帶凸緣筒形件的拉深工藝數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)

王仙萌

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710089）

0 引言

帶凸緣筒形件和無凸緣筒形件的拉深變形過程相同，但帶凸緣筒形件拉深時(shí)凸緣材料沒有完全轉(zhuǎn)移到筒壁，因而其拉深工藝計(jì)算方法與無凸緣筒形件有一定差別。凸緣根據(jù)尺寸大小分為寬凸緣（凸緣直徑df/筒形直徑d＞1.4）和窄凸緣（df/d=1.1～1.4）兩種類型[1]。寬凸緣筒形件拉深在沖壓生產(chǎn)工藝中被認(rèn)為是一大難點(diǎn)，由于拉深過程中主要變形區(qū)凸緣區(qū)域的材料受到徑向拉應(yīng)力和切向壓應(yīng)力的共同作用，金屬流動(dòng)不均勻，工件口部易起皺，嚴(yán)重影響沖壓件質(zhì)量。處于筒壁與筒底的過渡變形區(qū)域，材料嚴(yán)重變薄，產(chǎn)生拉裂甚至“ 掉底”現(xiàn)象。因此采用合理的模具結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的工藝參數(shù)成為拉深成形的關(guān)鍵[2-3]。

1 拉深工藝分析

如圖1 所示零件，材料08 鋼，厚度t=1.5mm。因df/d＞1.4（df=50mm，d=16.5mm），屬于寬凸緣筒形件，經(jīng)過計(jì)算，毛坯直徑D=54mm，毛坯相對(duì)厚度t/D=1.5/54×100=2.7，從而判斷零件可一次拉深成形。工件底部和口部的圓角半徑均為R=1.5mm，偏小，故應(yīng)在拉深成形后，另加一道整形工序確保零件尺寸精度。

圖1 零件圖

2 有限元模型建立及參數(shù)設(shè)定

由于研究對(duì)象是軸對(duì)稱的圓筒形拉深件，故采用Deform-2D 軟件進(jìn)行拉深成形模擬分析[4]，為提高計(jì)算效率，采用1/2 的簡化模擬模型，如圖2 所示。建模時(shí)把凸模、凹模和壓邊圈設(shè)置為剛性模型，坯料設(shè)置為塑性，并劃分7000 個(gè)網(wǎng)格，凸模下行速度為5mm/s。假設(shè)不考慮成形過程中的溫度效應(yīng)，潤滑良好，凸模與板料的剪切摩擦系數(shù)為0.12，壓邊圈與板料間的庫侖摩擦系數(shù)為0.08。

圖2 拉深模擬模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 材料減薄率分析

圖3 所示為零件成形結(jié)束后厚度示意圖。可以看出，成形過程中，凸緣位置零件的厚度幾乎不變，零件厚度變化最劇烈的區(qū)域位于筒壁傳力區(qū)和底部圓角區(qū)之間的過渡區(qū)域，經(jīng)測量，該區(qū)域板料的厚度由1.5mm 減少到1.14mm，板料壁厚最大減薄率達(dá)24%。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，材料減薄率不超過30%是安全可行的。在板料成形過程中，凸模的圓角半徑對(duì)材料流動(dòng)有著重要影響，為進(jìn)一步分析板料減薄率影響因素，在其他參數(shù)保持不變的條件下，研究不同凸模圓角半徑條件下材料的最大減薄率，如圖4 所示。

從圖4 可以得出，零件拉深成形過程中，隨著凸模圓角半徑的增加，材料最大減薄率不斷下降。凸模圓角半徑越小，材料的減薄率越高，這是因?yàn)檩^小的凸模圓角半徑不利于筒形內(nèi)部材料的流動(dòng)，在凸模底部的材料流入凹模過程中，由于板料與模具之間的摩擦以及凸模底部材料的彎曲應(yīng)力增加，將使該區(qū)域的變形阻力增大，凸緣位置材料流動(dòng)困難，在筒壁區(qū)域材料的減薄率就越高。因此較大的圓角半徑將有利于材料的流動(dòng)，有利于減小材料的減薄。

圖3 零件成形后模型

圖4 凸模圓角半徑與材料減薄率關(guān)系圖

3.2 壓邊力分析

拉深成形過程中，壓邊力變化趨勢(shì)和拉深力變化趨勢(shì)基本相同。從拉深開始階段到筒壁直壁出現(xiàn)階段，壓邊力迅速增加，主要因?yàn)椴牧献冃屋^為劇烈，凸緣部分材料較為容易發(fā)生起皺，所需較大的壓邊力壓緊板料，防止材料發(fā)生起皺。在后續(xù)階段，凸緣位置材料變形量較小，所需壓邊力較小，此時(shí)，如果壓邊力不當(dāng)，選用較大的壓邊力，將阻礙凸緣位置材料流入凹模型腔，造成直壁部位和底部圓角過渡區(qū)域材料發(fā)生破裂。本例壓邊力按計(jì)算結(jié)果FY=7.2kN 設(shè)定時(shí)，工件未出現(xiàn)起皺和拉裂現(xiàn)象，通常認(rèn)為設(shè)定的壓邊力值合理。但從上述模擬結(jié)果得出，材料的最大減薄率為34%，生產(chǎn)中工件拉破的可能性較大。故采用逐漸減小壓邊力的方法多次模擬，直到出現(xiàn)起皺為止。當(dāng)壓邊力為3.2kN 時(shí)，壓邊圈起不到壓邊作用，拉深成形過程中出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。取凹模圓角半徑rd=4mm，模擬壓邊力分別為7.2kN、6kN、5.5kN、4.8kN、4kN 時(shí)工件的最小壁厚，如圖5 所示。

從圖5 可以得出，隨著壓邊力的不斷增大，工件的最小厚度不斷減小，材料的減薄程度趨于嚴(yán)重，其厚度由1.275mm 逐漸減少到1.125mm。這是因?yàn)閴哼吜^大時(shí)，模具與板料之間的摩擦阻力大，不利于凸緣的材料向凸、凹模間隙轉(zhuǎn)移，從而工件出現(xiàn)壁厚減薄現(xiàn)象。

通過對(duì)拉深工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最佳優(yōu)化方案（模具速度5mm/s，壓邊力4kN，凸模圓角半4.5mm，凹模圓角4mm），利用Dynaform 軟件對(duì)寬凸緣筒形件進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，得到FLD 如圖6所示。

圖5 壓邊力與工件最小壁厚關(guān)系圖

圖6 工件成形極限圖

可以發(fā)現(xiàn)板料在安全區(qū)成形，工件的凸緣區(qū)板料、底部和筒部均勻變形，沒有出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域，可以得到合格產(chǎn)品。

4 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

該工件通過落料拉深復(fù)合模沖壓成形[5]，模具結(jié)構(gòu)如圖7 所示，采用中間導(dǎo)柱標(biāo)準(zhǔn)模架[6-7]。模具工作過程如下：模具工作時(shí)，條料沿著導(dǎo)料銷8 從前向后送料，擋料銷27 進(jìn)行限位，上模部分向下運(yùn)動(dòng)，凸凹模7 的外緣部分和落料凹模20 實(shí)現(xiàn)落料，上模繼續(xù)下行，進(jìn)入落料凹模20 的深度2.5mm 后，工件在凸凹模7 和拉深凹模20 以及壓邊圈10 的共同作用下實(shí)現(xiàn)拉深成形。拉深結(jié)束后，上模部分上行，工件由打桿1 從凸凹模7 中推出，沖裁搭邊由彈性卸料板21 實(shí)現(xiàn)與凸凹模7 的分離。

圖7 模具裝配圖

5 結(jié)論

（1）利用Deform軟件進(jìn)行拉深成形模擬，優(yōu)化模具工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，避免了成形缺陷，減少生產(chǎn)中實(shí)際試模次數(shù)，降低成本，提高生產(chǎn)效率； 利用Dynaform軟件得到工件FLD圖形，獲得合格工件。

（2）在其他參數(shù)保持不變的條件下，凸模圓角半徑rp=4.5mm時(shí)，材料的減薄率（24%）最小，在實(shí)際生產(chǎn)中是可行的。

（3）拉深件不起皺的前提下，采用較小的壓邊力可以使材料減薄程度較小，保證了工件的質(zhì)量。

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