特點(diǎn)的板料沖鍛成形工藝，為成形這類具有大表面積且厚差較大的零件提供了一種新的塑性成形方法。要緊特點(diǎn)為：以板材（或者管材）為坯料，通過沖壓工藝成形出中空薄壁形狀，并預(yù)先在拉深工序中儲(chǔ)備足夠體積的金屬，再采納鍛造工藝，對(duì)特定部位壓縮增厚，以提高厚度與剛度。如此，不僅可幸免僅采納沖壓方法制造的零件，沒有足夠厚度與剛度的缺點(diǎn)；也可幸免僅采納鍛造方法來制造大表面薄壁零件時(shí)，需要過高成形力的缺點(diǎn)。沖鍛成形工藝與焊接成形過程的比較如圖1所示。圖1沖鍛成形與焊接成形的比較a)與c)為沖壓后焊接成形；b)與d)為沖壓鍛造整體成形與焊接或者鑄造方法相比，采納這種整體塑性成形方法，減少了車削加工與焊接工序，不僅能夠提高材料利用率、降低能耗，而且零部件的綜合機(jī)械性能也有較大提高。近年出現(xiàn)了一些利用板坯料進(jìn)行鍛造的研究[1-4],但均只是采納了板坯料來進(jìn)行鍛造，不同于本文提出的先拉深空間形狀后增厚局部的沖鍛成形工藝。本文將結(jié)合有限元分析軟件Dynaform，開展沖鍛成形過程的強(qiáng)力拉深增厚工藝的研究，分析材料流淌及局部增厚等規(guī)律。2工藝分析本文所研究的零件如圖2所示，要求中部反向拉深出的壁厚大于原始坯料的厚度。工藝過程為：（1）正向拉深工序，從平板坯料變形為一定深度的圓杯形，初步完成零件的外部薄壁形狀。（2）反向拉深工序，拉深到一定高度，形成反向圓筒。在正向拉深工序，以盡量減小壁厚變薄及起皺為目標(biāo)。在反向拉深工序，以增大中間圓筒內(nèi)壁的厚度為目標(biāo)。因此，在反向拉深時(shí)，對(duì)外壁同時(shí)施加推力，促使材料從外壁流向內(nèi)壁，通過操縱推力與反向拉深速度，促使內(nèi)壁增厚，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力拉深增厚。圖2零件示意圖3模擬參數(shù)Dynaform是專用于板料成形模擬的軟件，能夠預(yù)測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈，評(píng)估板料的成形性能。本文選擇Dynaform軟件，對(duì)各工序進(jìn)行模擬分析。模具材料選擇steel，設(shè)置為剛性，板坯料與模具間的摩擦系數(shù)取0.125。3.1正向拉深正向拉深過程工件示意圖如圖3所示，模擬模型如圖4所示。經(jīng)工藝分析，可見處于窄凸緣圓筒件拉深的一次拉深成形范圍[5]。圖3正向拉深工件示意圖圖4正向拉深模型圓板坯料厚度為2mm，直徑為450mm，材料為ST14F，平面各向同性材料，參數(shù)如表1所示，Dynaform模擬參數(shù)設(shè)置如下表2所示。表1材料參數(shù)參數(shù)密度（T/mm3）楊氏模量（N/mm2）泊松比屈服應(yīng)力（N/mm2）數(shù)值0.28表2正向拉深參數(shù)設(shè)置凹模壓邊圈凸模結(jié)束操縱合模工序固定2000mm/s固定壓邊圈和凹模間距2.2mm拉深工序固定50kN5000mm/s凸模和凹模間距2.2mm3.2反向拉深反向拉深工件示意圖如圖5所示：圖5反向拉深工件示意圖依照工件幾何尺寸，可知拉深系數(shù)為0.42，小于極限拉深系數(shù)0.55，故常規(guī)拉深方法難以一次拉深成形，圖6所示的常規(guī)拉深方法的模擬結(jié)果也證實(shí)了那個(gè)結(jié)論。模擬中，坯料選用正向拉深后的數(shù)據(jù)文件。a)截面厚度圖b)成形極限圖圖6常規(guī)拉深由于采納常規(guī)反向拉深工序不能在一個(gè)工步內(nèi)拉深得到需要的零件，同時(shí)，也為了達(dá)到在反向拉深工序中實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁圓筒增厚的目的，因此，采納強(qiáng)力拉深成形工藝，也即在反向拉深的同時(shí)，對(duì)外側(cè)壁施加向下的推力，以促進(jìn)外側(cè)壁金屬流向內(nèi)側(cè)壁。強(qiáng)力拉深模具裝置示意圖如圖7所示，拉深時(shí)凸凹模固定，壓環(huán)、凸模成形時(shí)分不向下和向上運(yùn)動(dòng)，凹模浮動(dòng)，在壓環(huán)的作用下被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。反向強(qiáng)力拉深時(shí)的工藝參數(shù)見表3。圖7強(qiáng)力拉深成形工藝表3反向拉深參數(shù)設(shè)置合模工序拉深工序凸模固定凸模5000mm/s凸凹模固定凸凹模固定壓邊圈2000mm/s壓邊圈300kN壓環(huán)固定壓環(huán)運(yùn)動(dòng)速度遞增凹模固定凹模50kN結(jié)束操縱壓邊圈和凸凹模間距2.2mm結(jié)束操縱凸模和凸凹模間距2.2mm為了研究凸模與凸凹模間隙對(duì)成形的阻礙，本文設(shè)計(jì)了5組不同間隙值和壓邊力（見表4）的模擬試驗(yàn)：除模型中凸模與凸凹模間隙值、壓邊力不同外，各組其它參數(shù)設(shè)置均相同。表4各組模擬試驗(yàn)的間隙值組不abcde間隙值（mm）2.63.0壓邊力（kN）3003003003804504模擬結(jié)果及分析4.1正向拉深壓邊圈起著操縱材料流淌，防止起皺的作用。但過大的壓邊力，會(huì)阻止材料流入凹模中，使拉深過程不能正常進(jìn)行。當(dāng)壓邊力為50kN時(shí)，法蘭不發(fā)生起皺，且獲得壁厚減薄較小，模擬所得工件的厚度分布如圖8所示：凸模圓角處壁厚最小，沿著側(cè)壁向法蘭，壁厚逐漸增加，法蘭處壁厚最大。壁厚減薄較小的正向拉深，有利于后續(xù)反向強(qiáng)力拉深。圖8正向拉深結(jié)果4.2反向拉深4.2.1壓環(huán)、壓邊圈形狀尺寸變化對(duì)反向拉深的阻礙為了解壓環(huán)、壓邊圈的形狀尺寸對(duì)反向拉深的阻礙，設(shè)計(jì)如圖9所示的壓環(huán)、壓邊圈，其模擬結(jié)果如圖10所示。平面圓環(huán)形狀壓環(huán)、壓邊圈效果最差，在成形過程中，r2首先減小，材料徑向流淌阻力增大，在壓環(huán)的強(qiáng)制推力作用下，材料反向流淌到凹模圓角處的自由空間，使得r1也減小，材料流淌阻力進(jìn)一步加大，隨著壓環(huán)的接著向下運(yùn)動(dòng)，材料因難以流入內(nèi)側(cè)而將壓邊圈頂起，形成折疊（如圖10（a）所示）。而且由于材料不能徑向流淌以補(bǔ)充中間圓筒成形所需的金屬，從而最終導(dǎo)致拉裂。圖9不同形狀的壓環(huán)、壓邊圈a)壓環(huán)、壓邊圈為平面圓環(huán)b)壓環(huán)圓角、壓邊圈倒角c)壓環(huán)、壓邊圈圓角圖10不同形狀尺寸壓環(huán)、壓邊圈的模擬結(jié)果采納弧形壓環(huán)與倒角式壓邊圈時(shí)，盡管能始終保證材料由外壁流向內(nèi)壁圓筒，然而倒角使得壓邊圈與凸凹模間的間隙不均勻，形成一個(gè)自由的小三角形空腔，材料容易在此處彎曲甚至堆積（如圖10（b）及圖11所示），增大了材料的流淌阻力。在采納弧形壓環(huán)與壓邊圈時(shí)，由于弧形的約束，有效的保證了材料流淌的唯一性，即外壁材料流經(jīng)凸凹模的外、內(nèi)圓角，并在凸模的拉力作用下成形中間圓筒，而可不能產(chǎn)生折疊。模擬結(jié)果如圖10（c），能夠順利完成反向拉深工序，且內(nèi)側(cè)壁與初始板坯厚度相比，有較明顯的增厚。可見采納弧形壓環(huán)與壓邊圈能夠取得較好的效果。a)中間過程b)最后結(jié)果圖11采納壓環(huán)圓角、壓邊圈倒角的不足4.2.2壓環(huán)速度對(duì)壁厚的阻礙壓環(huán)速度與工件外壁最小厚度關(guān)系如圖12所示。工件最小厚度在凸模圓角與頂面相切處（如圖13），講明壓環(huán)使最小厚度位置發(fā)生了轉(zhuǎn)移，表明壓環(huán)能有效促進(jìn)材料由外壁向內(nèi)壁流淌。隨著壓環(huán)速度的增加，單位時(shí)刻金屬流入內(nèi)壁的體積增多，因此，最小厚度也單調(diào)增加，但增加也有一定極限。因?yàn)殡S著壓環(huán)速度的增加，為了防止起皺現(xiàn)象，所需要的壓邊力需相應(yīng)增加，這也增大了材料流淌的阻力，不利于最小厚度的增加。當(dāng)過于增大壓環(huán)速度，流淌阻力大于材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生拉裂現(xiàn)象。圖12壓環(huán)速度與工件最小厚度關(guān)系圖圖13最小厚度位置（間隙2.4mm，壓邊力300kN，壓環(huán)速度2991mm/s）壓環(huán)速度與工件內(nèi)壁圓筒的最大厚度關(guān)系如圖14所示。工件內(nèi)壁圓筒的最大厚度在內(nèi)壁下部靠近凸凹模的內(nèi)圓角處，隨著壓環(huán)速度的增加，工件內(nèi)壁圓筒的最大厚度同樣單調(diào)遞增。壓環(huán)的速度越大，單位時(shí)刻內(nèi)流向內(nèi)壁圓筒的材料越多，而凸模的運(yùn)動(dòng)速度一定，故工件內(nèi)壁圓筒的最大厚度越大。受工件成形性的限制，壓環(huán)速度存在一個(gè)極值，故工件內(nèi)壁圓筒的最大厚度也存在一個(gè)極大值。圖14壓環(huán)速度與工件內(nèi)壁圓筒最大厚度關(guān)系圖4.2.3凸模與凸凹模間隙對(duì)增厚程度及壁厚分布均勻性的阻礙從圖12和14可見，間隙為2.4mm所對(duì)應(yīng)的最小厚度曲線和最大厚度曲線分不位于最上方與最下方，而間隙為3.0mm所對(duì)應(yīng)的最小厚度曲線和最大厚度曲線位置相反，間隙2.6mm所對(duì)應(yīng)的曲線則居中。以上表明：間隙越大，壁厚分布越不均勻。這是因?yàn)?，?dāng)凸模與凸凹模間隙較大時(shí)，拉深表現(xiàn)為錐形拉深。而錐形件變形要緊集中在零件底部向錐面過渡的圓角附近（即凸模圓角處），變形不均勻性嚴(yán)峻。凸模與凸凹模間隙越大，則錐形件的小端直徑與大端直徑比值越小，拉深時(shí)板坯料中間部分（即凸模作用區(qū)域）的承載能力越小，變形不均勻加劇，導(dǎo)致最后零件壁厚分布越加不均勻。壓邊圈在防止起皺的同時(shí)，也限制了材料的流淌，使得金屬在壓邊圈和凸凹模間產(chǎn)生堆積，使工件此處產(chǎn)生增厚，壓邊力越大，對(duì)金屬的流淌阻力越大，增厚現(xiàn)象越明顯，壁厚分布也就越不均勻。隨著壓環(huán)的接著向下運(yùn)動(dòng)，外壁材料接著流向內(nèi)壁圓筒，差不多增厚的金屬在后面金屬的壓力和凸模產(chǎn)生的拉力下通過內(nèi)壁圓角，向上流淌，形成內(nèi)壁圓筒。凸模與凸凹模間隙越大，能流經(jīng)的增厚材料的厚度也越大。假如間隙小于一定值，則材料因堆積在在凸凹模的內(nèi)圓角處，使材料流淌阻力增大，導(dǎo)致工件被拉裂。因此，間隙越大，增厚程度越大。4.2.4成形載荷壓環(huán)速度與凸模載荷如圖15所示。凸模拉力和壓環(huán)推力促使材料向內(nèi)壁圓筒流淌。凸模與凸凹模間隙越小，對(duì)金屬流入內(nèi)壁的摩擦阻力也就越大。因此，在圖15所示的壓環(huán)速度與凸模載荷曲線中，a所對(duì)應(yīng)的曲線在最上方，c在最下方，b處在中間。壓環(huán)速度越大，單位時(shí)刻流向內(nèi)壁圓筒的材料越多，則對(duì)已流入金屬的推力也就越大；但同時(shí)增厚現(xiàn)象也越明顯，摩擦阻力也會(huì)越大。因此，推力與摩擦阻力的綜合作用，阻礙到成形載荷的大小。但由于開始時(shí)期推力的增大占主導(dǎo)地位，因此曲線會(huì)呈下降趨勢；但壓環(huán)速度增大到一定程度時(shí)，由于增厚使摩擦阻力的增大占主導(dǎo)，導(dǎo)致凸模載荷增加，表現(xiàn)出曲線開始呈現(xiàn)上升趨勢，故圖15的各條曲線會(huì)呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢。圖15壓環(huán)速度與凸模載荷關(guān)系圖5結(jié)論(1)壓環(huán)、壓邊圈的形狀尺寸阻礙反向拉深的結(jié)果，弧形結(jié)構(gòu)的壓環(huán)、壓邊圈，因材料流淌受到約束，反向拉深結(jié)果最好。(2)壓環(huán)能有效的促進(jìn)材料由外壁向內(nèi)壁流淌，并在內(nèi)壁圓筒下部產(chǎn)生增厚現(xiàn)象，壓環(huán)速度越高，下部的增厚現(xiàn)象越明顯，但隨著壓環(huán)速度的增大，所需的臨界壓邊力也越大，因此拉深增厚存在一個(gè)極值。(3)隨著壓環(huán)速度的增加，工件最小厚度單調(diào)遞增，但同拉深增厚一樣，最小厚度的增大也存在一個(gè)極值。(4)隨著壓環(huán)速度的增加，凸模最大載荷呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢。凸模與凸凹模間隙越小，凸模載荷越大。參考文獻(xiàn)[1]李雪松,陳軍,吳公明,王剛.汽車離合器襯套沖鍛復(fù)合工藝研究及其數(shù)值模擬[J].鍛壓裝備與制造技術(shù).2006,1:49-51[2]李建平,車路長.沖壓冷鍛成形工藝的模具設(shè)