丁志楊，陳梁玉，趙坤民（合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009）

一種大型薄壁碟形封頭成形工藝優(yōu)化

丁志楊，陳梁玉，趙坤民
（合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009）

本文針對在實(shí)際生產(chǎn)大型薄壁碟形封頭中遇到的成形缺陷問題，提出一種新的模具拉延筋設(shè)計(jì)方案，并利用非線性有限元軟件Dynaform，采用大變形彈塑性有限元模型對06Cr19Ni10覬2380mm×5.6mm碟形封頭進(jìn)行了模擬計(jì)算，仿真結(jié)果表明了該模具拉延筋設(shè)計(jì)方案的有效性與實(shí)用性。

碟形封頭；拉延筋；數(shù)值分析；Dynaform

封頭作為壓力容器的主要承壓零部件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、鐵路、化工和核電等領(lǐng)域，具有加工技術(shù)條件要求高、制造工藝難度大、工藝復(fù)雜及生產(chǎn)周期長等特點(diǎn)。根據(jù)封頭的具體應(yīng)用，可分為高壓容器封頭和低壓容器封頭。對于不同種類的封頭，其加工工藝有所不同。高壓容器封頭主要采用熱鍛加工工藝進(jìn)行生產(chǎn)加工，低壓容器封頭則采用熱壓、旋壓和冷拉深等多種工藝進(jìn)行生產(chǎn)加工。隨著封頭的廣泛應(yīng)用，冷拉深工藝由于工藝簡單、生產(chǎn)成本較低成為目前研究的焦點(diǎn)。

金淼[1]通過對大型薄壁封頭拉深成形機(jī)理進(jìn)行深入分析，指出內(nèi)皺是大型封頭拉深成型主要破壞形式，闡述了內(nèi)皺產(chǎn)生機(jī)理和控制策略，提出正確設(shè)置拉延筋是整個(gè)工藝過程的關(guān)鍵，并結(jié)合大型封頭拉深成形的特點(diǎn)，給出了拉延筋的設(shè)計(jì)原則。朱里紅和韋潔[2]采用圓形拉延筋、矩形拉延筋和拉延檻優(yōu)化了大型薄壁封頭的成形工藝；利用有限元軟件和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定出準(zhǔn)3000mm×10mm的橢圓形封頭拉延筋類型和參數(shù)，并采用多目標(biāo)優(yōu)化法得最優(yōu)的拉延筋參數(shù)組合。RV Reddy[3]提出各種因素如壓邊力、凸模圓角半徑、模具刃口半徑和摩擦系數(shù)對拉深圓筒形件起皺的影響，對起皺萌生和增長機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)研究。

本文針對大型薄壁碟形封頭在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的成形缺陷問題，通過對常規(guī)分步拉深成形和引入拉延筋的一次拉深成形工藝進(jìn)行分析研究，提出了一種新的拉延筋應(yīng)用思路，利用Dynaform有限元軟件，確定具體的拉延筋設(shè)計(jì)參數(shù)，從而解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題。

1 傳統(tǒng)成形工藝

以實(shí)際生產(chǎn)中壁厚為5.6mm的碟形封頭為研究對象，碟形封頭具體尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1 碟形封頭尺寸圖

由于大型薄壁碟形封頭的尺寸和徑厚比很大，冷拉深成形的技術(shù)難度高。傳統(tǒng)工藝通過組合模具的分步拉深來實(shí)現(xiàn)，一次成形過程中需要多次更換模具，增加了模具的更換時(shí)間和定位時(shí)間，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，在實(shí)際生產(chǎn)中不適合大規(guī)模應(yīng)用。

隨著拉延筋的應(yīng)用，設(shè)置拉延筋或拉延檻的沖壓模具可以實(shí)現(xiàn)封頭的一次拉深成形，這種成形工藝提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，便于大規(guī)模應(yīng)用，如圖2所示。

但是這種設(shè)置有拉延筋的模具，在覬2380mm×5.6mm的大型薄壁碟形封頭生產(chǎn)中，出現(xiàn)了起皺嚴(yán)重、所需壓邊力過大等問題。

圖2 一次拉深成形工藝示意圖

2 成形工藝優(yōu)化

針對上述實(shí)際問題，現(xiàn)提出一種新的模具拉延筋設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

圖3 拉延筋設(shè)計(jì)方案示意圖

在沖壓的初始階段，內(nèi)外拉延筋同時(shí)提供沖壓成形的拉延阻力，隨著沖壓過程的進(jìn)行，板料流過外拉延筋后在內(nèi)拉延筋的單獨(dú)作用下繼續(xù)成形，直至沖壓過程結(jié)束。在初始沖壓階段，雙拉延筋提供較大的拉延阻力，能有效控制板料起皺和降低壓邊力。在后期沖壓階段，由單拉延筋提供較小的拉延阻力，能合理控制板料的流動(dòng)，避免出現(xiàn)過度減薄。為了達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，需要通過仿真實(shí)驗(yàn)確定合理的模具參數(shù)。

3 仿真試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化

3.1 有限元建模

對覬2380mm×5.6mm的碟形封頭，坯料直徑2380mm，厚度5.6mm，材料06Cr19Ni10，密度7.93× 103kg/m3，彈性模量199GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度205MPa，抗拉強(qiáng)度520MPa，伸長率40%。由于零件的對稱性，取其1/4在有限元軟件Dynaform中建立引入雙拉延筋的沖壓成形模型，如圖4所示。上模、下模和壓邊圈設(shè)為剛體。模擬中摩擦系數(shù)為0.1，壓邊圈和上模下行速度為300mm/s。

圖4 有限元仿真模型圖

3.2 參數(shù)優(yōu)化

拉延筋設(shè)計(jì)方案所涉及的下模具和壓邊圈主要參數(shù)如圖5所示。

圖5 拉延筋設(shè)計(jì)方案參數(shù)構(gòu)成示意圖

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和簡化模型的需要，主要考慮拉延檻的參數(shù)R1、D1、R2。同時(shí)，為簡化仿真過程，拉延筋采用Dynaform有限元軟件中的等效拉延筋代替，拉延阻力取為7000N，拉延筋法向力取拉延阻力的10%，定位于下模具邊緣D2位置處。R3和D2分別取20mm、40mm。

為了比較各參數(shù)對成形質(zhì)量的影響，主要考慮指標(biāo)有最大減薄量、起皺程度和壓邊圈最大載荷。第一組仿真試驗(yàn)具體參數(shù)如表1所示。

表1 第一組優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)取值

壓邊力設(shè)為400t，基于參數(shù)取值表，建立仿真模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

考慮工藝要求，封頭成形后壁厚最小值不能低于4.7mm，仿真結(jié)果中，雖然起皺得到了控制，但是減薄量過大，不能滿足封頭成形的工藝要求。分析可知，減薄過多的原因是下模具上拉延檻的拉延阻力過大，沖壓過程中板料不能充分流動(dòng)。如果再增大壓邊力或者增加第二拉延筋的拉延阻力，減薄量會更大?；诖?，對第一組試驗(yàn)的參數(shù)取值進(jìn)行修改，減小拉延檻的拉延阻力以改善減薄量過大問題。修改后得到第二組仿真試驗(yàn)具體參數(shù)如表2所示。

圖6 第一組優(yōu)化試驗(yàn)成形厚度分布圖和成形極限圖

表2 第二組優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)取值

壓邊力設(shè)為400t，基于參數(shù)取值表，建立仿真模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 第二組優(yōu)化試驗(yàn)成形厚度分布圖和成形極限圖

由圖7可知，拉延檻參數(shù)修改后的模具減薄量得到一定的改善，但仍未達(dá)到工藝要求，所以需要進(jìn)一步修改參數(shù)取值。接下來，從兩方面進(jìn)行考慮以實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求。一方面，在第二組試驗(yàn)參數(shù)值的基礎(chǔ)上，僅減小壓邊力，壓邊力為300t，其他參數(shù)保持不變，建立仿真模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 第三組優(yōu)化試驗(yàn)成形厚度分布圖和成形極限圖

由仿真結(jié)果可知，減小壓邊力使減薄量得到進(jìn)一步改善，但依然未達(dá)到工藝要求，同時(shí)，起皺趨勢更為明顯，所以僅改變壓邊力并不能得到符合工藝要求的封頭成形方法?；谇笆龇抡娼Y(jié)果，對第二組試驗(yàn)的參數(shù)取值進(jìn)行修改，減小拉延檻的拉延阻力以改善減薄量過大問題。修改后得到第四組仿真試驗(yàn)具體參數(shù)如表3所示。

表3 第二組優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)取值

壓邊力設(shè)為400t，基于參數(shù)取值表，建立仿真模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由仿真結(jié)果可知，第四組試驗(yàn)參數(shù)取值方案可以達(dá)到生產(chǎn)工藝要求，實(shí)現(xiàn)減薄量滿足生產(chǎn)工藝要求的同時(shí)能有效控制起皺程度。

4 總結(jié)

圖9 第四組優(yōu)化試驗(yàn)成形厚度分布圖和成形極限圖

針對實(shí)際生產(chǎn)中大型薄壁碟形封頭的成形缺陷問題，提出新的拉延筋設(shè)計(jì)方案，得到以下結(jié)論：

（1）拉延筋在大型薄壁碟形封頭成形工藝中有重要作用，合理地利用拉延筋可以在保證成形質(zhì)量的同時(shí)，降低壓邊力從而減小壓機(jī)噸位。

（2）利用有限元軟件對沖壓成形過程進(jìn)行仿真優(yōu)化，確定具體的模具參數(shù)，降低了試驗(yàn)成本，同時(shí)對實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

（3）第四組仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，拉延筋設(shè)計(jì)方案具有可行性，但是參數(shù)的精確取值存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，可以對多個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)和多目標(biāo)優(yōu)化，找出最優(yōu)解。

[1]金 淼.大型薄壁封頭冷拉深工藝分析 [J].重型機(jī)械，2001，1 （3）：45-48.

[2] 朱里紅，韋 潔.大型薄壁封頭成形工藝優(yōu)化[J].熱加工工藝，2015，（11）：170-172.

[3] Reddy R V，Reddy D T A J，Reddy D G C M.Effect of Various Parameters on the Wrinkling In Deep Drawing Cylindrical Cups[J].International Journal of Engineering Trends&Technology，2012，3（1）：76-82.

[4]周 杰，羅 艷，王 珣，等.基于響應(yīng)面的封頭沖壓成形工藝多目標(biāo)優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2016，（1）.

[5]張美平，王建鋒，郭紅霞.數(shù)值模擬技術(shù)在沖壓封頭上的應(yīng)用研究[A].2011數(shù)字化制造論壇[C].2011.

[6]Kirby DS，Wild P M.Deep drawing of pressure vessel end closures：finite element simulation and validation[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，103（2）：247-260.

[7] Wang H，Zhou J，Luo Y，et al.Forming of Ellipse Heads of Large-scale Austenitic Stainless Steel Pressure Vessel☆[J].Procedia Engineering，2014，81：837-842.

Optimization of forming process for one kind of large thin-wall dished head

DING Zhiyang,CHEN Liangyu,ZHAO Kunmin
（Institute of Industry and Equipment Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230009,Anhui China）

Aiming at the forming defects during actual forming process of large thin-wall dished head,thenew kind of die draw bead design has been put forward in the text.By use of nonlinear finite element software Dynaform and large deformation elastic-plastic finite elementmodel,simulated calculation hasbeen conducted to the Ф2380mm×5.6mm dished head,which is made from 06Cr19Ni10.The simulation results show the effectiveness and practicability of the die draw bead design.

Dished head;Drawbead;Numerical analysis;Dynaform

TG386.32

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.019

1672-0121（2017）02-0062-04

2016-12-10；

2017-01-29

丁志楊（1990-），男，碩士在讀。

E-mail：15256576093@163. com