圓錐形凹模徑向分塊壓邊拉深工藝實驗研究

圓錐形凹模徑向分塊壓邊拉深工藝實驗研究

燕山大學(xué),秦皇島,066004

摘要：采用圓錐形凹模拉深工藝可以提高成形極限，但需要用壓邊圈將板坯先壓成與凹模面吻合的形狀，當(dāng)變形程度較大時，板坯很容易起皺。為了克服這一缺點，提出了將圓錐形凹模與徑向分塊壓邊方法結(jié)合的工藝，該工藝可有效改善壓邊圈與板坯的約束狀態(tài),從而達(dá)到抑制起皺的目的。對圓筒形件的拉深成形，采用了剛?cè)釓?fù)合的徑向分塊壓邊圈結(jié)構(gòu)，設(shè)計了圓錐形凹模徑向分塊多壓邊圈拉深模，取不同凹模半錐角的圓錐形凹模進(jìn)行了圓筒形件的拉深成形實驗。實驗表明,新的壓邊方法能有效克服初始成形過程的起皺，可與錐度較小的凹模一起使用。采用凹模半錐角為45°的凹模,得到AA5754、AA6061和08Al三種板材的極限拉深系數(shù)分別為0.410、0.431、0.373，顯著提高了成形極限。對圓錐形凹模的拉深成形，給出了理論計算成形極限的方法，理論與實驗結(jié)果非常接近。

關(guān)鍵詞：圓錐形凹模拉深成形；徑向分塊壓邊；起皺；拉深成形極限

中圖分類號:TG386.1

收稿日期：2014-12-29

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51175451)

作者簡介:孔曉華,男,1982年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向為板材成形工藝。發(fā)表論文1篇。秦泗吉(通信作者),男,1963年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。陸宏，女，1962年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。鄭星，男，1986年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

Experimental Research on Deep Drawing Process Using

Radial Segmental Blank Holders with Conical Die

Kong XiaohuaQin SijiLu HongZheng Xing

Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract:The forming limit could be improved by using the conical die in the deep drawing process when the blank was drawn to the shape accordant to the inside surface of the die.And the blank wrinkled easily during the large deformation process.A new technology combining the conical die with the radial segmental blank holding technique was proposed to improve the restrain conditions between the blank holders and the blank and to suppress the wrinkles.The drawing die were designed with the conical die and the rigid-flexible composite segmental blank holders and the experiments for the cylindrical cup deep drawing process were conducted using the conical dies with different die semi-cone angles.The results reveal that the wrinkles at the beginning of the drawing process can be overcame effectively by the new blank holding method with smaller conical angles. The forming limit coefficients for AA5754, AA6061 and 08AL are as 0.410,0.431 and 0.373 respectively,which are enhanced effectively, adopting the die with 45° die semi-cone angle.The theoretical forming limit calculation method for the deep drawing process with the conical die is given and the theoretical results are accordant with the experimental ones.

Key words:deep drawing process with conical die; radial segmental blank holding; wrinkling; forming limit of deep drawing

0引言

對拉深成形,提高成形極限的方法主要有兩類。一是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上，對成形過程進(jìn)行精確控制，使成形過程的控制參數(shù)按工藝要求的最佳方式變化，如采用變壓邊力控制；二是開發(fā)新的成形工藝，如多點成形、分塊壓邊成形、借助于液體或固體顆粒等傳力介質(zhì)的成形等,一般是通過改變板坯的加載方式,使其達(dá)到最佳或較佳的成形效果，進(jìn)而提高成形極限。

對于普通的拉深成形,可以通過控制壓邊力的大小或采用分塊壓邊方法,控制成形過程達(dá)到較好的成形效果。為此，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。Kergen等[1]通過實驗研究了圓筒形件拉深成形工藝，設(shè)計了最佳壓邊力控制曲線，提高了極限拉深比。Manabe等[2]基于塑性理論模型給出了各向異性板材的破裂極限力和起皺極限力理論計算公式,并研究了圓筒形件法蘭區(qū)皺紋高度與成形性能的關(guān)系。Siegert等[3-4]提出了分塊壓邊概念，并分析了帶有分塊壓邊圈的拉深成形裝置。Yagami等[5]在以上研究的基礎(chǔ)上將壓邊圈分成108個獨立的壓邊塊，每3個一組共由36個小液壓缸分別控制，對盒形件法蘭區(qū)的不同質(zhì)點進(jìn)行分塊多點壓邊。Hassan等[6]將壓邊圈設(shè)計成上下兩層結(jié)構(gòu)，依靠上層的壓邊圈沿徑向移動來施加壓邊力，此方法通過改變變形區(qū)摩擦力的方向有效地控制了金屬的流動，提高了圓筒形件的成形極限。趙磊等[7]對汽車后柱加強(qiáng)板的成形進(jìn)行了研究，表明分塊壓邊不僅能減小零件的起皺和破裂，還能減小零件的回彈。

上述文獻(xiàn)中的分塊壓邊方法,多是針對非軸對稱零件，即將壓邊圈沿周向分塊，對不同變形區(qū)域的變形質(zhì)點分區(qū)控制，從而控制金屬流動，達(dá)到改善成形效果的目的。徑向分塊壓邊方法針對軸對稱拉深成形的特點，將壓邊圈沿徑向分塊，這種方法既能達(dá)到分區(qū)控制金屬流動的目的，又能使工藝過程簡便[8]。

采用錐形或其他曲面形狀的凹模進(jìn)行拉深成形，可以提高成形極限。熊志清[9]分析了采用錐形凹模的無壓邊模具，研究了圓筒形件拉深的起皺和破裂問題，預(yù)測了成形極限。Hezam等[10]提出了錐形凹模拉深盒形件的方法，實驗結(jié)果表明錐形凹?？色@得較高的極限拉深比。劉瓊等[11]結(jié)合0.618黃金分割法找到了曲面凹模的極限拉深系數(shù)，并將其與平端面凹模相比，得出了曲面凹模可以減小極限拉深系數(shù)的結(jié)論。

圓錐形凹模拉深成形時，先要用錐形壓邊圈將板坯壓成錐形，此時的變形相當(dāng)于在沒有壓邊的情況下，將圓形平板毛坯拉深成圓錐形零件，這個過程很容易起皺。采用徑向分塊壓邊方法可以克服這一缺點，將其與錐形凹模結(jié)合進(jìn)行拉深成形，可達(dá)到提高成形極限的目的。

1圓錐形凹模拉深成形的力學(xué)分析

1.1圓錐形凹模拉深成形特點

采用錐形凹模進(jìn)行圓筒形件的拉深成形,就是用錐形壓邊圈先使平板毛坯的法蘭變形區(qū)變成錐形，并壓緊在凹模的錐面上，隨后完成拉深過程。用錐形壓邊圈成形錐形的過程，相當(dāng)于完成了第一道無壓邊圈的拉深工序，因此，這種成形方法可提高成形極限。

采用錐形凹模成形一般選擇整體的錐形壓邊圈，在預(yù)先成形時，因板坯處于自由狀態(tài)，當(dāng)板坯相對厚度較小或凹模錐角較小、變形程度較大時，板坯起皺可能性增大。

1.2圓錐形凹模拉深成形力學(xué)分析

圓錐形凹模拉深成形的變形區(qū)包含錐形凹模區(qū)、直壁區(qū)和凸模圓角等區(qū)域。力學(xué)分析一般先從錐形凹模區(qū)開始。

圖1所示為半微錐環(huán)的受力情況。圖中符號含義為：OO′為對稱軸線;r、r+dr分別為微錐環(huán)小端和大端徑向尺寸;t、t+dt分別為厚度方向尺寸;ds為微錐體母線長度;α為錐面母線與對稱軸的夾角,稱為半錐角；σρ、σρ+dσρ分別為上下緯端面上作用的經(jīng)向應(yīng)力;σθ為作用于微錐殼體上的緯向應(yīng)力;p為作用于殼體內(nèi)表面的單位面積上的壓力。

圖1　圓錐形零件半微錐環(huán)受力分析

因作用于板厚方向上的力很小,根據(jù)軸對稱問題的分析方法,采用薄膜假設(shè)條件,列平衡方程[12]:

d(σρtrcosα)=prsinαds

(1)

σθtds-sinαd(σρtr)=prcosαds

(2)

由式(1)、式(2)消去p,得

d(σρtr)=σθtdr

(3)

式(3)與平面內(nèi)軸對稱問題的平衡方程式在形式上完全相同,又可寫成

(4)

若進(jìn)一步設(shè)厚度不變,式(4)可簡化為

(5)

采用Hollomon材料硬化模型,且假設(shè)板材具有面內(nèi)同性、厚向異性,根據(jù)文獻(xiàn)[13]的分析方法,設(shè)初始板坯外半徑R0拉深至法蘭外緣為Rw的位置時,板坯在凹模圓角處的經(jīng)向應(yīng)力最大，其值為

(6)

σF=(μsinα-0.5cosα)F/(πRwtw)

(7)

式中,μ為板坯在法蘭區(qū)與凹模和壓邊圈的摩擦因數(shù)；tw為對應(yīng)法蘭外緣的板厚,計算時可近似以初始板厚t替代。

式(7)表明,半錐角α越小,附加應(yīng)力越小,破裂趨勢越小。

參照文獻(xiàn)[13]的近似計算方法,并考慮板坯經(jīng)過凹模圓角處的摩擦，板坯在凹模圓角處的經(jīng)向應(yīng)力為

(8)

式(8)表明,凹模圓角處的經(jīng)向應(yīng)力是拉深位置的函數(shù),可以驗證,這是一個上凸函數(shù)，有最大值，設(shè)其最大值為σr0max 。

圖2所示為不同凹模錐角情況下，凹模口經(jīng)向應(yīng)力相對值隨拉深位置Rw/R0的關(guān)系曲線。參數(shù)取值為：R=1.2，B=450MPa,n=0.25,R0=100mm,r0=45mm,μ=0.12,t=1mm,F=10kN?？梢钥闯?凹模錐角對經(jīng)向應(yīng)力的影響是很顯著的。

圖2　凹?？诮?jīng)向應(yīng)力相對值隨拉深相對位置變化情況

參考文獻(xiàn)[12]對圓筒形件拉深成形問題的分析,考慮凸凹模圓角的彎曲影響,危險端面的最大拉應(yīng)力σmax為

σmax=σr0maxkd/kp

(9)

kp=1/(1+t/rp)kd=(1+t/rd)/(1+0.5t/rd)

式中,rp、rd分別為凸模和凹模圓角半徑。

當(dāng)σmax符合下列條件時,即產(chǎn)生破裂[14]:

(10)

當(dāng)材料性能參數(shù)和成形參數(shù)已知,由式(9)和式(10)可計算出極限拉深系數(shù)。

2圓錐形凹模徑向分塊壓邊拉深成形工藝

對軸對稱拉深成形，由于法蘭區(qū)的金屬變厚，最外緣部分最厚，采用普通的平壓邊圈,所產(chǎn)生的壓邊力只是部分地作用在最外緣的金屬板坯上，而不是作用在整個法蘭區(qū)。徑向分塊壓邊工藝是將壓邊圈沿徑向分成若干部分，與普通壓邊方法相比，增大了板坯的約束程度，在總壓邊力相同的情況下，壓邊效果會更好，或所需的起皺臨界壓邊力較小。

對軸對稱曲面零件的成形采用徑向壓邊方法，因各個壓邊圈之間可以沿軸向移動，這樣可以使壓邊圈在成形過程中當(dāng)板坯的形狀變化時仍起到壓邊作用。

根據(jù)前面的分析，采用圓錐形凹模拉深時，由于所使用的普通壓邊方法難以有效地約束板坯,故起皺趨勢增大。將圓錐形凹模拉深和徑向分塊壓邊方法結(jié)合，可以克服普通壓邊方法不能將板坯有效壓住的缺點，增強(qiáng)壓邊效果,提高成形極限。

圖3是采用錐形凹模，分別選取普通錐形壓邊圈和徑向分塊壓邊方法的拉深成形模具示意圖。

(a)普通壓邊方法

(b)徑向分塊壓邊方法 圖3　圓錐形凹模普通壓邊與徑向分塊壓邊工藝

3圓錐形凹模徑向分塊壓邊工藝實驗

3.1實驗?zāi)＞咴O(shè)計和工作原理

將多個徑向分塊壓邊圈和錐形凹模組合進(jìn)行圓筒形件的拉深成形，首先需要用壓邊圈將板坯壓成與錐形凹模面輪廓吻合的形狀,為實現(xiàn)這一目的,采用了剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖4所示。

1.螺釘　2.模柄　3.凸模　4.限位螺釘　5.上壓板　6.橡膠塊 7.壓邊圈組　8.螺釘　9.壓邊圈套　10.圓錐形凹模 圖4　錐形凹模徑向分塊多壓邊圈拉深模具

圖4為圓錐形凹模徑向分塊壓邊拉深實驗?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)圖。圖中上壓板5、橡膠塊6、壓邊圈組7和壓邊圈套9組成剛?cè)釓?fù)合的壓邊圈。壓邊圈組7共有5級壓邊圈。

圖4左半部分為模具工作的初始狀態(tài),右半部分為壓邊圈組將板坯壓成圓錐形后的狀態(tài)。具體工作過程為：在1、2、3放入模具之前，先將壓力機(jī)滑塊下行，使其作用在壓邊圈上,下行一段距離，使壓邊圈組對板坯預(yù)成形并與錐形凹模接觸，壓力機(jī)滑塊返回后擰緊螺釘4和8，然后放入件2和3，擰緊螺釘1。壓力機(jī)滑塊下行與凸模3接觸后繼續(xù)下行,即可完成拉深過程。

滑塊第一次下行是為了完成拉深前的壓邊過程，當(dāng)設(shè)備或模具有單獨的壓邊系統(tǒng)時，壓邊和拉深的成形過程可以一次完成。實驗過程中壓邊力的大小可通過改變螺釘4的長度進(jìn)行調(diào)整。

在壓邊圈組7將板坯壓成錐形的過程中，橡膠塊6在5作用下，將力傳遞給壓邊圈組7，外層壓邊圈首先將板坯的局部壓成與凹模面吻合的形狀，隨著壓入深度的增加，從外到內(nèi)的各層壓邊圈逐漸將板坯壓成錐形凹模面的形狀，在成形過程中，內(nèi)層的壓邊圈起到凸模的作用，而外層的壓邊圈起到了壓邊作用。顯然這樣的成形過程，比普通整體的錐形壓邊圈更不容易起皺。與普通方法相比，可能成形的錐角更小，變形程度更大。

當(dāng)設(shè)備有單獨的壓邊系統(tǒng)或彈性壓邊裝置時，對上面的設(shè)計稍作改進(jìn)，去掉螺釘8，將上壓板5與壓邊裝置相連即可用于實際生產(chǎn)。

3.2實驗條件

實驗材料為AA5754、AA6061鋁板和08Al鋼板。實驗設(shè)備為H1F80伺服壓邊力。潤滑方式為機(jī)油潤滑。

模具幾何參數(shù)如下:凹模內(nèi)徑30mm，凹模圓角半徑6mm，凸模直徑27.8mm,凸模圓角半徑4mm,凹模半錐角為90°、70°、45°和30°,壓邊力根據(jù)拉深實驗結(jié)果通過改變螺釘4的長度來進(jìn)行調(diào)整。

圖5為拉深實驗所采用的設(shè)備和模具。圖6為實驗?zāi)＞卟糠至慵掌?/p>

圖5　實驗設(shè)備及模具

(a)半錐角為90°和70°的凹模

(b)半錐角為45°和30°的凹模

(c)徑向分塊多壓邊圈 圖6　實驗?zāi)＞卟糠至慵?

材料的性能參數(shù)(由單向拉深試驗測定)和板坯的幾何參數(shù)見表1。

表1　板坯幾何參數(shù)和材料性能參數(shù)

3.3實驗結(jié)果及分析

選取不同錐度的凹模與徑向分塊壓邊圈進(jìn)行拉深實驗，結(jié)果表明，若凹模錐角太大，則提高成形極限的效果有限；若凹模錐角太小,則板坯被壓成錐形凹模面的變形程度太大，容易起皺。在進(jìn)行圓筒形件拉深成形極限實驗時,選擇了凹模半錐角為45°的凹模。

取不同材質(zhì)和幾何尺寸的板坯進(jìn)行了圓筒形件的拉深成形實驗，測量了極限拉深系數(shù)，并與采用式(10)計算得到的極限拉深系數(shù)進(jìn)行了比較。理論計算所用的壓邊力與實驗所采用的壓邊力相同，用實測方法得到。具體方法是，去掉圖3中的1、2、3和4，在材料試驗機(jī)上將橡膠壓縮至與實驗相同的位置，測量出壓邊力的大小,然后將適當(dāng)長度的螺釘4擰緊即可。在其他成形條件相同的情況下，鋁板與鋼板相比，起皺趨勢增大，壓邊力并無明顯減小。因此,對不同板坯，實驗采用的壓邊力都為980N。表2為不同板坯的極限拉深系數(shù)實驗值與理論計算值。

表2　圓筒形件極限拉深系數(shù)實驗與理論計算結(jié)果

圖7所示為部分拉深實驗樣件。根據(jù)理論分析并經(jīng)實驗驗證，采用普通成形方法得到的AA5754、AA6061和08Al三種材料的極限拉深系數(shù)分別不小于0.49、0.52和0.46。顯然,采用圓錐形凹模徑向分塊多壓邊圈圓筒形件拉深工藝，提高成形極限顯著。

(a)AA6061和AA5754

(b)08Al 圖7　拉深件照片

4結(jié)論

(1)提出了將徑向分塊壓邊方法與圓錐形凹模相結(jié)合的拉深工藝，設(shè)計了剛?cè)釓?fù)合的分塊壓邊圈結(jié)構(gòu)。這種成形方法可以避免采用普通壓邊圈而產(chǎn)生的起皺缺陷。

(2)選取AA5754、AA6061和08Al三種不同材質(zhì)的板坯，用實驗方法分析了采用徑向分塊壓邊與圓錐形凹模進(jìn)行圓筒形件拉深的成形極限，極限拉深系數(shù)分別為0.410、0.431和0.373。

(3)在一定的假設(shè)條件下,采用理論分析方法,計算了三種板坯采用圓錐形凹模成形的極限拉深系數(shù)，與實驗結(jié)果非常接近。

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(編輯袁興玲)