304不銹鋼盒形件充液拉深成形數(shù)值模擬研究

文/張秋婉，李琳，陳忠家，佟坤·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

304不銹鋼盒形件充液拉深成形數(shù)值模擬研究

文/張秋婉，李琳，陳忠家，佟坤·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

張秋婉，主要從事塑性成形工藝及數(shù)值模擬、沖壓速度對板材組織與性能的影響研究。

板材拉深件在電子、汽車、儀表和機(jī)械等方面都有著廣泛的應(yīng)用，而盒形件是金屬薄板拉深成形中較為典型的沖壓件，如實際生產(chǎn)中的電池盒、汽車反光鏡和汽車油箱等都為盒形件。盒形件是非回轉(zhuǎn)對稱成形的零件，由于盒形件形狀的非軸對稱性和自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，決定了盒形件成形時材料的變形較為復(fù)雜，因此研究這類件的成形規(guī)律，不僅為這類件成形工藝參數(shù)和工藝步驟的制定提供了理論和實驗依據(jù)，同時也為其他復(fù)雜曲型件成形規(guī)律的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

另外一方面，充液拉深作為一種全新的軟模成形方法，可簡化模具結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本和提高零件成形質(zhì)量，得到世界沖壓行業(yè)的高度認(rèn)可和廣泛關(guān)注。并且，隨著計算機(jī)和有限元仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展，金屬材料的沖壓成形得到極大的推動，板材充液拉深研究的一個新的標(biāo)志就是有限元方法的引入。因此，本文介紹了采用充液拉深技術(shù)對盒形件進(jìn)行拉深成形的方法，并采用有限元軟件對盒形件充液拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。本文所述項目由國家自然科學(xué)基金重點資助（項目編號51135004)。

盒形件拉深成形工藝分析及工藝參數(shù)設(shè)計

盒形件拉深工藝分析

盒形件是典型的非回轉(zhuǎn)對稱拉深制件，由于盒形件形狀的非軸對稱性和自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，決定了盒形件成形時材料的變形較為復(fù)雜，盒形件的拉深過程中表現(xiàn)為應(yīng)力、應(yīng)變分布不均勻、變形分布不均勻和材料流動速度不均勻，正是成形過程的不均勻性導(dǎo)致了盒形件的成形難度較大。根據(jù)盒形件的幾何特點，通常盒形零件可以看做是2個長度分別為A－2r和B－2r的直邊部分及4個半徑均為r的圓角（1/4圓柱面）部分，如圖1所示。為了方便研究，一般把圓角區(qū)按拉深變形，直邊區(qū)按簡單的彎曲變形處理，但實際上圓角區(qū)和直邊區(qū)互相牽制和影響，是一個有機(jī)的整體，故不能簡單地將盒形件零件的拉深變形理解為單純的直角區(qū)彎曲變形和圓角部分的拉深變形。目前，盒形件拉深成形的研究手段主要是以實驗及有限元模擬結(jié)合為主。

圖1 盒形件結(jié)構(gòu)特征

盒形件拉深毛坯確定

本文研究的盒形件長邊A=80mm，短邊B=50mm，盒形件的高度H=30mm，盒形件兩直邊的圓角半徑r=16mm，凸模圓角半徑rp=10mm，凹模圓角半徑rd=10mm。為了得到成形質(zhì)量良好的盒形件，盒形件拉深凹模必須具有一定圓角半徑以減少成形缺陷的產(chǎn)生，因此本文研究中先拉深得到帶有凸緣的盒形件，拉深完成后再將工件的凸緣予以切除。確定盒形件拉深時毛坯形狀和尺寸的原則是在保證零件質(zhì)量的前提下，盡可能地節(jié)約原材料，并提高成形極限。根據(jù)盒形件的幾何特征，本文盒形件的拉深毛坯采用長圓形坯料，長圓形毛坯的特征如圖2所示。由圖可知，長圓形毛坯是由兩個半圓弧和中間兩平行邊所組成的。根據(jù)沖壓手冊相關(guān)計算公式，計算可得長圓形毛坯的圓弧直徑R0=49mm，長度L=128mm，由此確定長圓形毛坯的形狀和尺寸。

圖2 長圓形毛坯示意圖

盒形件拉深壓邊力和充液壓力確定

由于盒形件在拉深成形過程中，變形沿周向分布極為不均勻，各個變形區(qū)板坯厚度、應(yīng)力和應(yīng)變大小以及起皺趨勢都存在較大差異，為了改善拉深成形中壓邊圈與板料的接觸情況，更有效地控制材料流動，從而得到更為合理的壓邊力和成形效果，國內(nèi)外研究人員提出了分塊壓邊的壓邊力控制方法。因此，本文采用放射性分區(qū)壓邊圈，分區(qū)角度分別為70°、110°、70°和110°，其中盒形件長邊對應(yīng)70°壓邊，盒形件短邊對應(yīng)110°壓邊，放射性分區(qū)壓邊圈的具體特征如圖3所示。

在盒形件的充液拉深過程中，為得到成形質(zhì)量較好的零件，必須選擇合適的壓邊力組合，如果壓邊力過大，會使得拉深力增大，導(dǎo)致制件在拉深過程中發(fā)生破裂，而壓邊力過小，則會使工件的內(nèi)壁和凸緣發(fā)生起皺缺陷。根據(jù)沖壓手冊相關(guān)公式計算可得，長邊的壓邊力可在16～28kN之間取值，短邊的壓邊力可在25～38kN之間取值，本文數(shù)值模擬研究長邊壓邊力選為24kN，短邊壓邊力選為34kN。根據(jù)課題組已有的研究，本文數(shù)值模擬充液壓力選為3MPa。

圖3 放射性分區(qū)壓邊圈示意圖

盒形件充液拉深數(shù)值模擬

本文采用UG軟件對盒形件進(jìn)行三維建模，分別建立凸模、壓邊圈、板料、凹模的CAD模型，然后將igs格式的文件導(dǎo)入到Dynaform5.7中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全部單元均采用殼單元，板坯劃分為2mm×2mm的四邊形網(wǎng)格單元，并利用LS-DYNA求解器對盒形件充液拉深成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，因盒形件為對稱圖形，因此在建立有限元模型時僅取了1/4工件，以提高模擬分析效率。實驗時選擇304不銹鋼作為模擬材料，選用BT殼單元模型及18號材料模型，充液拉深深度為30mm，凸模與板材摩擦系數(shù)設(shè)為0.17，板料與壓邊圈間由于有一定液體潤滑作用，二者之間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.12，壓邊圈與凹模與板料摩擦系數(shù)設(shè)為0.05（充液拉深過程中，液體在板料與凹模之間產(chǎn)生了流體潤滑作用，使凹模圓角處板料和凹模圓角的摩擦有效降低，故摩擦系數(shù)設(shè)置低點，與實際充液拉深工況保持一致）。

為了在Dynaform5.7軟件中實現(xiàn)盒形件的充液拉深，需要進(jìn)行如下設(shè)置：在Dynaform5.7軟件的“Sheet forming”對話框中選擇“Process”選項卡，然后單擊“drawing”工序，并選擇“Hydro”復(fù)選框，在“Hydro mesh”下拉列表中選擇“Below”選項，該選項表示液體壓力將作用在毛坯下面，采用的是被動式板料液壓脹形方式進(jìn)行模擬。最終建立的盒形件充液拉深有限元模型如圖4所示，在Dynaform5.7軟件中對盒形件的充液拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬，最終所獲得拉深制件如圖5所示，由圖可知充液拉深所獲得盒形件的成形質(zhì)量較好，無起皺和拉裂現(xiàn)象。

圖4 盒形件充液拉深有限元模型

圖5 充液拉深模擬結(jié)果

結(jié)束語

盒形件是典型的沖壓件，本文通過分區(qū)壓邊設(shè)計和充液拉深技術(shù)，成形出質(zhì)量較好盒形件，為該類零件的拉深成形工藝設(shè)計提供一定參考。另外一方面，根據(jù)沖壓零件不同階段的變形特點，采用變化的成形速度模式，通過控制板料流動和應(yīng)變速率的大小，改變變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，可以提高板料的成形性能和減少拉裂起皺等缺陷。因此，在后續(xù)的研究工作中，可以考慮變速沖壓對盒形件充液拉深成形質(zhì)量的影響。