王仙萌

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院，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凸緣材料沒有完全轉(zhuǎn)移到筒壁，因而其拉深工藝計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)工藝中被認為是一大難點，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力和切向壓應力的共同作用，金屬流動不均勻，工件口部易起皺，嚴重影響沖壓件質(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)過計算，毛坯直徑D=54mm，毛坯相對厚度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)設定

由于研究對象是軸對稱的圓筒形拉深件，故采用Deform-2D 軟件進行拉深成形模擬分析[4]，為提高計算效率，采用1/2 的簡化模擬模型，如圖2 所示。建模時把凸模、凹模和壓邊圈設置為剛性模型，坯料設置為塑性，并劃分7000 個網(wǎng)格，凸模下行速度為5mm/s。假設不考慮成形過程中的溫度效應，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?？梢钥闯?，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24%。根據(jù)實踐經(jīng)驗，材料減薄率不超過30%是安全可行的。在板料成形過程中，凸模的圓角半徑對材料流動有著重要影響，為進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，這是因為較小的凸模圓角半徑不利于筒形內(nèi)部材料的流動，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力增加，將使該區(qū)域的變形阻力增大，凸緣位置材料流動困難，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，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，壓邊力變化趨勢和拉深力變化趨勢基本相同。從拉深開始階段到筒壁直壁出現(xiàn)階段，壓邊力迅速增加，主要因為材料變形較為劇烈，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，如果壓邊力不當，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。本例壓邊力按計算結(jié)果FY=7.2kN 設定時，工件未出現(xiàn)起皺和拉裂現(xiàn)象，通常認為設定的壓邊力值合理。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。當壓邊力為3.2kN 時，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重，其厚度由1.275mm 逐漸減少到1.125mm。這是因為壓邊力較大時，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。

通過對拉深工藝參數(shù)的優(yōu)化設計，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 軟件對寬凸緣筒形件進行試驗模擬，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合模沖壓成形[5]，模具結(jié)構(gòu)如圖7 所示，采用中間導柱標準模架[6-7]。模具工作過程如下：模具工作時，條料沿著導料銷8 從前向后送料，擋料銷27 進行限位，上模部分向下運動，凸凹模7 的外緣部分和落料凹模20 實現(xiàn)落料，上模繼續(xù)下行，進入落料凹模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軟件進行拉深成形模擬，優(yōu)化模具工藝設計參數(shù)，避免了成形缺陷，減少生產(chǎn)中實際試模次數(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，材料的減薄率（24%）最小，在實際生產(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。

[1]范建蓓.沖壓模具設計與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：171.

[2]安家菊.基于dynaform 寬凸緣拉深件數(shù)值模擬分析[J].機械設計與制造，2011，（9）：193-195.

[3]孫偉杰，易 劍.基于數(shù)值模擬的帶凸緣筒形件沖壓工藝及模具設計[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）：72-74.

[4]龔紅英.板料沖壓成形CAE 實用教程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010：50-80.

[5]林章輝.無凸緣深圓筒件復合模設計[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（4）：84-86.

[6]王新華，袁聯(lián)富.沖模機構(gòu)圖冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[7]王孝培.沖壓手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.