资源描述
<p>冲锻成形过程强力拉深增厚工艺有限元分析国家自然科学基金资助项目(50705034)
华中科技大学 模具技术国家关键试验室 王新云 欧阳坤 夏巨谌 胡国安
摘要
结合冷挤压和拉深工艺特点，以双杯形工件为对象，开展了冲锻成形过程强力拉深增厚工艺研究。即在反向拉深同时，对侧壁也施加轴向推力，进行强力拉深以达成拉深并增厚目标。采取有限元模拟软件Dynaform研究了拉深增厚工艺中材料流动规律，分析了压环运动速度、压边力、凸模和凸凹模之间间隙对工件最小厚度和内壁最大厚度影响，为优化模具结构和工艺参数提供了理论依据。
关键词：冲锻成形；拉深增厚；双杯形件；数值模拟
FEM analysis of the powerful drawing-thickening technology in the stamping-forging hybrid process
Abstract
A powerful drawing-thickening technology was prompted for double-cup-shaped workpieces, it combined the characteristics of cold extrusion with drawing process. An axial thrust was exerted to the sidewall in backward drawing to thicken it. The FEM software Dynaform was utilized to research the material flow. The impact of the velocity of the pressure ring, the binder force and the gap between punch and die to the minimum and maximum of the workpiece thickness were analyzed.
Key words: stamping-forging hybrid forming; drawing-thickening; double-cup-shaped workpiece ; numerical simulation
1 引言
对于大表面积且壁厚差改变较大零件，其通常加工方法，或是整体铸造；或是采取温/热锻后切削加工方法；或是薄壁部和较厚部分经过焊接组合并热处理等多工序方法来制造。这么不仅整体性能有所下降，成本及能耗也较高，而且工序多也造成效率较低，不符合节能和绿色制造社会发展趋势。
本文提出一个结合了冲压和铸造技术特点板料冲锻成形工艺，为成形这类含有大表面积且厚差较大零件提供了一个新塑性成形方法。关键特点为：以板材（或管材）为坯料，经过冲压工艺成形出中空薄壁形状，并预先在拉深工序中贮备足够体积金属，再采取铸造工艺，对特定部位压缩增厚，以提升厚度和刚度。这么，不仅可避免仅采取冲压方法制造零件，没有足够厚度和刚度缺点；也可避免仅采取铸造方法来制造大表面薄壁零件时，需要过高成形力缺点。
冲锻成形工艺和焊接成形过程比较图1所表示。
图1 冲锻成形和焊接成形比较
a)和c)为冲压后焊接成形；b)和d)为冲压铸造整体成形
和焊接或铸造方法相比，采取这种整体塑性成形方法，降低了车削加工和焊接工序，不仅能够提升材料利用率、降低能耗，而且零部件综合机械性能也有较大提升。
多年出现了部分利用板坯料进行铸造研究[1-4],但均只是采取了板坯料来进行铸造，不一样于本文提出先拉深空间形状后增厚局部冲锻成形工艺。
本文将结合有限元分析软件Dynaform，开展冲锻成形过程强力拉深增厚工艺研究，分析材料流动及局部增厚等规律。
2 工艺分析
本文所研究零件图2所表示，要求中部反向拉深出壁厚大于原始坯料厚度。工艺过程为：（1）正向拉深工序，从平板坯料变形为一定深度圆杯形，初步完成零件外部薄壁形状。（2）反向拉深工序，拉深到一定高度，形成反向圆筒。在正向拉深工序，以尽可能减小壁厚变薄及起皱为目标。在反向拉深工序，以增大中间圆筒内壁厚度为目标。所以，在反向拉深时，对外壁同时施加推力，促进材料从外壁流向内壁，经过控制推力和反向拉深速度，促进内壁增厚，以实现强力拉深增厚。
图2 零件示意图
3 模拟参数
Dynaform是专用于板料成形模拟软件，能够估计成形过程中板料破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评定板料成形性能。本文选择Dynaform软件，对各工序进行模拟分析。模具材料选择steel，设置为刚性，板坯料和模具间摩擦系数取0.125。
3.1 正向拉深
正向拉深过程工件示意图图3所表示，模拟模型图4所表示。经工艺分析，可见处于窄凸缘圆筒件拉深一次拉深成形范围[5]。
图3 正向拉深工件示意图 图4 正向拉深模型
圆板坯料厚度为2mm， 直径为450mm，材料为ST14F，平面各向同性材料，参数如表1所表示，Dynaform模拟参数设置以下表2所表示。
表1 材料参数
参数
密度（T/mm3）
杨氏模量（N/mm2）
泊松比
屈服应力（N/mm2）
数值
0.28
表2 正向拉深参数设置
凹模
压边圈
凸模
结束控制
合模工序
固定
mm/s
固定
压边圈和凹模间距2.2mm
拉深工序
固定
50kN
5000mm/s
凸模和凹模间距2.2mm
3.2 反向拉深
反向拉深工件示意图图5所表示：
图5 反向拉深工件示意图
依据工件几何尺寸，可知拉深系数为0.42，小于极限拉深系数0.55，故常规拉深方法难以一次拉深成形，图6所表示常规拉深方法模拟结果也证实了这个结论。模拟中，坯料选择正向拉深后数据文件。
a)截面厚度图 b)成形极限图
图6 常规拉深
因为采取常规反向拉深工序不能在一个工步内拉深得到需要零件，同时，也为了达成在反向拉深工序中实现内壁圆筒增厚目标，所以，采取强力拉深成形工艺，也即在反向拉深同时，对外侧壁施加向下推力，以促进外侧壁金属流向内侧壁。强力拉深模具装置示意图图7所表示，拉深时凸凹模固定，压环、凸模成形时分别向下和向上运动，凹模浮动，在压环作用下被动运动。反向强力拉深时工艺参数见表3。
图7 强力拉深成形工艺
表3 反向拉深参数设置
合模工序
拉深工序
凸模
固定
凸模
5000mm/s
凸凹模
固定
凸凹模
固定
压边圈
mm/s
压边圈
300kN
压环
固定
压环
运动速度递增
凹模
固定
凹模
50kN
结束控制
压边圈和凸凹模间距2.2mm
结束控制
凸模和凸凹模间距2.2mm
为了研究凸模和凸凹模间隙对成形影响，本文设计了5组不一样间隙值和压边力（见表4）模拟试验：除模型中凸模和凸凹模间隙值、压边力不一样外，各组其它参数设置均相同。
表4 各组模拟试验间隙值
组别
a
b
c
d
e
间隙值（mm）
2.4
2.6
3.0
2.6
3.0
压边力（kN）
300
300
300
380
450
4 模拟结果及分析
4.1 正向拉深
压边圈起着控制材料流动，预防起皱作用。但过大压边力，会阻止材料流入凹模中，使拉深过程不能正常进行。当压边力为50kN时，法兰不发生起皱，且取得壁厚减薄较小，模拟所得工件厚度分布图8所表示：凸模圆角处壁厚最小，沿着侧壁向法兰，壁厚逐步增加，法兰处壁厚最大。壁厚减薄较小正向拉深，有利于后续反向强力拉深。
图8 正向拉深结果
4.2 反向拉深
4.2.1 压环、压边圈形状尺寸改变对反向拉深影响
为了解压环、压边圈形状尺寸对反向拉深影响，设计图9所表示压环、压边圈，其模拟结果图10所表示。
平面圆环形状压环、压边圈效果最差，在成形过程中，r2首先减小，材料径向流动阻力增大，在压环强制推力作用下，材料反向流动到凹模圆角处自由空间，使得r1也减小，材料流动阻力深入加大，伴随压环继续向下运动，材料因难以流入内侧而将压边圈顶起，形成折叠（图10（a）所表示）。而且因为材料不能径向流动以补充中间圆筒成形所需金属，从而最终造成拉裂。
图9 不一样形状压环、压边圈
a)压环、压边圈为平面圆环
b) 压环圆角、压边圈倒角
c) 压环、压边圈圆角
图10 不一样形状尺寸压环、压边圈模拟结果
采取弧形压环和倒角式压边圈时，即使能一直确保材料由外壁流向内壁圆筒，不过倒角使得压边圈和凸凹模间间隙不均匀，形成一个自由小三角形空腔，材料轻易在此处弯曲甚至堆积（图10（b）及图11所表示），增大了材料流动阻力。
在采取弧形压环和压边圈时，因为弧形约束，有效确保了材料流动唯一性，即外壁材料流经凸凹模外、内圆角，并在凸模拉力作用下成形中间圆筒，而不会产生折叠。模拟结果图10（c），能够顺利完成反向拉深工序，且内侧壁和初始板坯厚度相比，有较显著增厚。可见采取弧形压环和压边圈能够取得很好效果。
a)中间过程 b)最终结果
图11 采取压环圆角、压边圈倒角不足
4.2.2 压环速度对壁厚影响
压环速度和工件外壁最小厚度关系图12所表示。工件最小厚度在凸模圆角和顶面相切处（图13），说明压环使最小厚度位置发生了转移，表明压环能有效促进材料由外壁向内壁流动。伴随压环速度增加，单位时间金属流入内壁体积增多，所以，最小厚度也单调增加，但增加也有一定极限。因为伴随压环速度增加，为了预防起皱现象，所需要压边力需对应增加，这也增大了材料流动阻力，不利于最小厚度增加。当过于增大压环速度，流动阻力大于材料抗拉强度时，便会发生拉裂现象。
图12 压环速度和工件最小厚度关系图
图13 最小厚度位置（间隙2.4mm，压边力300kN，压环速度2991mm/s）
压环速度和工件内壁圆筒最大厚度关系图14所表示。工件内壁圆筒最大厚度在内壁下部靠近凸凹模内圆角处，伴随压环速度增加，工件内壁圆筒最大厚度一样单调递增。压环速度越大，单位时间内流向内壁圆筒材料越多，而凸模运动速度一定，故工件内壁圆筒最大厚度越大。受工件成形性限制，压环速度存在一个极值，故工件内壁圆筒最大厚度也存在一个极大值。
图14 压环速度和工件内壁圆筒最大厚度关系图
4.2.3 凸模和凸凹模间隙对增厚程度及壁厚分布均匀性影响
从图12和14可见，间隙为2.4mm所对应最小厚度曲线和最大厚度曲线分别在最上方和最下方，而间隙为3.0mm所对应最小厚度曲线和最大厚度曲线位置相反，间隙2.6mm所对应曲线则居中。以上表明：间隙越大，壁厚分布越不均匀。这是因为，当凸模和凸凹模间隙较大时，拉深表现为锥形拉深。而锥形件变形关键集中在零件底部向锥面过渡圆角周围（即凸模圆角处），变形不均匀性严重。凸模和凸凹模间隙越大，则锥形件小端直径和大端直径比值越小，拉深时板坯料中间部分（即凸模作用区域）承载能力越小，变形不均匀加剧，造成最终零件壁厚分布越加不均匀。
压边圈在预防起皱同时，也限制了材料流动，使得金属在压边圈和凸凹模间产生堆积，使工件此处产生增厚，压边力越大，对金属流动阻力越大，增厚现象越显著，壁厚分布也就越不均匀。伴随压环继续向下运动，外壁材料继续流向内壁圆筒，已经增厚金属在后面金属压力和凸模产生拉力下经过内壁圆角，向上流动，形成内壁圆筒。凸模和凸凹模间隙越大，能流经增厚材料厚度也越大。假如间隙小于一定值，则材料因堆积在在凸凹模内圆角处，使材料流动阻力增大，造成工件被拉裂。所以，间隙越大，增厚程度越大。
4.2.4 成形载荷
压环速度和凸模载荷图15所表示。凸模拉力和压环推力促进材料向内壁圆筒流动。凸模和凸凹模间隙越小，对金属流入内壁摩擦阻力也就越大。所以，在图15所表示压环速度和凸模载荷曲线中，a所对应曲线在最上方，c在最下方，b处于中间。压环速度越大，单位时间流向内壁圆筒材料越多，则对已流入金属推力也就越大；但同时增厚现象也越显著，摩擦阻力也会越大。所以，推力和摩擦阻力综合作用，影响到成形载荷大小。但因为开始阶段推力增大占主导地位，所以曲线会呈下降趋势；但压环速度增大到一定程度时，因为增厚使摩擦阻力增大占主导，造成凸模载荷增加，表现出曲线开始展现上升趋势，故图15各条曲线会展现出先下降再上升趋势。
图15 压环速度和凸模载荷关系图
5 结论
(1) 压环、压边圈形状尺寸影响反向拉深结果，弧形结构压环、压边圈，因材料流动受到约束，反向拉深结果最好。
(2) 压环能有效促进材料由外壁向内壁流动，并在内壁圆筒下部产生增厚现象，压环速度越高，下部增厚现象越显著，但伴随压环速度增大，所需临界压边力也越大，所以拉深增厚存在一个极值。
(3) 伴随压环速度增加，工件最小厚度单调递增，但同拉深增厚一样，最小厚度增大也存在一个极值。
(4) 伴随压环速度增加，凸模最大载荷展现先下降再上升趋势。凸模和凸凹模间隙越小，凸模载荷越大。
参考文件
[1] 李雪松, 陈军, 吴公明, 王刚. 汽车离合器衬套冲锻复合工艺研究及其数值模拟[J]. 锻压装备和制造技术. , 1: 49-51
[2] 李建平, 车路长. 冲压冷锻成形工艺模具设计及坯料计算方法研究[J]. 锻压技术. , 32(4): 52-56
[3] Sheng Z Q, Shivpuri R. A hybrid process for forming thin-walled magnesium parts[J]. Materials Science and Engineering A. , 428: 180-187
[4] 张士宏, 王忠堂, 周丽新. 板材零件局部体积成形技术研究[J]. 塑性工程学报. , 15(2): 31-36
[5] 钟毓斌. 冲压工艺和模具设计[M]. 北京:机械工业出版社,</p>
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