應(yīng)變硬化指數(shù)對(duì)圓筒形件拉深性能的影響

陳繼平，錢健清，李勝祗

(1．安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002;2．安徽省金屬材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243002)

0 前言

拉深是板料沖壓成形工藝之一，在機(jī)械、電子、儀器儀表及航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對(duì)板料拉深性能的研究較多，主要針對(duì)其影響因素以及近似計(jì)算極限拉深比LDR(limit drawing ratio)的公式，但對(duì)某些影響因素的研究還不夠深入。眾所周知，板料的厚向異性系數(shù)與拉深性能關(guān)系密切，而對(duì)于板料的應(yīng)變硬化指數(shù)n值與LDR值的關(guān)系方面的研究，其觀點(diǎn)存在矛盾，有不少學(xué)者認(rèn)為其影響可以忽略，但也有學(xué)者認(rèn)為不能忽略［1，2］。隨著近年來對(duì)拉深性能研究的逐步深入，n值對(duì)LDR的影響也日益受到關(guān)注。所以研究在不同條件下n值對(duì)LDR的影響對(duì)進(jìn)一步掌握n值與拉深性能的關(guān)系有著重要意義。

在板料的LDR值的影響因素中，對(duì)n值和r值的研究最多。文獻(xiàn)［3－8］對(duì)拉深成形的極限拉深比有影響的材料參數(shù)與工藝參數(shù)等主要因素進(jìn)行了歸納總結(jié)，結(jié)果表明各向異性系數(shù)r值對(duì)極限拉深系數(shù)有影響很大，各向異性系數(shù)r平均值和r最小值都大的材料，其拉深性能最好，而應(yīng)變硬化指數(shù)n對(duì)極限拉深系數(shù)的影響要小一些。

本文通過PAM-STAMP 2G有限元軟件模擬SWIFT平底沖杯實(shí)驗(yàn)，分析厚向各向異性系數(shù)對(duì)板料極限拉深比的影響，研究不同厚向各向異性系數(shù)時(shí)硬化指數(shù)n值對(duì)材料拉深性能的影響規(guī)律。

1 拉深成形過程中主要工藝參數(shù)的選擇

毛坯尺寸選擇厚度為1.5 mm的圓形板料，在模擬中進(jìn)行試錯(cuò)，最終找出所需要的拉深不破裂的最大直徑。在模擬沖壓成形過程中，通過調(diào)整圓形板料的大小，以得到某一條件下拉深后板料不破裂的最大直徑，在模擬結(jié)束后用該直徑來計(jì)算板料的極限拉深比LDR值。

鋼鐵材料的厚向各向異性系數(shù)r值的取值一般在1.5～2.5范圍內(nèi)，在其它材料參數(shù)與工藝參數(shù)不變的條件下，本文選取r值為1.5、2、2.5， 不 同 的 n 值 為 0.1、0.15、0.2、0.25、0.3。沖壓成形過程中的主要工藝參數(shù)見表1。

表1 沖壓過程主要工藝參數(shù)Table 1 Main process parameters of stamping

2 模擬過程及模擬結(jié)果

板料大小的選取沒有一定的標(biāo)準(zhǔn)，可以在模擬過程中通過試錯(cuò)來逐漸縮小板料的取值范圍，最終找出所需要的拉深不破裂的最大直徑。通常模擬都要根據(jù)多次試錯(cuò)后才能獲得所需要的數(shù)據(jù)，限于篇幅，本文對(duì)最接近成功的幾個(gè)板料直徑的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，說明其模擬過程。

根據(jù)SWIFT的平底凸模拉深試驗(yàn)的原理，以n=0.15為例，當(dāng)取板料拉深直徑為102.6 mm時(shí)，模擬得到的成形質(zhì)量分布、成形極限圖FLD、厚度分布以及減薄率如圖1所示。

從圖1所示的成形質(zhì)量分布以及成形極限圖可以看出，該板料拉深比較充分，在邊緣處有起皺現(xiàn)象，沒有破裂點(diǎn)，即板料完全可以沖壓成功。從厚度分布以及減薄率圖可以得出圓筒件拉深后的厚度分布的位置、大小以及減薄率的大小。筒形件的最大厚度為1.742 460 mm，位于邊緣位置，此處的板料較原始厚度1.5 mm增加了16.164%;最小厚度為1.177 360 mm，位于圓角部，此處的板料減薄率為21.509 3%。模擬得到的板料厚度的分布情況和實(shí)際沖壓的情況完全一樣，即邊緣處最厚，圓角處是減薄最厲害的部位。但從模擬結(jié)果看，板料處于安全區(qū)域，這時(shí)還需要進(jìn)一步增大板料的直徑，以測得不破裂時(shí)的最大板料直徑。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證用更大直徑的板料進(jìn)行拉深是否會(huì)引起破裂，又把板料拉深直徑增加到103.6 mm，此時(shí)所得到的模擬成形質(zhì)量分布、成形極限圖FLD、厚度分布以及減薄率如圖2所示。

從圖2可以看出，板料拉深完成后沒有破裂。為此再進(jìn)一步增加板料的尺寸，拉深直徑增加到104 mm，這時(shí)得到的模擬成形質(zhì)量分布、成形極限圖FLD、厚度分布以及減薄率如圖3所示。

從圖3可以看出，板料圓角部位出現(xiàn)了破裂點(diǎn)，此處的厚度為 1.192 85 mm，減薄率為25.381 0%。選用該點(diǎn)前一個(gè)不破裂的板徑來計(jì)算LDR值，即該條件下的最大不破裂點(diǎn)的半徑為51.8 mm。并根據(jù)其計(jì)算出該條件下的LDR值。同理，在其它厚向各向異性系數(shù)條件下，按類似的方法進(jìn)行模擬，可得出拉深時(shí)板料不破裂的最大半徑。模擬結(jié)束時(shí)，根據(jù)所得到的該條件下不破裂的最大半徑，可以計(jì)算出該條件下的LDR值。在不同厚向各向異性系數(shù)r值下，板料的拉深性能即極限拉深比LDR值隨硬化指數(shù)變 化的情況如圖4所示。

從圖4可以看出，在不同厚向各向異性系數(shù)r值的情況下，總的趨勢是板料的拉深系數(shù)LDR值隨著r值的增加而增加。在不同的r值情況下，隨著硬化指數(shù)n的提高，極限拉深比LDR增大。當(dāng)n從0.1增加到0.2時(shí)，LDR值幾乎直線上升，說明硬化指數(shù)對(duì)拉深性能的影響較大;在硬化指數(shù)大于0.2之后曲線變化趨緩，說明在n大于0.2后，硬化指數(shù)對(duì)拉深性能的影響較小。厚向各向異性系數(shù)越大，硬化指數(shù)的變化對(duì)拉深性能的影響越小。如圖4所示，r值為1.5時(shí)，n值從0.1 ～ 0.3，對(duì)應(yīng)的極限拉深比LDR從1.712增加到2.113，增加了0.401;當(dāng)r值為2.5時(shí)，n值從0.1～0.3，對(duì)應(yīng)的極限拉深比LDR從2.2增加到2.52，增加了0.32。很明顯，厚向各向異性系數(shù)大時(shí)，硬化指數(shù)對(duì)拉深性能的影響小。

圖3 筒形件拉深試驗(yàn)成形結(jié)果Fig.3 Forming results of cylinder cup in deep drawing experiment

圖4 不同厚向各向異性系數(shù)時(shí)不同n值對(duì)應(yīng)的LDRFig.4 LDR corresponding to different hardening index n value at different r values

4 結(jié)論

本文研究了不同厚向各向異性系數(shù)r值以及在不同r值條件下n值對(duì)板料極限拉深比的影響。得出的結(jié)論如下:

(1)在其它條件如沖壓速度、板厚、硬化指數(shù)等不變的情況下，隨著厚向各向異性系數(shù)r值的增加，板料拉深性能提高，極限拉深比LDR增加;

(2)在其它條件不變的情況下，隨著厚向各向異性系數(shù)r值的增加，硬化指數(shù)n值對(duì)板料的拉深性能影響減小;

(3)在小的厚向各向異性系數(shù)r值的情況下，硬化指數(shù)對(duì)板料的拉深性能影響大;在r值大的情況下，硬化指數(shù)n值對(duì)板料的拉深性能影響不大。在r值小時(shí)，可以通過增加板料的硬化指數(shù)n值來增大板料的極限拉深比。

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