不銹鋼筒形件充液拉深的壁厚影響因素分析

邰阿媛

(安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院　安徽馬鞍山　243041)

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不銹鋼筒形件充液拉深的壁厚影響因素分析

邰阿媛

(安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院安徽馬鞍山243041)

摘要：將溫充液拉深和拉深孔技術(shù)相結(jié)合，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不銹鋼成形過(guò)程模擬，分析了液池溢流壓力與預(yù)脹初始?jí)毫Φ裙に嚄l件對(duì)成型筒形件壁厚的影響規(guī)律，得到了筒形件溫充液拉深的優(yōu)化工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：充液拉深；溢流壓力；預(yù)脹加載；壁厚；數(shù)值模擬

將具有一定壓力的液體替代剛性的凹模以傳遞載荷，在此作用下，板料緊貼凸模實(shí)現(xiàn)金屬板材的塑性成形即為充液拉深技術(shù)[1]-[3]。相較于傳統(tǒng)拉深，充液拉深具有有效抑制破裂、克服拉延不足、獲得較高尺寸精度和提高成形極限等優(yōu)點(diǎn)[4]-[6]。但僅靠增加液池壓力來(lái)提高低塑性、大高徑比材料零部件的成形極限是很有限的，所以為了進(jìn)一步提高成形極限，國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入研究充液拉深技術(shù)，提出了很多改進(jìn)方法。采用將液壓成形與板料溫?zé)岢尚渭夹g(shù)結(jié)合的方式，提出板料溫充液拉深技術(shù)，將材料的溫?zé)嵝阅芘c充液拉深的技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，能更好的提高板料成形性能[7]-[9]。

有的學(xué)者對(duì)液池壓力及壓邊力做了優(yōu)化，提出了變壓邊力充液拉深技術(shù)，其目的都是為了進(jìn)一步發(fā)揮材料成形潛力，提高極限拉深比。由于整體壓邊力滿足不了實(shí)際生產(chǎn)要求，有的學(xué)者著手對(duì)變壓邊力技術(shù)的研究，發(fā)展出多點(diǎn)位控制壓邊技術(shù)[10]-[12]。但是對(duì)多點(diǎn)位控制壓邊技術(shù)的研究是在多功用控制壓力機(jī)上進(jìn)行的，需十幾個(gè)輔助油缸專門作壓邊用，價(jià)格非常昂貴，并且壓邊過(guò)程的工作狀態(tài)不夠穩(wěn)定。李贊提出了拉深孔工藝，采用在凹模和壓扁圈上加工拉深孔的簡(jiǎn)單工藝措施來(lái)進(jìn)一步降低壓邊阻力，取得了進(jìn)一步提高板料成形性能的效果[13]。

本文將板料溫充液拉深和拉深孔技術(shù)相結(jié)合，研究0Cr18Ni9不銹鋼板料筒形件拉深過(guò)程，探討0Cr18Ni9不銹鋼板料在充液拉深成形過(guò)程中液池溢流壓力和初始?jí)毫Φ裙に噮?shù)對(duì)筒形件側(cè)壁厚度的影響。

1　數(shù)值模擬分析模型的建立

帶有拉深孔的板料溫?zé)岢湟豪钅＞?，在壓邊圈和凹模上加工盲孔，其小且淺且按一定規(guī)律分布，圓孔的直徑為2.5mm，深度在2.0mm-5.0mm之間，孔的頂端與凹模臺(tái)面的圓弧過(guò)渡，其半徑為0.5mm，孔的中心線距離均大于5mm，且均勻錯(cuò)開，上下2個(gè)孔的中心不應(yīng)位于同一經(jīng)線上[9]、[14]。在有限元模型中由于軟件的限制，在壓邊圈、凹模的模型面上切去若干的矩形網(wǎng)格以近似地模擬拉深孔。建立的有限元模型如圖 1所示。對(duì)筒形件的拉深成型過(guò)程具有對(duì)稱性，因此，模擬時(shí)可以選取模型的1/4，將模具設(shè)置為剛性體，相關(guān)參數(shù)見表1。凸模和板料間的摩擦條件選用剪切摩擦，其系數(shù)設(shè)定為0.15，將凹模、板料之間的摩擦系數(shù)定為0.02，同時(shí)，板料與壓料板之間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.02。采用實(shí)體殼單元對(duì)板料毛坯劃分，其材質(zhì)在材料庫(kù)內(nèi)選用SUS304不銹鋼，板料厚度尺寸為1mm。數(shù)值模擬分析模型見圖2。凸模的初始溫度為40℃，而壓料板、凹模的初始溫度為220℃，板料的初始溫度設(shè)定為50℃。凸模在第1秒內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)以預(yù)熱壓料板和壓邊圈，成型在第1秒末結(jié)束后凸模以15mm/s的速度往下移行。熱對(duì)流為板料與環(huán)境之間的換熱方式，設(shè)置換熱系數(shù)為0.03，板料與工具的接觸傳導(dǎo)系數(shù)均設(shè)為6。

表1　模具幾何尺寸

圖1　有限元模型

2　模擬結(jié)果與分析

2.1液池溢流壓力對(duì)充液拉深壁厚的影響

凸模在下行的過(guò)程中，由于溢流閥背壓作用產(chǎn)生的液池壓力，不銹鋼板料被緊緊的貼著凸模，在與凸模之間形成“摩擦保持效應(yīng)”，有利于拉深成型。確立合適的液池壓力，是關(guān)系到充液拉深能否成功的關(guān)鍵因素之一。

數(shù)值模擬試驗(yàn)采用20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa、65MPa和70MPa等11組不同的恒定液池壓力。圖2 給出了不同液池壓力條件下充液拉深筒形件的最薄厚度值的統(tǒng)計(jì)曲線。從圖中可明顯看出在液池壓力為55MPa時(shí)，筒形件側(cè)壁最薄處厚度值最大，為0.85mm，最大減薄率為14.2%，可推知：

圖2　壁厚分布曲線

在此條件下，筒形件在成型筒壁過(guò)程中“摩擦保持效應(yīng)” 顯著，導(dǎo)致側(cè)壁應(yīng)變最小，厚度值最大，成型尺寸精度提高。

2.2預(yù)脹初始?jí)毫?duì)充液拉深壁厚的影響

筒形件在充液拉深過(guò)程中，壓料板與板料之間有良好的密封狀態(tài)，板料被液池壓力托起，在拉深開始模具閉合后，在凸模往下行程的初始階段，向液池內(nèi)注油并加壓使液池內(nèi)液體建立起一定的預(yù)脹壓力，該壓力使凹模圓角和凸模圓角處的板料預(yù)先產(chǎn)生一定應(yīng)變，能改善充液拉深初期的破裂和起皺等不均勻變形，降低凸模圓角處的應(yīng)力，有助于拉深的進(jìn)行[14]、[15]。因此，建立合適的預(yù)脹壓力，對(duì)筒形件拉深成形過(guò)程中得到較大的側(cè)壁厚度值，降低破裂的可能性，保證拉深變形的均勻性，有著重要的作用。

分別選用不同的預(yù)脹壓力，0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa，液池壓力加載曲線如圖3所示。不同的預(yù)脹壓力條件下液池壓力的加載路徑相對(duì)于時(shí)間來(lái)說(shuō)完全一樣，凸模在1秒內(nèi)靜止，此時(shí)壓邊圈及凹模給板料加熱，壓力穩(wěn)定不變；1秒末，凸模在不同的初始?jí)毫r(shí)開始下行，液池壓力隨之緩慢增加；1.6秒時(shí)，不同速度加載的預(yù)脹壓力均增長(zhǎng)至55MPa，然后穩(wěn)定不變，直至拉深結(jié)束。此外，還給出了兩組對(duì)照試驗(yàn)的液壓加載曲線：7號(hào)是自然增壓的加載曲線，在試驗(yàn)開始時(shí)從0MPa持續(xù)增壓1.6秒至55MPa后恒定不變，直至拉深結(jié)束；8號(hào)則是初始為0MPa至1.6秒時(shí)直接加壓至55MPa，實(shí)則未采用預(yù)脹方式對(duì)筒形件進(jìn)行拉深成形。

圖3　液壓加載曲線

將1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)和8號(hào)等4種采用不同加載方式進(jìn)行充液拉深的筒形件壁厚曲線進(jìn)行比較，如圖4所示。8號(hào)加載方式(未采用預(yù)脹)所拉深筒形件壁厚明顯較1號(hào)、2號(hào)和7號(hào)要薄，最薄壁厚為0.84mm，而1號(hào)、2號(hào)與7號(hào)加載方式所拉深筒形件壁厚數(shù)據(jù)較為接近，在0.86mm左右，但較8號(hào)顯著要大。因而，可斷定：采用預(yù)脹方式進(jìn)行充液拉深的筒形件壁厚明顯較未采用預(yù)脹方式的要厚，厚度更為均勻，有利于拉深成型性能的提高。

圖4　成形件壁厚分布曲線

圖5是1至6號(hào)加載方式所對(duì)應(yīng)的筒形件側(cè)壁厚度最小值的統(tǒng)計(jì)曲線。從圖中可看出，隨著初始?jí)毫Φ脑黾?，筒形件?cè)壁厚度先增加，然后迅速降低，因此，在充液拉深過(guò)程中，液池的初始?jí)毫Υ嬖谧顑?yōu)值：液池初始?jí)毫υ?5MPa時(shí)，側(cè)壁厚度最小值是最大的，其值為0.86mm，最大減薄率為13.8%。其主要原因在于：在拉深成型之前，液池內(nèi)的初始?jí)毫?dǎo)致板料反脹而形成凸起，繼而，凸模在之后的向下移行過(guò)程中，在液體壓力作用下凸起部分的板料與凸模逐步接觸、貼模，在壓料板入口圓角處，先期形成的凸起結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)拉深工藝?yán)罱畹念愃菩Ч?，變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)有效地得以改善，顯著地降低板料周向壓力，板料起皺趨勢(shì)大幅度減弱，從而拉深壓邊力明顯降低，筒壁的承載區(qū)拉力相應(yīng)地降低。

當(dāng)液池初始?jí)毫υ?5MPa時(shí)，側(cè)壁厚度最小值是幾種條件下最小的，其值為0.86mm。分析其原因：預(yù)脹壓力過(guò)大使得板料產(chǎn)生的凸起過(guò)量，導(dǎo)致較大的減薄量出現(xiàn)在板料拉深之前，此后，凸模在向下移行時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重彎曲和反彎曲效應(yīng)使得板料在凸模的圓角部位產(chǎn)生顯著的局部塑性變形，其減薄量隨之繼續(xù)增加，從而導(dǎo)致了最差拉深條件的出現(xiàn)。

倘若預(yù)脹壓力過(guò)小，壓料板入口部位的板料難以獲得類似拉深筋作用的凸起變形，板料和凹模底部并非逐步貼模，而是同時(shí)接觸，導(dǎo)致在凸模底部的板料變形不充分，而凸模底部圓角部位的板料初始變形就已經(jīng)形成明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，產(chǎn)生了較大的拉伸應(yīng)力，此處的板料減薄量進(jìn)一步加大，此種情況在液池初始?jí)毫?時(shí)得到了呈現(xiàn)，見圖5。

圖5　壁厚分布曲線

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼筒形件溫充液拉深的成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析和討論了液池溢流壓力和預(yù)脹加載對(duì)側(cè)壁厚度的影響，得到以下結(jié)論：

(1)液池的溢流壓力為55MPa時(shí)，筒形件側(cè)壁最薄處厚度值最大，其值為0.85mm，減薄率為14.2%，有利于制品尺寸精度的控制和拉深成形的進(jìn)行。

(2)相對(duì)于傳統(tǒng)拉深工藝，充液拉深是顯著提升板料成形性能的塑性成形方式。液池預(yù)脹加載對(duì)于保持制品壁厚存在最優(yōu)值：液池初始?jí)毫υ?5MPa時(shí)，筒形件側(cè)壁最薄處厚度值最大，為0.86mm，最大減薄率為13.8%。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2015-01-23；改回日期：2016-01-26

作者簡(jiǎn)介：邰阿媛(1989-)，女，安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院冶金系，教師，安徽工業(yè)大學(xué)材料成型專業(yè)，工程碩士。

中圖分類號(hào)：TG113.26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-9994(2016)01-0010-04

Research on Influencing Factors about Wall Thickness of Stainless Steel Cylindrical Parts by Hydrodynamic Deep Drawing

TAI A-yuan

Abstract：This article combines warm hydrodynamic deep drawing to drawing-hole forming technology, researched the forming process of stainless steel by numerical simulation, by analyzing the influence rule of overflow pressure, pre-expansion pressure on wall thickness of cylindrical forming parts, got the process optimization parameters about warm hydrodynamic deep drawing of cylindrical parts.

Key words：hydrodynamic deep drawing；overflow pressure；pre-expansion load；wall thickness；numerical simulation