寬凸緣拉深件工藝模擬分析及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周海蔚

（廣州市機(jī)電高級(jí)技工學(xué)校，廣州510000）

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寬凸緣拉深件工藝模擬分析及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周海蔚

（廣州市機(jī)電高級(jí)技工學(xué)校，廣州510000）

摘要：本文主要針對(duì)寬凸緣拉深件工藝的模擬及模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開了探討，對(duì)拉深工藝、模擬結(jié)果等方面作了系統(tǒng)的分析，并對(duì)模具的結(jié)構(gòu)及工作過程作了詳細(xì)的闡述，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：寬凸緣拉深件模擬分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

寬凸緣件拉深是拉深模設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，因此，為了保障其拉深工作的質(zhì)量，我們就需要對(duì)相應(yīng)的工藝進(jìn)行模擬，并進(jìn)一步優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)，以防止寬凸緣件拉深出現(xiàn)不必要的問題?；诖?，本文就寬凸緣拉深件工藝的模擬及模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了探討，相信對(duì)有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1 拉深工藝分析

拉深工藝零件如下圖所示，所選材料為08鋼，用t代表其厚度，該零件厚度為1.5mm。因其df/d的值大于1.4（其中df的值取50mm，d的值取16.5mm），所以該零件為寬凸緣筒形件。經(jīng)計(jì)算，D（毛坯直徑）的值為54mm，其相對(duì)厚度的計(jì)算方法為t/D即1.5/54×100，固毛坯的相對(duì)厚度為2.7，所以由此判定該零件可以通過一次性拉深成形。R為零件半徑，經(jīng)計(jì)算，工件底部半徑與工件口部的圓角半徑相等，均為1.5mm。由于尺寸偏小，所以在該工件拉深成形后，為了使零件尺寸的精確度得到保障，需再經(jīng)過整形工序?qū)ζ溥M(jìn)行深加工。

圖1 工藝零件圖

2 有限元模型的建立以及模型參數(shù)的設(shè)定

由于圓筒形拉深件為軸對(duì)稱工件，所以對(duì)其進(jìn)行拉深成形的模擬分析應(yīng)當(dāng)充分利用Deform-2D軟件，可以用1/2圓筒形拉深件的簡(jiǎn)化模擬模型進(jìn)行分析，以達(dá)到提高其計(jì)算效率的目的，如圖2。凸模、凹模和壓邊圈在建模時(shí)應(yīng)當(dāng)設(shè)置成剛性模型，而工件的坯料應(yīng)當(dāng)為塑性，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行劃分，形成七千個(gè)網(wǎng)格，其中凸模應(yīng)以每秒5mm的速度下行。假定在零件成形的過程中溫度效應(yīng)對(duì)其不產(chǎn)生影響，且過程中的潤滑狀況良好，凸模與板料之間產(chǎn)生的剪切摩擦系數(shù)=0.12，壓邊圈與板料之間的庫侖摩擦系數(shù)=0.08。

圖2 1/2圓筒形拉深件模擬模型

圖3 成形后零件模型

3 分析工件的模擬結(jié)果

3.1 分析材料的減薄率

零件成形后的厚度效果如圖3所示。由此可見，凸緣位置零件在其成形過程中厚度基本不發(fā)生改變，而在筒壁傳力區(qū)與底部圓角區(qū)中間的過渡部分厚度變化最為明顯，通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其厚度從成形前的1.5mm降低為1.14mm，板料壁厚的減薄率最大可達(dá)24%。根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要想使工件安全可行，其減薄率應(yīng)小于30%。圓角半徑在凸模成形的過程中，嚴(yán)重影響著材料流動(dòng)。保持其他參數(shù)不變，為了深入研究影響板料減薄率的相關(guān)因素，需對(duì)不同凸模材料的圓角半徑的最大減薄率進(jìn)行分析，如圖4。

圖4 圓角半徑與減薄率間關(guān)系圖

由圖4可知，零件在拉深成形時(shí)，凸模圓角半徑越大，材料最大減薄率越小。由于凸模圓角半徑偏小會(huì)對(duì)筒形內(nèi)部材料的流動(dòng)形成阻礙，當(dāng)凸模底部材料在經(jīng)過拉深成形處理后流入凹模時(shí)，板料與模具之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，凸模底部材料產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力也會(huì)隨之增大，該區(qū)域產(chǎn)生的變形阻力也會(huì)因此增大。凸緣位置材料的流動(dòng)性越差，越能提高筒壁區(qū)域材料的最大減薄率。所以圓角半徑越大，對(duì)材料的流動(dòng)就越有利，也能降低材料的減薄率。

3.2 分析零件的壓邊力

零件在進(jìn)行拉深成形時(shí)，壓邊力隨拉深力的變化而變化。從開始拉深到出現(xiàn)筒壁直壁，由于材料的變形相對(duì)明顯，其壓邊力也逐漸變大，為了防止凸緣部分材料起皺，因此需要用壓邊力較大的壓緊板料對(duì)其進(jìn)行壓緊。在拉深成形的后期，凸緣位置材料的變形量相對(duì)減少，因此，其壓邊力也應(yīng)當(dāng)及時(shí)減小。如果選用的壓邊力過大，凸緣位置材料將很難流入凹模型腔，從而容易使直壁部位與零件底部的圓角過渡區(qū)內(nèi)的材料破裂。本案例中的壓邊力FY取7.2kN，工件沒有拉裂、起皺的現(xiàn)象出現(xiàn)，表明所設(shè)的壓邊力值相對(duì)合理。而按照上述的模擬方法計(jì)算出的材料最大減薄率可達(dá)34%，所以在生產(chǎn)中很容易造成工件拉破。所以應(yīng)多次進(jìn)行減小壓邊力的模擬，以使材料起皺。材料起皺現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，壓邊力的取值為3.2kN，此時(shí)，壓邊圈不具有壓邊效果。如圖5即為Rd（凹模圓角半徑）取4mm時(shí)，模擬壓邊力與最小壁厚的關(guān)系。

圖5 壓邊力與工件最小壁厚關(guān)系圖

如圖5所示，壓邊力越大，工件的最小厚度越小，其減薄程度越嚴(yán)重，厚度逐漸由1.275mm降低至1.125mm。工件壁厚減薄現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于壓邊力變大，模具與板料產(chǎn)生的摩擦阻力也相對(duì)變大，從而使凸緣的材料難以向凸、凹模間隙進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

對(duì)拉深工藝的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出當(dāng)模具速度為每秒5mm，壓邊力達(dá)到4kN，凸模圓角半徑為4.5mm，凹模圓角為4mm時(shí)，可以利用Dynaform軟件進(jìn)行寬凸緣筒形件的模擬試驗(yàn)，進(jìn)而得出FLD，詳見圖6。

圖6 工件成形極限圖

由圖6可知，板料成形于安全區(qū)，工件的底部、凸緣區(qū)板料、和工件的筒部均變形均勻，無危險(xiǎn)區(qū)域出現(xiàn)，因此該產(chǎn)品合格。

4 模具結(jié)構(gòu)及其工作過程

如圖7，即為經(jīng)過落料拉深復(fù)合模沖壓成形的工件模具結(jié)構(gòu)，模架采用的是標(biāo)準(zhǔn)的中間導(dǎo)柱式。模具在工作過程中，條料從前向后沿著導(dǎo)料銷8進(jìn)行送料，限位由擋料銷27控制，上模向下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，落料工序由凸凹模7的外緣部分與落料凹模20進(jìn)行，之后繼續(xù)下行，進(jìn)入深度為2.5mm的落料凹模20后，工件的拉深成形工作將通過凸凹模7、壓邊圈10與拉深凹模20的共同作用才能逐漸實(shí)現(xiàn)。拉深完畢，上模部分轉(zhuǎn)為上行，從凸凹模7中經(jīng)打桿1將工件推出，之后經(jīng)卸料板21和凸凹模7進(jìn)行分離從而實(shí)現(xiàn)沖裁搭邊。

圖7 模具裝配圖

圖7中未標(biāo)出的序號(hào)名稱如下：其中1-27分別為：打桿、止轉(zhuǎn)銷、導(dǎo)柱、導(dǎo)套、凸模墊板、凸模固定板、凸凹模、導(dǎo)料銷、拉深凸模、壓邊圈、螺釘、推桿、銷釘、螺釘、彈簧、下模座、拉深凸模墊板、拉深凸模固定板、銷釘、落料凹模、彈性卸料板、導(dǎo)套、上模座、導(dǎo)柱、卸料螺釘、模柄、擋料銷。

5 結(jié)論

（1）進(jìn)行工件的拉深成形模擬時(shí)，利用Deform軟件進(jìn)行模具工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效降低成形缺陷的發(fā)生，使實(shí)際生產(chǎn)中的試模次數(shù)大為減少，從而使成本大大降低，生產(chǎn)效率也逐步提高。

（2）保持其他參數(shù)不變，當(dāng)凸模圓角半徑取4.5毫米時(shí)，可獲得材料的最小減薄率24%，于實(shí)際生產(chǎn)中切實(shí)可行。

（3）為了保障拉深件無起皺現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)使工件的質(zhì)量得到保證，可以采用減小壓邊力，從而使材料減薄率降低的方法進(jìn)行。

綜上所述，寬凸緣件拉深一直以來都是拉深模設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，為此，我們要對(duì)其有一定的重視，并采取有效的措施一方面對(duì)工藝進(jìn)行模擬，一方面又要優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)，以保障工作的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

［1］安家菊.基于dynaform寬凸緣拉深件數(shù)值模擬分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2012（09）:193-195.

［2］李春莊,牛福忙,張霞,等.寬凸緣深拉深成形工藝探討［J］.精密成形工程, 2012（1）:12-13.

［3］安家菊.寬凸緣筒形件拉深工藝及模具設(shè)計(jì)［J］.熱加工工藝, 2011, 40（1）:183-184.

［4］徐勝利,黨杰,張琳.寬凸緣薄壁不銹鋼簡(jiǎn)形件拉伸級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)［J］.模具制造, 2008（4）:44-46.

［5］牟林.薄壁寬凸緣筒形件級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)［J］.模具工業(yè), 2006, 32（4）:21-25.

［6］于麗君.薄壁窄凸緣筒形件多工位級(jí)進(jìn)拉深模設(shè)計(jì)［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2012（21）:171-171.

［7］楊利,高大偉,王丹冰,等.薄壁深孔筒形件變薄拉深工藝設(shè)計(jì)［J］.模具技術(shù), 2015（5）.89-93.

［8］彭南寧,楊永,賈福生.非均勻凸緣深圓筒薄壁制件拉伸成形工藝及模具設(shè)計(jì)［J］.模具制造, 2015, 15（8）:19-21.

Wide Flange Member Stretching Process Simulation Analysis and Die Structure Optimization

ZHOU Haiwei
（Guangzhou Electrical and Mechanical advanced technical schools, Guangzhou 510000）

Abstract:In this paper, for structural wide flange member stretching process simulation and optimization of mold launched a discussion on aspects of drawing technology, simulation and other systems were analyzed, and the structure and working process of the mold made in detail, in order to provide a reference for the needs of the parties concerned.

Key words:wide flange drawing parts, simulation analysis, structural optimization