數字模擬仿真助力拋物線拉深工裝設計

文/徐志強·四川明日宇航工業有限責任公司

拉深成形工藝早已廣泛運用于航空航天、汽車制造等行業，由于影響拉深成形的工藝因素很多，而且相互之間存在關聯作用，所以對于傳統的拉深工藝而言，拉深參數及模具設計多從經驗出發，經反復試模、修模才能確定。近年來，隨著數字化時代的到來，數值模擬軟件大量運用于鈑金成形中，通過計算機仿真，可以直觀地看到零件在成形過程中產生的變薄、破裂、起皺，從而不斷優化模具結構及工藝參數，使零件達到最優狀態。

本文先采用傳統工藝方法分析零件的成形工藝，然后采用板料成形模擬軟件Dynaform 的仿真模擬來預測零件成形時可能出現的缺陷和問題，調整和優化模具結構參數來消除這些缺陷，以節省模具研制周期，降低模具研制成本，減少試模和修模次數，快速交付合格零件，進而加快工裝和產品交付進度。

拉深成形工藝是指將一定形狀的平板或開口空心件通過拉深模具沖壓成各種開口空心件的加工工藝，常用于成形飛機、火箭上的各類盒形件、盆形件、氣瓶和壓力容器的端蓋等；汽車上的覆蓋件、輪轂等。

拋物線形零件的拉深是拉深成形中比較特殊的一種，在沖壓成形時，懸空的側壁變形區既有拉深變形，又有脹形變形，是一種復合變形。其應力應變分布比單一變形復雜，主要成形難點在于懸空側壁變形區的內皺和底部變薄拉裂。

本文將以某燃氣輪機匣上一整流罩薄壁拋物線形零件為例，用傳統工藝計算方法與Dynaform 的仿真模擬相結合，確認最佳狀態時的工裝結構及成形工藝參數。

工藝分析

產品結構分析

該產品為整流罩壁，材料為1Cr18Ni9Ti-δ1.5，具體尺寸及形狀如圖1、圖2 所示，零件為典型的拋物線形旋轉體結構，要求面輪廓度0.5mm，材料局部可減薄至0.8mm。零件成形難點在于：①零件深度為220.8mm，最大直徑為φ374mm，相對高度較大，需判斷零件的拉深次數，確認工裝數量及結構；②避免成形過程中出現起皺、減薄現象，滿足面輪廓度0.5mm 及材料減薄要求。

材料特性

1Cr18Ni9Ti 是鉻-鎳奧氏體不銹鋼，該鋼具有良好的塑性和韌性以及沖壓性能。具體力學性能見表1。

圖1 整流罩壁零件圖

圖2 整流罩壁三維結構圖

表1 1Cr18Ni9Ti 板材的力學性能

零件拉深次數的確定

零件拉深系數為拉深零件拉深后直徑與拉深前坯料的比值為m=d/D。經測量，零件最終狀態表面積為0.293m2，可得出坯料直徑為610mm。1Cr18Ni9Ti的直筒拉深系數為0.52 ～0.55，該拋物線形拉深件拉深系數0.613 ＞0.55，一次成形經數字仿真模擬，均出現零件壁厚減薄無法滿足設計要求，這里極限拉深系數只能作為參考。

對于拋物線形零件的拉深，相對高度（h/d）也是一個判定零件拉深次數的重要參數。該整流罩壁成形高度為240mm（加上零件余量），直徑為φ374mm，相對高度為0.64，大于0.6，屬于深拋物線形件；且材料的相對厚度t/D×100=1.5/610×100=0.246，t/D 值相當小，因此需要多次拉深。

一次拉深的 Dynaform 仿真模擬

在傳統計算方法產生分歧的情況下，采用Dynaform 仿真軟件模擬該零件一次拉深的情況。模擬中選用材料321（1Cr18Ni9Ti 的美國牌號），坯料直徑為610mm。

從圖3 模擬結果中可以看出，在66.7t 壓邊力下的一次拉深，零件側壁起皺現象嚴重，無法滿足圖紙上面輪廓度0.5mm 的要求。拉深零件出現腰部起皺現象，是徑向拉應力不足造成，可以采用增加壓邊力或者增加壓邊力結構的方法進行調整。

圖3 66.7t 一次拉深的模擬結果

從圖4 結果可以看出，當壓邊力逐步增大至100t時，零件側壁無起皺現象，但零件最薄處為0.767mm，低于0.8mm，不能滿足圖紙要求；而增加壓延梗時，零件在拉深過程中破裂。綜上可知，該整流罩壁在一次拉深的情況下，起皺和破裂的風險極高。應采用至少兩次拉深的方式成形。

圖4 增大壓邊力后的模擬結果

兩次拉深的仿真模擬

兩次拉深時，先拉直筒，再將直筒拉深成拋物線形。零件多次拉深時，后道工序的拉深系數不得小于普通筒形件相應道數的許用拉深系數，材料1Cr18Ni9Ti 的第二次拉深極限拉深系數為0.78，由此可以計算出第一次拉深出筒形件的極限直徑值。考慮到零件第二次拉深需要一定的壓邊面積，若第一次拉深直徑過小，會導致第二次拉深時壓邊面積不足，材料流動過快，可能會導致零件起皺，這里我們取d1值為460mm。

在多次拉深時，根據經驗，在工序設計時通常第一次拉入凹模材料比最后一次拉入所需材料增加3%～5%（按面積計算）。第一次拉深時的坯料面積應為0.293×1.05=0.308m2，由此可得坯料直徑D0為630mm，第一次拉深系數m1=d1/D0=0.73，大于第一次拉深的極限拉深系數。

拉深模的凹模與凸模的圓角半徑，都是工藝上的重要參數。凸模半徑小可能會導致板料破裂，太大會產生內皺；凹模圓角半徑大，則材料拉入凹模時阻力減小，但如果凹模圓角取得過大，則有更多材料未被壓料圈壓住，因而容易起皺。

⑴第一次拉深直筒形狀。由面積、直徑、凹凸模半徑可確定第一次拉深直筒形狀如圖5、圖6 所示。

圖5 第一次拉深直筒尺寸

圖6 直筒拉深模擬結果

由圖6 的模擬結果可以看出，在58.8t 的壓力下，零件周邊并無起皺現象，且零件最薄處為1.41mm，減薄0.09mm，該模擬結果可以直接用于第二次拉深仿真。

⑵第二次直筒拉深仿真模擬。由第一次拉深結果作為毛坯，采用正拉深法對零件進行第二次拉深仿真模擬。理論壓邊力F=0.168m2×3.68MPa=62t。

由圖7 發現，零件在62t 壓邊力的情況下，零件側壁有起皺現象，通過逐步加大壓邊力來改善這一現象。當壓邊力增大至100t時，零件拉深整過程無起皺現象，模擬結果零件最薄處為0.93mm，輪廓度和減薄都能滿足設計圖紙要求，如圖8 所示。

圖7 62t 時的模擬結果

模具設計

第一次拉深模具設計

由圖5 直筒尺寸可知，直筒直徑尺寸為460mm，而公司機床頂桿分布的最大直徑為500mm，因此將凸模做成蘑菇形，模具示意圖如圖9 所示。

為節約模具材料成本及加工成本，將凸模、凹模、壓邊圈分塊制造，再用銷釘定位、螺釘連接，其中與坯料接觸的部分：凸模、凹模、壓邊圈采用強度較高的Cr12MoV，其余材料皆采用價格較低的45 鋼制造。

第二次拉深模具設計

第二次拉深模具如圖10 所示，其中凸模、凹模、壓邊圈采用材料Cr12MoV，其余部位用45 鋼制造。

圖9 第一套整流罩壁拉深模具

圖10 第二套整流罩壁拉深模具

結束語

通過比較模擬分析結果和實際生產，不難發現，計算方法和Dynaform 為我們產品工藝分析、模具設計以及成形工藝參數的確認提供了很好的參考。通過提前對問題的預知，能夠降低模具開發成本，減少試模次數，縮短產品的研制周期，提高顧客滿意度。發現，模具設考。通本，減客滿意