半球形件拉深壓邊力數(shù)值模擬與優(yōu)化

魏良慶，蔡友莉，喬旭安

拉深件成形質(zhì)量受諸多因素影響，包括拉深模具參數(shù)、板料力學性能、壓邊力、成形溫度、成形速度等。在拉深過程中，由于起皺和拉裂的影響，壓邊力是一個非常重要工藝參數(shù)。在很多情況下，通常需要壓邊裝置產(chǎn)生足夠壓邊力以防止工件出現(xiàn)上述質(zhì)量問題。特別是對于復雜曲面零件，拉深時板料處于懸空狀態(tài)，所需要壓邊力往往不是恒定的，如果拉深時采用恒定壓邊力，零件很難成形，質(zhì)量難以保證[1-2]。因此，在這種情況下，采用變壓邊力拉深就顯得非常必要。本文以半球形拉深件為例，采用有限元分析軟件Dynaform對工件成形性能進行分析，研究了不同壓邊力控制曲線對工件成形質(zhì)量的影響。

1.有限元模型建立及參數(shù)設(shè)置

（1）板料 本工作選用仿真材料為低碳鋼（DC 01），料厚1.0mm。DC 01性能參數(shù)見表1。

（2）有限元模型 圖1是用Dynaform軟件建立的半球形件拉深有限元模型，包括凸凹模、板料及壓邊圈。凹模直徑Dd=103mm、凹模圓角半徑Rd=7mm、凸模直徑Dp=100mm，板料毛坯直徑D0=200mm、板料厚度t=1mm、拉深深度H=70mm、拉深速度v=50mm/s、摩擦因數(shù)μ=0.125。

圖1 有限元模型

圖2 恒定壓邊力下的工件成形質(zhì)量

表1 DC 01的性能參數(shù)

設(shè)定恒定壓邊力（見圖2）時，通過經(jīng)驗公式[3]計算出理論防皺臨界壓邊力值為62kN。由此，分別對恒定壓邊力為40kN、45kN、62 kN、125kN、130kN和140kN的半球形件進行拉深模擬，所得半球形件最大增厚率、最大減薄率及成形質(zhì)量見表2。從表2可以看出，壓邊力為140kN時，工件發(fā)生斷裂，壓邊力為40kN時，工件產(chǎn)生嚴重的起皺。根據(jù)恒定壓邊力條件下模擬結(jié)果，結(jié)合理論計算值，選取壓邊力安全變化區(qū)域為50～125kN。即壓邊力低于50kN時，起皺為限制成形的主要因素，壓邊力高于125kN時，斷裂成為影響成形的主要因素[4]。

在臨界拉裂和臨界起皺壓邊力安全變化區(qū)域確定的情況下，壓邊力控制曲線形式對成形極限影響可以通過選取6種類型壓邊力控制曲線（即漸減式、先保持恒定后減式、開口向下的拋物線形、漸增式、先保持恒定后增式和開口向上的拋物線形）進行模擬，如圖3所示。

2.結(jié)果與討論

按照圖3中的6種控制曲線，采用變壓邊力代替恒定壓邊力，壓邊力取值范圍為50～125kN，每一種壓邊力控制曲線下工件的增厚率、減薄率見圖4。從圖4可以看出，隨著拉深過程的進行，凸模圓角部位和側(cè)壁部位在拉深3s以后逐漸增厚，拉深4s后凸緣部位厚度逐漸增大，拉深8s后，工件基本不再增厚，而減薄率仍在增大，這勢必會影響到最終工件的質(zhì)量。

通過表3可以看出，采用曲線6（開口向上的拋物線型）在板料增厚和減薄方面都控制得較理想，半球形件質(zhì)量最好，厚度分布比較均勻，最大增厚率和減薄率分別為22.4%和12.2%，其成形極限見圖5。采用曲線2（先保持恒定后減式）半球形件質(zhì)量最差，最大增厚率和減薄率分別為32.2%和12.9%。曲線5（先保持恒定后增式）雖然合理控制了起皺現(xiàn)象，但最小壁厚減薄率已達到13.1%。

圖3 6 種不同壓邊力控制曲線

圖4 不同壓邊力控制曲線下的工件厚度變化情況

表2 恒定壓邊力下的拉深模擬結(jié)果

表3 6種壓邊力控制曲線的最大增厚率與減薄率

3.結(jié)語

（1）在恒定壓邊力作用時，存在一個壓邊力安全區(qū)域50～125kN，使得半球形件不發(fā)生起皺與拉裂。壓邊力低于50kN，起皺為限制成形性能的主要因素，高于125kN，減薄和斷裂成為限制成形的主要因素。

（2）對于半球形拉深件，采用變壓邊力可明顯提高工件成形質(zhì)量。通過對比6種變壓邊力控制曲線對半球形件拉深模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：采用曲線6（開口向上拋物線形），半球形件質(zhì)量最好，厚度分布較均勻，最大增厚率和減薄率分別為22.4%和12.2%。

圖5 采用曲線6控制方式下的拉深成形極限

[1]呂盾，陳煒，姜銀方，等.變壓邊力控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].模具工業(yè)，2006，32（4）：37-41.

[2]郝愛國，周朝輝，曹海橋.淺球形件成形的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2009，38（1）：91-97.

[3]王孝培.沖壓手冊、[M]2版.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[4]孫成智，陳關(guān)龍，林忠欽等.利用變壓邊力控制技術(shù)改善盒形件成形性能[J].上海交通大學學報，2003，37（12）：83-86.