臺階盒形件起皺和開裂改善

楊程，陳林，彭迎嬌，王瑞靜，謝曉東

應用技術

臺階盒形件起皺和開裂改善

楊程1，陳林1，彭迎嬌1，王瑞靜1，謝曉東2

（1.西安建筑科技大學 冶金工程學院，西安 710055；2.廣東合和建筑五金制品有限公司，廣東 佛山 528100）

改善臺階盒形件拉深成形時凸緣區起皺和圓角區開裂的缺陷。理論分析了起皺和開裂產生的原因，利用有限元模擬分析了壓邊力大小、凹模運行方式和板料形狀對臺階盒形件拉深成形的影響，采用實驗驗證了有限元模擬結果的準確性。長方形板料拉深成形時，4個角部相比直邊部位流動阻力更大，直邊部位材料過度向模具型腔內流動，造成凸緣區周向壓應力過大，進而引起起皺，當零件拉深深度較大時，圓角部位材料變形劇烈且材料流動不均勻，極易產生開裂；采用20 kN的壓邊力、梯形的凹模向下運行方式和類橢圓形板料的工藝參數可以控制材料流動，使板料變形均勻并改善凸緣區起皺和圓角區開裂缺陷。有限元模擬可為沖裁工藝參數的選取提供理論指導。

臺階盒形件；拉深；起皺；開裂；壓邊力；板料形狀

臺階盒形件廣泛應用于航空航天、建筑五金、家電廚衛等領域，目前臺階盒形件的生產方法主要是沖壓成形[1-2]。相比于其他拉深件，臺階盒形件結構復雜，拉深深度大，在發生塑性變形時，圓角部分和盒壁直邊部分的材料互相影響，板料處于多向應力狀態，容易產生凸緣起皺和圓角開裂的缺陷，該缺陷會對后續工序產生影響，進而影響零件的外觀質量。

針對盒形件拉深時產生的起皺和開裂缺陷，常用的辦法是優化壓邊力大小[3]、調整模具間隙[4]和改變模具與板料的摩擦因數[5]等，這些方案確實可以在一定程度上改善起皺和開裂缺陷，但是對于結構復雜且拉深深度較大的零件，優化這些參數的同時，還需要考慮其他因素?？讜匀A[6]提出了一種徑向分塊壓邊方法與上凹形狀曲面凹模結合的圓筒形件拉深成形工藝，研究表明，將徑向分塊壓邊方法與上凹形狀的曲面凹模結合，拉深成形極限明顯高于普通壓邊方法。Kitayama等[7-8]提出了一種同時優化分段變壓邊力軌跡和板料形狀的方法，并用數值模擬驗證了該方法是可行的。南海等[9]采用DEFORM模擬分析了板料變薄拉伸對430不銹鋼表面起皺的影響，研究表明，合適的變薄率對改善起皺有明顯的效果。李奇涵等[10]研究了5052鋁合金變壓邊力成形技術，為成形盒形件時壓邊力等工藝參數的制定提供了有效的參考方法。溫俊杰[11]研究了毛坯形狀及壓邊力對方盒形件拉深黏模行為的影響，研究表明，采用橢圓形毛坯進行成形可減少磨損。

針對文中拉深深度較大且結構復雜的臺階盒形件，分析了盒形件凸緣起皺和圓角開裂產生的原因，采用理論計算和有限元模擬分析，得出最優壓邊力大小，模擬驗證凹模向下運行的方式及板料形狀對臺階盒形件拉深成形的影響，獲得最優的工藝參數，經過實驗驗證，證實了方案的可行性，改善了臺階盒形件產品拉深時凸緣區的起皺和圓角區的開裂缺陷。

1 起皺和開裂產生的原因

臺階盒形件是用于建筑門窗鎖扣上的執手盒形件，屬于表面質量要求較高的外觀類零件，其基本尺寸見圖1a，材料為SPCC冷軋薄板，厚度為1 mm，一般采用長方形板料經過拉深+沖孔切邊+翻孔翻邊成形工藝獲得[1]。圖1b是經過首次拉深獲得的起皺工件圖，需再經過沖孔切邊+翻孔翻邊的工序，才可獲得圖1a所示的最終零件產品。此種盒形件拉深深度大、變形復雜且材料流動不均勻，極易在圓角區產生開裂缺陷，造成零件報廢，又易在凸緣長邊中部和短邊中部產生起皺缺陷，其位置如圖1b所示，該缺陷經過翻邊工序之后，會在側壁區形成皺紋，嚴重影響零件的外觀質量，若是起皺和開裂缺陷無法改善，換用鋁合金壓鑄工藝生產該種盒形件，會增加生產成本，因此有必要解決拉深時的起皺和開裂問題。

沖壓臺階盒形件時，采用無需落料工序的長方形板料可以節省成本，圖2為以恒定速度運行時采用長方形板料和凹模得到的板料輪廓線變化圖，初始輪廓為圖2中外框線所示的長方形，成形結束后，得到的最終輪廓線如圖2中內圈線框所示。觀察板料流動軌跡線，可以看到流動軌跡線位于初始板料輪廓線與成形之后零件輪廓線之間，呈發散狀，零件長邊和短邊中間部分的板料向模具型腔內流動距離較大，其中最大流動距離為17.798 mm，位于長邊中部，而4個邊角部分的板料向模具型腔內流動距離較小，最終形成中心朝內、兩邊朝外的“燕尾”形狀。

長方形板料拉深成形時，中間部分板料流入模具型腔內較多，而4個邊角部位的板料流入模具型腔內較少，中間部位的板料受到的切向壓應力較大，隨著拉深深度的增加，周向擠壓程度進一步惡化，最終產生凸緣起皺的質量缺陷。當臺階盒形拉深件的拉深深度較大時，材料在高臺圓角區變形劇烈且流動不均勻，圓角區材料受到的拉應力大于壓應力，當拉應力超過抗拉強度時，發生開裂。

圖2 拉深過程中板料輪廓線變化圖

2 改進措施

當壓邊力太小時，零件容易起皺；而壓邊力過大時，零件又易開裂，采用合適的壓邊力對成形非常重要。

由圖2分析可知，凹模以恒定速度運行時，凸緣直邊中部的材料過度流入模具型腔，而4個邊角部分的材料流入模具型腔相對較少，最終產生起皺缺陷。因此有必要通過改變凹模運行方式來控制材料的流動。

由圖2分析還可知，當初始板料為長方形時，會產生圖2中的“燕尾”，故初始板料的形狀對盒形件成形有一定的影響。初始板料形狀會產生2個問題：①在沖壓后期，長度和寬度方向的中間部位板料較少，而4個邊角處板料較多，四角流動阻力更大，造成中部過度流動而形成周向壓應力起皺；②沖壓出來的零件具有尖角，存在安全隱患，易造成割傷、劃傷等安全事故。因此有必要優化初始板料形狀，讓材料流動更均勻。為此，文中從優化壓邊力大小、凹模運行方式和坯料形狀3個方面來改善盒形件的起皺和開裂。

2.1 壓邊力對成形的影響

實際生產中，壓邊力根據既不發生起皺、又不發生開裂這一原則來確定。任意形狀零件的壓邊力計算見式（1）[12]。

式中：為理論壓邊力，N；為壓邊圈面積，mm2；為單位壓邊力，MPa。

在三維建模軟件中測得該盒形件壓邊圈的面積=8 809.130 8 mm2、鋼板厚度超過0.5 mm情況下，的取值為2～2.5 MPa。經理論計算得，壓邊力=17 618.261 6～22 022.827 N。為便于分析，零件各部位分區命名如圖3所示。

圖3 臺階盒形件各部位名稱示意圖

根據理論計算得到的壓邊力選取4組壓邊力值，模擬驗證理論壓邊力的可行性，表1為不同壓邊力作用下零件成形狀態的模擬結果，由表1和圖3可知，當壓邊力為18 kN時，在低臺平面區、低臺邊圓角區、圓角直壁區、短邊直壁區、根部圓角區、短邊凸緣區和長邊凸緣區均發生起皺，隨著壓邊力的增加，表面起皺區域減少，當壓邊力為20 kN時，表面起皺消失，成形狀態良好，隨著壓邊力繼續增加，有開裂風險的區域增多，當壓邊力增加到22 kN以上時，高臺圓角區和低臺圓角區均出現開裂。

表1 不同壓邊力下零件成形狀態

Tab.1 Forming state of parts under different blank holder forces

壓邊力過小時，材料流入模具型腔過多，導致出現起皺缺陷，隨著壓邊力增大，表面起皺減少，但壓邊力過大超過理論公式計算數值時，材料流入困難，會導致高臺圓角區出現開裂，在20 kN的壓邊力作用下，零件的成形效果最好。

2.2 凹模運行方式對成形的影響

采用凹模在上、凸模和壓邊圈在下的模具結構，分兩步沖壓成形：第1步，合模工序，壓邊圈在氣墊作用下向上頂起至高出凸模最高點一定距離，將板料放置在壓邊圈上固定，凹模在壓機滑塊的作用下向下運行至與板料貼合，此時，通過氣墊向壓邊圈施加20 kN的壓邊力，將壓邊圈與凹模之間的板料壓緊；第2步，拉深工序，壓邊圈、凹模和板料隨壓機滑塊向下運動，板料與凸模最高點接觸時，拉深開始，當凹模向下運動至與凸模曲面重合時，拉深結束，停止施加20 kN的壓邊力，凹模向上，取出制件，其流程如圖4所示。

圖4 板料拉深流程

臺階盒形件在拉深成形時，各個部位的拉深深度、受力狀態及材料向模具型腔內流入的速度和距離不一樣，恒定速度的凹模運行方式無法滿足這種復雜變形的需求[13]。本次凸凹模間距為34 mm，板料和壓邊圈隨凹模向下運行5 mm后，板料與凸模最高點接觸，此時，施加20 kN的壓邊力，拉深開始，拉深行程為29 mm，由于沖壓速度對成形效果的影響較小[14]，為加快模擬計算速度且不影響模擬結果，將凹模向下運行速度定為實際速度的1 000倍，取5 000 mm/s，采用了如圖5所示的7種常見凹模向下運行方式，分別為Λ形、V形、遞增形、遞減形、梯形、正弦形和余弦形，分析凹模向下運行方式對成形的影響。

根據圖5所示的7種不同凹模向下運行方式，保證其他工藝參數不變，進行數值模擬，采集模擬結果的厚度云圖，計算材料厚度變化率，當取零件拉深后的最小厚度計算時，可得到最大減薄率，當取零件拉深后的最大厚度計算時，可得到最大增厚率，最終得出7種凹模運行方式下的數據如表2所示。

表2 7種凹模運行方式下的實驗數據

Tab.2 Experimental data of seven movement modes of the die

式中：為厚度變化率；Δ為厚度變化量；0為初始板料厚度；1為拉深結束后板料厚度。

對比表2中7種不同凹模運行方式的模擬結果可以看出，在Λ形運行方式作用下，板料在2、3、6區有輕微開裂風險；在V形運行方式作用下，零件在2、3、6區減薄率達到較大值，在10、11、12區增厚率達到較大值，較大的減薄率會引起開裂，較大的增厚率則會引起起皺，因此，V形運行方式不理想；在遞增形運行方式作用下，零件在2、3區有輕微開裂，在10、11、12區起皺；在遞減形運行方式作用下，零件在2、3、6區有開裂，在10、11、12區有起皺；在梯形運行方式作用下，最大減薄率最小，且最大增厚率也最小，意味著此時材料在厚度方向上的變化值最小；在正弦形方式作用下，出現較大減薄率和最大增厚率，零件在2、3、6區出現開裂，在10、11、12區出現起皺；在余弦形方式下，出現最大減薄率和較大增厚率，材料起皺和開裂很明顯。相比于其他6種凹模運行方式，板料在梯形運行方式下，無開裂缺陷，且起皺發生在產品之外的凸緣處，表明梯形運行方式最有利于該零件的拉深成形。

2.3 板料形狀對成形的影響

由前面的分析可知，若采用長方形板料作為原始板料，零件最終成形后，會形成如圖2所示的“燕尾”狀。利用有限元軟件將拉深件展平生成初始板料形狀，得到初始板料基本尺寸為如圖6a所示的類橢圓形，長軸方向最大尺寸為158 mm，短軸方向最大尺寸為92 mm。

圖6 板料尺寸示意圖

在如圖3所示的12個區各選取3點，并求取3點的平均值作為各區參考點，分別用圖6所示的類橢圓板料和長方形板料進行數值模擬，凹模梯形向下拉深，得到各區的厚度、第1主應力和第2主應力變化值，繪制如圖7所示的3個數值的變化曲線。從圖7a可知，相比長方形板料，類橢圓板料在高臺平面區、高臺圓角區和高臺邊圓角區位置厚度減少較少，開裂風險較低，在凸緣圓角及凸緣區根部的圓角區、短邊凸緣區和長邊凸緣區厚度增加較少，起皺風險較低。由圖7b可知，類橢圓板料在各區各參考點的第1主應力均小于長方形板料對應參考點的第1主應力，但是在高臺平面區和低臺邊圓角區二者數值較接近且較小，是因為高臺平面區封閉的輪廓導致材料流動困難，此處材料變形困難，低臺邊圓角區材料流動困難。由圖7c可知，對比類橢圓板料和長方形板料第2主應力數值，發現類橢圓板料各區第2主應力的絕對值均比長方形板料各區第2主應力的絕對值小。

與長方形板料相比，類橢圓板料在高臺平面區、高臺圓角區和高臺邊圓角區材料成形后的厚度更大且第1主應力數值更小，更不易開裂，有利于拉深深度更大的零件，類橢圓板料在根部圓角區、短邊凸緣區和長邊凸緣區成形后的厚度更小且第1主應力數值較小，更不易起皺。最終確定的類橢圓形板料尺寸如圖6a所示，其長軸方向最大尺寸為158 mm，短軸方向最大尺寸為92 mm。

圖7 類橢圓板料與長方形板料各區參數變化

3 有限元分析

基于上述分析獲得的優化后的工藝參數，建立了如圖8所示的有限元模型，凹模與凸模間距為34 mm，凹模與壓料圈間距為5 mm，壓邊力選取20 kN，摩擦因數為0.125，間隙取1.1 mm，凹模梯形向下拉深，坯料尺寸如圖6a所示，進行有限元模擬分析。

圖9為采用優化后的工藝參數模擬獲得的零件成形極限圖，在高臺平面區、高臺圓角區、高臺邊圓角區、低臺平面區、低臺邊圓角區和低臺圓角區成形極限均在安全范圍內，圓角直壁區、長邊直壁區和短邊直壁區成形良好，板形平直，無起皺和開裂缺陷。短邊凸緣區和長邊凸緣區有輕微起皺，但板形平直，無大波浪狀起皺，后續經過修邊工序，可將凸緣區該處的輕微起皺切除。

圖8 有限元模型

圖9 優化后的成形極限圖

4 實驗驗證

采用上述優化分析得到的結果進行實驗驗證，采用圖10a所示的坯料得到如圖10b所示的拉深產品，凸緣外緣區和直壁區外形平直，凸緣表面光滑無起皺缺陷，圓角區無開裂缺陷，最終經過沖孔切邊+翻孔翻邊工序，可得到無缺陷的臺階盒形件產品，為制造出結構復雜、拉深深度大的沖壓件產品提供了參考方法。

圖10 拉深坯料和拉深件

5 結論

1）臺階盒形件采用長方形板料拉深成形時，四角相比直邊部位流動阻力更大，直邊部位材料的過度流動造成周向應力過大，從而引起起皺，影響后續成形；當臺階盒形拉深件的拉深深度較大時，材料在高臺圓角區變形劇烈且流動不均勻，圓角區材料受到的拉應力大于壓應力，當拉應力超過抗拉強度時，發生開裂。

2）選取20 kN壓邊力、梯形的凹模向下運行方式、長軸方向最大尺寸為158 mm和短軸方向最大尺寸為92 mm類橢圓板料進行沖裁實驗，可有效改善板料的流動均勻性，獲得表面無起皺和開裂缺陷的盒形件。

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Improvement of Wrinkling and Cracking for Stepped Box Parts

YANG Cheng1, CHEN Lin1, PENG Ying-jiao1, WANG Rui-jing1, XIE Xiao-dong2

(1. School of Metallurgical Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China; 2. Guangdong Hehe Construction Hardware Manufacturing Co., Ltd., Guangdong Foshan 528100, China)

The paper aims to improve the defects of wrinkle in flange area and cracking in fillet area during deep drawing of stepped box parts. The causes of wrinkling and cracking are analyzed theoretically. The effects of blank holder force, die movement mode and sheet shape on the deep drawing of stepped box parts are analyzed by finite element simulation. The accuracy of the finite element simulation results is verified by experiments. During the deep drawing of rectangular sheet metal, the flow resistance of the four corners is greater than that of the straight edge. The material at the straight edge flows excessively into the mold cavity, resulting in excessive circumferential compressive stress in the flange area and wrinkling. When the deep drawing depth of the part is large, the material at the fillet is deformed violently and the material flow is uneven, which can easily lead to cracking. The blank holder force of 20 kN, the trapezoidal speed movement mode of die and the process parameters of oval like sheet can control the material flow, make the sheet deformation uniform, and improve the wrinkling in the flange area and the cracking in the fillet area. Finite element simulation can provide theoretical guidance for the selection of blanking experimental parameters.

stepped box; deep drawing; wrinkling; cracking; blank holder force; blank shape

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.019

TG386

A

1674-6457(2022)06-0141-07

2021–09–29

國家自然科學基金（51874226）；西安市科技局科技創新引導項目（201805033YD11CG17）

楊程（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為先進成形技術與裝備。

責任編輯：蔣紅晨