徑向分塊雙壓邊圈軸對稱拉深成形工藝研究

秦泗吉 黃曉忠 王 婧

1.燕山大學,秦皇島,066004 2.北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點實驗室,北京,100088 3.上海交通大學,上海,200030 4.杭州師范大學,杭州,310036

0 引言

在拉深過程中,法蘭區上變形質點的厚度是不斷變化的,傳統的整體壓邊方法只能保證壓邊圈與板料最厚的部分變形質點接觸。顯然,整體壓邊方法的壓邊效果是不理想的。為了改善板料法蘭變形區與壓邊圈的接觸狀況,得到更為合理的壓邊力和更優的成形效果,國內外科研工作者提出了分塊壓邊、多點位壓邊等壓邊力控制方法。

Siegert等[1-2]提出了分塊壓邊概念并討論了帶有分塊壓邊圈的拉深成形裝置。文獻[3-4]對分塊式壓邊圈進行了研究,并驗證了它對盒形件拉深成形的效果。Hassan等[5]將壓邊圈設計成兩層,下層固定不動,上層分成4塊,上下層之間的接觸面為斜面。上層的壓邊圈沿徑向移動時,可以改變壓邊力的大小。Gavas等[6]用盤狀的一圈圈的彈簧替代平整的壓邊圈實施壓邊。這種方法在控制變形金屬的流動等方面優于普通的壓邊方法。近年來,國內也有許多研究人員對分塊壓邊方法或多點位壓邊方法進行了研究[7-9]。

文獻分析表明,傳統的分塊壓邊方法是針對非軸對稱零件(如盒形件)的拉深成形而提出的。這一方法是將壓邊圈沿周向分成若干塊,對法蘭變形區的各個部分分別壓邊。它解決了因法蘭變形區板料厚度沿周向分布不均而不能實施有效壓邊的問題。對于軸對稱零件的成形,顯然,周向壓邊方法不能解決對徑向不同變形質點分別壓邊的問題。即使是對非軸對稱零件(如盒形件)的成形,在法蘭變形區的圓角區,板坯厚度沿徑向(指向凹模口方向)是變化最顯著的,而這一區域則是起皺趨勢最明顯的部分,周向分塊壓邊方法不能沿徑向對不同的變形質點分別壓邊。因此,在拉深成形過程中,如能沿徑向分別設置壓邊圈,則對獲得更好壓邊效果更有實際意義。

1 徑向分塊雙壓邊圈壓邊方法

在軸對稱件拉深成形中,法蘭變形區板坯的厚度變化使得整體壓邊圈只能對法蘭變形區的外緣局部金屬實施壓邊,外緣以內的金屬所受壓邊力很小。整體壓邊方法施加壓邊力的主要目的是為了增大摩擦力,從而增大徑向拉應力,減小周向壓應力,達到抑制起皺的目標。

當摩擦因數較小時,為了防止起皺需要很大的壓邊力。增大壓邊力使得工藝實現困難,也會加大成形制件和模具表面的磨損,增大制件的破裂趨勢。

如圖1所示,將壓邊圈沿徑向分為互不干涉的外圈和內圈,并且將外壓邊圈和內壓邊圈產生的壓邊力同時作用于法蘭變形區。這樣可獲得對法蘭變形區板坯的更優壓邊效果。

采用徑向分塊的雙壓邊圈壓邊時,沿半徑方向在兩個不同位置對變形板坯施加壓邊力,相當于增加了約束。與普通壓邊方法相比,雙壓邊圈作用下的環形板坯區域的金屬更不易失穩。采用徑向分塊壓邊方法,有可能只需較小的壓邊力就能達到采用普通壓邊方法的壓邊效果。

下面以筒形件拉深成形為例,用有限元分析與實驗研究相結合的方法,對拉深成形過程中的普通壓邊方法和采用徑向分塊的雙壓邊圈壓邊方法的壓邊效果進行分析。

圖1 雙壓邊圈作用下的軸對稱件拉深成形

2 筒形件拉深成形過程有限元模擬

2.1 幾何參數、材料性能參數及壓邊力的選取

有限元模擬所采用的幾何參數、材料性能參數分別見表1、表2。凸模與板料間的靜摩擦因數為0.15,凹模與板料、壓邊圈與板料之間的動摩擦因數均設為0.12。

表1 有限元模擬所用模具及板坯的幾何參數 mm

表2 材料性能參數

2.2 模擬結果分析

改變內外壓邊圈壓邊力大小的分配,在總壓邊力不變的情況下,模擬軸對稱件雙壓邊圈拉深成形過程,并將其與普通壓邊方法進行對照。總壓邊力取6kN,拉深過程中壓邊力隨行程不變。內壓邊圈直徑為156mm。

法蘭變形區的外側金屬更容易起皺,故外壓邊圈應施加較大的壓邊力。在用有限元模擬時,外壓邊圈的壓邊力Q1和內壓邊圈的壓邊力Q2之比分別取1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3等,模擬雙壓邊圈的壓邊效果。模擬結果表明,軸對稱件的拉深成形中,拉深凸模行程為30mm時,內外壓邊力之比在1∶2～1∶3區間內,雙壓邊圈壓邊效果都優于普通壓邊方法。

圖2a所示為采用徑向分塊的雙壓邊圈壓邊的筒形件拉深成形的法蘭起皺情況,皺紋最大幅值(起皺后與凹模接觸的板坯表面至凹模面的最大距離)為0.145mm,圖2b所示為采用整體壓邊圈壓邊的筒形件拉深成形的法蘭起皺情況,皺紋最大幅值為1.060mm。

圖2 兩種壓邊方法的法蘭起皺情況

從圖2可以看出,在其他條件相同的情況下,采用普通的整體壓邊圈壓邊,起皺非常明顯,而采用雙壓邊圈壓邊,法蘭起皺不明顯。

改變內外壓邊圈的壓邊力分配可以改變筒形件雙壓邊圈拉深成形的效果。內外壓邊圈壓邊力的合理分配值與很多因素有關,這方面還需做更多深入細致的研究工作。

3 實驗研究

采用實驗的方法,在總壓邊力相同的情況下,分析比較雙壓邊圈和整體壓邊圈作用下圓筒形件拉深成形的壓邊效果。

實驗是在YA32-315型雙動液壓機上進行的。雙壓邊圈拉深實驗模具結構如圖3所示。實驗壓邊裝置由內外兩個相互獨立的壓邊圈組成,這兩個壓邊圈在垂直方向可以相對運動,可以在板料法蘭變形區的兩個位置上分別施加壓邊力,從而實現拉深過程中的雙力壓邊。

圖4所示為拉深實驗模具中的雙壓邊圈部分。內壓邊圈2和外壓邊圈3分別由聚氨酯橡膠棒4支撐于下壓邊圈上。內外壓邊力的比值等于內外壓邊圈下橡膠棒的個數比,可以通過調整內外壓邊圈下面的橡膠棒個數改變內外壓邊力之比。

實驗材料選用08Al,板坯幾何參數和性能參數分別見表1、表2。

圖5所示分別為雙壓邊圈(左)和整體壓邊圈(右)作用下獲得的拉深制件的法蘭起皺情況。兩種壓邊條件下的總壓邊力都為6kN,拉深高度均為30mm(拉深后法蘭凸緣直徑約為198mm)。采用雙壓邊圈壓邊時,內外壓邊力之比為1∶3。在其他條件相同的情況下,整體壓邊圈壓邊條件下的拉深制件法蘭部分起皺非常明顯,雙壓邊圈壓邊條件下的拉深制件法蘭部分的皺紋幅值則很小。實驗結果和有限元模擬結果都表明,雙壓邊圈壓邊效果優于整體壓邊圈的壓邊效果。

圖3 雙壓邊圈拉深模具結構

圖4 雙壓邊圈拉深實驗模具

圖5 法蘭起皺情況比較(總壓邊力為6kN)

為了進一步驗證雙壓邊圈壓邊的有效性,還初步進行了成形極限的拉深實驗。圖6中,采用雙壓邊圈拉深得到的法蘭制件(左)未出現破裂,毛坯的外徑為230mm,拉深深度為45mm,法蘭外徑約為198mm,總壓邊力為9kN,內外壓邊力比值為1∶3;采用整體壓邊圈拉深得到的法蘭制件(右)與凸模圓角接觸部分已破裂,總壓邊力11kN(經驗證該值是不起皺的最小壓邊力),毛坯直徑為220mm,拉深深度為38mm,拉深后法蘭直徑約為195mm。雙壓邊圈拉深的變形程度大于整體壓邊方法拉深的變形程度(45/230＞38/220),比較二者的拉深系數,前者為0.443,后者為0.464,即采用徑向分塊的雙壓邊圈壓邊,能得到更大的極限變形。

圖6 兩種壓邊條件的成形極限對照

因影響成形極限的因素很多,這方面還需要作進一步深入的研究。

4 結論

(1)提出了雙壓邊圈徑向分塊壓邊方法,分別對雙壓邊圈和整體壓邊圈作用下的拉深成形過程進行了分析。

(2)對筒形件在整體壓邊和雙壓邊圈壓邊條件下的拉深過程進行了有限元模擬。在毛坯尺寸、總壓邊力和拉深深度等相同的情況下,分析比較了不同壓邊條件下的法蘭區變形金屬皺曲情況。結果表明,雙壓邊圈壓邊效果優于整體壓邊效果。

(3)在總壓邊力相同的情況下,對雙壓邊圈壓邊和整體壓邊圈壓邊的筒形件拉深成形進行了實驗研究,實驗結果與理論分析及有限元模擬結果一致。

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