封頭沖壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

摘要：對薄壁封頭的沖壓技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，介紹了薄壁封頭沖壓技術(shù)原理及其技術(shù)要點(diǎn)，總結(jié)了薄壁封頭沖壓過程中易出現(xiàn)的缺陷及其解決辦法，通過數(shù)值模擬方式分析了薄壁封頭沖壓過程中起皺和回彈影響因素，最后對大型薄壁封頭沖壓技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：薄壁封頭;沖壓;缺陷;數(shù)值模擬

1.薄壁封頭沖壓技術(shù)及其現(xiàn)狀

1.1 薄壁封頭的沖壓成形原理

薄壁封頭沖壓成形屬于復(fù)雜曲面零件的深拉伸成形范疇。與筒行件相比，封頭沖壓成形機(jī)理更加復(fù)雜，在成形過程中，不僅法蘭部分的毛坯是變形區(qū)，而且毛坯中部也是變形區(qū)，尤其中部處于懸空狀態(tài)的毛坯，由于不受模具的直接作用，其變形狀態(tài)和趨勢只能通過其他途徑來控制，是薄壁封頭成形中的難點(diǎn)。能否有效控制懸空部分毛坯正確成形是整個(gè)工藝的關(guān)鍵。

薄壁封頭的拉深是金屬平板被拉深成封頭形狀的過程，如圖1所示.

圖1" 封頭沖壓成形工藝原理圖

在成形過程中，中部毛坯徑向始終處于拉應(yīng)力的作用下，而維向應(yīng)力在凸模頂點(diǎn)附件為拉應(yīng)力狀態(tài)，其大小隨半徑的加大而減小，在超過一定半徑后變?yōu)閴簯?yīng)力。

應(yīng)力分界圓外的毛坯在成形過程中處于一向受拉和另一向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，與筒形件拉深時(shí)變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)相同，其變形機(jī)理屬于拉深變形，稱之為曲面零件的第一成形原理。在應(yīng)力分界圓內(nèi)，板料在成形過程中處于雙向拉應(yīng)力的狀態(tài)，板料在此應(yīng)力狀態(tài)下，產(chǎn)生厚度變薄的脹形，稱之為曲面零件的第二成形機(jī)理。凸模形狀不同，則成形后依靠的拉深機(jī)理和脹形機(jī)理各自形成部分所占比例不同。

1.2 薄壁封頭的沖壓技術(shù)要點(diǎn)

（1）凹模圓角半徑的確定

一般來說，圓角R盡可能取大些，大的R可以降低極限拉深系數(shù)，減少?zèng)_壓時(shí)摩擦阻力、提高材料的流動(dòng)性，從而提高橢球體表面質(zhì)量，但是R過大時(shí)會(huì)削弱壓邊圈的作用，引起起皺和鼓包現(xiàn)象;R過小時(shí)使材料流動(dòng)性降低，使封頭表面質(zhì)量降低甚至產(chǎn)生龜裂形成裂紋源，導(dǎo)致封頭被拉裂，還會(huì)降低模具的使用壽命，因此圓角R的大小要適當(dāng)。

（2）模具間隙的確定

一般來說，間隙過小會(huì)增大沖壓時(shí)摩擦阻力、降低材料的流動(dòng)性，降低工件表面質(zhì)量、使工件拉伸后變得更薄，甚至產(chǎn)生龜裂形成裂紋源，導(dǎo)致封頭表面拉裂，降低模具使用壽命;間隙過大沖壓時(shí)摩擦阻力會(huì)減小、材料的流動(dòng)性增大，引起皺褶和鼓包現(xiàn)象，因此模具間隙大小要適當(dāng)。

（3）拉深次數(shù)的確定

拉深次數(shù)和拉深量是沖壓工藝編制中的關(guān)鍵點(diǎn)之一，直接關(guān)系到拉深件的質(zhì)量和拉深工作的經(jīng)濟(jì)性。拉深次數(shù)決定于每次拉深時(shí)允許的極限變形程度，拉伸系數(shù)是衡量拉深變形程度的一個(gè)重要的工藝參數(shù)。

（4）沖壓板料尺寸的確定

沖壓板料毛坯尺寸過大將導(dǎo)致封頭沖壓過程中主缸壓力增大，封頭直線段部位減薄嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生龜裂成為裂紋源，誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生;沖壓板料毛坯尺寸過小導(dǎo)致所需壓邊力過大，當(dāng)設(shè)備壓邊力不夠大時(shí)沖壓過程中板料流動(dòng)過快就會(huì)引起鼓包、起皺的產(chǎn)生。

1.3 薄壁封頭沖壓過程中易出現(xiàn)的缺陷及解決方法

薄壁封頭沖壓成形是一種典型坯料塑性加工工藝，整個(gè)坯料在成形過程中發(fā)生劇烈的金屬塑性流變，各部分應(yīng)力、應(yīng)變和金屬流動(dòng)狀態(tài)極為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確定量控制，易形成如周邊起皺、起包、橢圓變形及直邊處縱向裂紋等缺陷。

（1）周邊起皺

封頭沖壓時(shí)坯料外緣的壓縮量最大。此壓縮量向三個(gè)方向流動(dòng)，增加邊緣厚度;拉深時(shí)向中心流動(dòng)，補(bǔ)充徑向拉薄;向外自由伸長，即徑向擴(kuò)大。由于徑向流動(dòng)阻力小，所以向外伸長往往較大。如果坯料較薄或模具不當(dāng)、工藝不當(dāng)，使封頭在拉延過程中其變形區(qū)切向壓應(yīng)力大于徑向拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)喪失穩(wěn)定而產(chǎn)生周邊皺折。

影響起皺產(chǎn)生的主要原因是坯料的相對厚度，相對厚度越大，坯料邊緣穩(wěn)定性越好，切向壓應(yīng)力只能使板邊變厚;相對厚度越小，對板邊縱向彎曲抗力越小，易喪失穩(wěn)定而起皺。此外，板坯加熱溫度不均、模具間隙及下模圓角太大、坯料焊縫太高、壓邊力太小或不均等都能產(chǎn)生皺折。坯料產(chǎn)生皺折后，很難通過上下模具間的間隙，容易被拉斷。即使通過下模，起皺也無法消除，影響封頭質(zhì)量。

通過使用壓邊圈，可以防止起皺的產(chǎn)生。壓邊圈的壓力應(yīng)合適，壓力過大增大摩擦力，使拉應(yīng)力增大，封頭被拉薄甚至拉斷;過小則不能防止起皺的產(chǎn)生。不產(chǎn)生起皺最適宜的壓邊力應(yīng)是一個(gè)變值，即應(yīng)隨沖頭向下行程的增加而逐漸加大，這在實(shí)際生產(chǎn)中是難以實(shí)現(xiàn)的。

（2）起包

在一般薄壁橢圓封頭的拉深過程中，起包現(xiàn)象多發(fā)生在封頭曲率較大的部位。

采用圈形整體式壓延模，先對封頭折邊附近的大曲率部位進(jìn)行預(yù)壓，使坯料成為平底鍋形，再用凸模壓制成型這樣，在曲率較大的部位，由于預(yù)壓成了一定的幾何形狀，在其預(yù)壓區(qū)域存在冷作硬化現(xiàn)象，增強(qiáng)了坯料變形過程中的剛性，則避免了起包現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）橢圓變形及直邊縱向裂紋

橢圓變形產(chǎn)生的原因是脫模方法不當(dāng)，或封頭吊運(yùn)溫度太高。直邊處縱向裂紋是危害性較大的一種缺陷。產(chǎn)生的原因是坯料邊緣不光滑或有缺口、脫模溫度太低等。這兩種缺陷的防止方法是仔細(xì)檢查和清理坯料邊緣，合理制定加熱規(guī)范和控制脫模溫度。

此外，直邊拉痕或壓坑也是常出現(xiàn)的缺陷。原因是下模及壓邊圈工作表面粗糙，潤滑不好，坯料氣割熔渣未清除。防止方法是提高下模壓邊圈工作表面的光滑度，合理使用潤滑劑，清除坯料上熔渣及氧化皮等。

2.薄壁封頭沖壓技術(shù)在數(shù)值模擬中的應(yīng)用

通過長期的生產(chǎn)實(shí)踐摸索，現(xiàn)已建立了較為成熟的常規(guī)薄壁封頭沖壓成形工藝，但也是僅停留在粗略的定性分析和工人豐富經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的控制成形質(zhì)量的工藝措施，更多的時(shí)候采用增加坯料厚度的方法來滿足封頭承壓要求，但是這樣導(dǎo)致封頭厚度變大，制造成本顯著增加。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算理論的快速發(fā)展，利用有限元等數(shù)值計(jì)算軟件來優(yōu)化封頭成形工藝的研究受到廣泛關(guān)注，如使用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩種方法研究了內(nèi)部施加載荷的蝶形封頭在彈塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，如數(shù)值計(jì)算研究了分別施加內(nèi)、外載荷的橢圓封頭在彈性和塑性階段應(yīng)力應(yīng)變分布，也確定了這些封頭內(nèi)、外臨界壓力值。這些研究和理論分析為封頭成形制造過程由定性分析向定量控制轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)支持。

3.1 薄壁封頭起皺缺陷的有限元模擬

在薄壁封頭拉深成形中，起皺是一個(gè)比較常見的問題。起皺將導(dǎo)致工件重新設(shè)計(jì)，并重新進(jìn)行拉深成形，勢必會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，成本增加。如何避免起皺，已經(jīng)被得到了重視。對于拉深中出現(xiàn)的起皺現(xiàn)象，已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算研究這一現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理，如采用能量方法分析了圓盤在沖壓過程中的起皺現(xiàn)象，如研究承受平面徑向拉應(yīng)力的環(huán)形平板的彈性起皺問題。

大量的文獻(xiàn)證明有限元方法能夠成為一個(gè)模擬薄壁封頭拉深成形的強(qiáng)有力的分析工具。如果有限元分析建立在可靠的數(shù)據(jù)、正確的模型和適當(dāng)?shù)姆治龇椒ɑA(chǔ)之上，那么有限元分析將能足夠可靠的預(yù)測薄壁拉深成形結(jié)構(gòu)，并能直接指導(dǎo)模具的設(shè)計(jì)。

一般有兩種有限元方法模擬失穩(wěn)起皺的發(fā)生，即線性（特征值）分析和非線性分析。對于線性分析，其中的剛度矩陣是獨(dú)立的負(fù)載和位移，特征值分析是最適合的方法。大部分商業(yè)代碼提供特征值翹起分析模塊。在程序中材料屬性和幾何形狀都是非線性存在的，剛度矩陣是載荷、位移和應(yīng)變的函數(shù)，從而要求一個(gè)非線性解。在非線性有限元分析中，有許多準(zhǔn)則被用來確定起皺發(fā)生時(shí)的增量，在有些情況下，載荷的單一增加引起起皺結(jié)構(gòu)如此的嚴(yán)重以至于分析不能夠收斂。

2.2 薄壁封頭回彈的有限元模擬

球形薄壁封頭是由圓形板料沖壓而成的，圓板是最簡單的耦幾何與物理非線性為一體的力學(xué)分析模型。多年以來，對圓板各種力學(xué)性質(zhì)的研究一直受到廣泛的重視，因?yàn)閳A板在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用非常廣泛，尤其是各種回轉(zhuǎn)體構(gòu)件多由圓板加工而成。

通過對圓形板料雙向彎曲受力和變形進(jìn)行分析，及實(shí)際工件成形實(shí)驗(yàn)分析，將為具體評(píng)估材料的可彎曲性、計(jì)算成形所需的力、設(shè)計(jì)模具、預(yù)報(bào)彎曲或沖壓后的回彈以提高產(chǎn)品的尺寸精度、確定成形后工件內(nèi)的殘余應(yīng)力，防止在成形過程中產(chǎn)生缺陷提供理論分析依據(jù)，大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并滿足容器制造業(yè)提高標(biāo)準(zhǔn)后的技術(shù)需求。

3.薄壁封頭沖壓技術(shù)的展望

薄壁封頭一般用于壓力容器等安全部件，因此對其壽命有嚴(yán)格要求。但目前針對封頭壽命的評(píng)估均是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，對于沖壓等制造過程的影響還未作考慮，因此如何準(zhǔn)確預(yù)測薄壁沖壓封頭內(nèi)的殘余應(yīng)力，并通過工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、新的沖壓工藝或增加表面處理實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高壽命薄壁沖壓封頭制造。具體需在如下幾個(gè)方面開展相關(guān)研究工作：（1）封頭材料復(fù)雜本構(gòu)模型建立及其應(yīng)用：主要是考慮材料的各向異性和動(dòng)態(tài)硬化，實(shí)現(xiàn)沖壓后零件內(nèi)的回彈和殘余應(yīng)力分布的準(zhǔn)確計(jì)算;（2）殘余應(yīng)力分布對封頭疲勞性能的影響規(guī)律;（3）沖壓封頭殘余應(yīng)力的主動(dòng)控制方法

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