基于DEFORM-3D的錐形異形件拉伸質(zhì)量控制技術(shù)

李亞非，秦代成

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

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基于DEFORM-3D的錐形異形件拉伸質(zhì)量控制技術(shù)

李亞非，秦代成

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

某不銹鋼薄壁錐形異形件拉伸過(guò)程中容易產(chǎn)生失穩(wěn)、反彈和破裂等缺陷，為控制產(chǎn)品質(zhì)量，采用DEFORM-3D軟件為平臺(tái)，利用有限元分析方法對(duì)06Cr19Ni10不銹鋼的拉伸變形進(jìn)行建模與仿真，并用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，具有較高的可信度，以及較好的工藝指導(dǎo)作用。

拉伸成形；有限元仿真；DEFORM-3D

某不銹鋼薄壁異形件(見圖1)長(zhǎng)度為800 mm，材料為06Cr19Ni10固溶，該結(jié)構(gòu)不適合切削加工，需要采用拉伸成形方式加工。其中，底面A和支承面B起支承作用，要求平整，無(wú)明顯凹凸變形，表面光潔、平整，無(wú)刮傷、擦痕等缺陷。

圖1　工件簡(jiǎn)圖

在拉伸成形中，該零件存在產(chǎn)生扭曲、褶皺、變薄和變形等缺陷的可能，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)拉伸工藝、毛坯形式和模具結(jié)構(gòu)有較高的要求，需要進(jìn)行一定的試驗(yàn)研究。為合理設(shè)計(jì)拉伸工藝方案，減少模具設(shè)計(jì)和工藝試驗(yàn)工作量，利用有限元軟件DEFORM對(duì)異形件的拉伸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，以優(yōu)化拉伸工藝方案，并結(jié)合拉伸試驗(yàn)，為產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)和拉伸工藝制定提供參考，以提高產(chǎn)品成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1　工件簡(jiǎn)介

1.1工件特點(diǎn)

零件整體為薄壁錐形，長(zhǎng)度為800 mm，為非封閉結(jié)構(gòu)，上端面帶2處小平臺(tái)，產(chǎn)品對(duì)A、B面的平面度有較高的要求。工件材料為06Cr19Ni10固溶，具有較好的延展性，適合采用拉伸成形方式。

1.2工藝性分析

錐形件拉伸成形的難易程度與其幾何形狀(h/d2及d1/d2)、材料的沖壓性能等有關(guān)。h/d2越大，d1/d2越小，零件的拉伸成形難度越大[1]。圖1中，h/d2=96/271=0.35，d1/d2=160/271=0.59，半錐角30°，拉伸比例中等；此外，該零件為非封閉結(jié)構(gòu)，工件成形存在較大的自由變形空間，其成形精度控制比普通圓筒性零件的拉伸難度要大。

拉伸模型如圖2所示。工件的拉伸成形過(guò)程屬于金屬板料拉伸-彎曲的復(fù)合成形過(guò)程。在凸模壓力作用下，板料與凸模底面接觸貼緊開始變形，當(dāng)凸模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，板料貼緊凸模面逐漸延CD延伸；當(dāng)凸模運(yùn)動(dòng)至凹模時(shí)，板料沿凸模表面彎曲貼合，形成工件。

圖2　拉伸模型

毛坯板料在變形過(guò)程中發(fā)生劇烈的金屬塑性流變，工件不同部位產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和金屬流動(dòng)狀況較為復(fù)雜，容易引起如下缺陷：1)凹凸模之間自由面積大，板料拉伸過(guò)程中易發(fā)生失穩(wěn)、起皺現(xiàn)象；2)拉伸后，工件AB、BC段容易回彈，無(wú)法保證尺寸精確；3)板料所受的拉應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致在B、C點(diǎn)應(yīng)力集中，板料斷裂。

為了防止上述缺陷產(chǎn)生，在拉伸工藝中應(yīng)綜合考慮工件成形特點(diǎn)、受力狀態(tài)、變形情況和模具結(jié)構(gòu)。通過(guò)數(shù)值分析方式對(duì)工件變形過(guò)程進(jìn)行模擬仿真是簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程一種簡(jiǎn)單、有效的方式。

2　有限元模型建立

DEFORM-3D軟件是一套基于有限元分析方法的專業(yè)工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關(guān)的各種成形工藝和熱處理工藝。該軟件在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成形，并能提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)[2-3]。圖1所示工件的成形特點(diǎn)非常適合采用DEFORM-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1模型設(shè)定

從工件加工狀態(tài)及條件出發(fā)，對(duì)模型建立做如下設(shè)定：1)設(shè)定工作條件，選擇拉伸模塊(Forming)，單位SI；2)凸模、凹模和壓邊圈設(shè)定為剛性體，板料為彈性元件；3)凸模為主運(yùn)動(dòng)件(master)；4)凸模、凹模、壓邊圈與板料分別定義為Master-Slave關(guān)系，摩擦因數(shù)為0.12；5)設(shè)定周邊環(huán)境溫度始終是20 ℃。

2.2材料模型

材料模型的建立，可以獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系(本構(gòu)關(guān)系)，以定義材料在載荷作用下的相應(yīng)行為。工件材料取自DEFORM-3D軟件材料庫(kù)，AISI-1015。

2.3網(wǎng)格劃分

工件毛坯按等體積法計(jì)算展開面積，與工件等壁厚，利用UG軟件建模后輸出.STL文件，再導(dǎo)入DEFORM-3D軟件。

DEFORM-3D軟件的單元類型是經(jīng)過(guò)特殊處理的四面體，四面體單元比六面體單元容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分。DEFORM-3D軟件有強(qiáng)大的網(wǎng)格重劃分功能，當(dāng)變形量超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分時(shí)，工件的體積有部分損失，損失越大，計(jì)算誤差越大，DEFORM-3D軟件在同類軟件中體積損失最小[4]，該特性在網(wǎng)格劃分時(shí)有較好的容錯(cuò)性能，有利于避免設(shè)定失誤造成的模擬誤差?？紤]到工件為薄壁零件，本文采用中等密度劃分網(wǎng)格(見圖3)，網(wǎng)格數(shù)為18 436。拉伸模型圖如圖4所示。

圖3　板料網(wǎng)格劃分　　　　圖4　拉伸模型圖

3　模擬仿真

圖5為初始條件拉伸模擬圖，凸模向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)板料在凹模中滑動(dòng)，板料延凸模型面逐漸成形，在復(fù)雜受力狀況影響下，凸模底部與板料逐漸出現(xiàn)分離現(xiàn)象，工件出現(xiàn)嚴(yán)重的外凸現(xiàn)象，其平面度要求無(wú)法保證；同時(shí)因成形面偏大，變形不均勻，錐面出現(xiàn)輕微起皺、扭曲現(xiàn)象；凸模升起后，工件錐面扭曲加劇，上端兩直邊反彈現(xiàn)象加劇，對(duì)工件質(zhì)量影響很大。

圖5　拉伸模擬圖

工件應(yīng)力分布圖如圖6所示。在拉伸過(guò)程中，圖2所示的B、C點(diǎn)存在明顯的應(yīng)力集中，工件存在拉伸變薄趨勢(shì)，脫模后會(huì)引起反彈變形等缺陷。

圖6　應(yīng)力分布圖

從模擬結(jié)果上看，工件拉伸成形質(zhì)量受凹凸模形面結(jié)構(gòu)、過(guò)渡圓角與壓邊圈間隙等因素影響，存在變薄、扭曲、褶皺、反彈和底部凸起等質(zhì)量缺陷。為改善拉伸成形質(zhì)量，對(duì)仿真條件作了相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)，再次進(jìn)行模擬計(jì)算，具體內(nèi)容如下：1)凹凸模形面結(jié)構(gòu)調(diào)整，凸模底面增加內(nèi)凹曲面，凹模底面相應(yīng)增加外凸曲面，作為拉伸成形的預(yù)變形處理，通過(guò)反變形設(shè)計(jì)以抵消工件底面的拉伸變形；2)圖2中B、C處過(guò)渡圓弧尺寸適當(dāng)調(diào)大，以減少應(yīng)力集中；3)調(diào)整壓邊圈與凹模間隙，以加大壓緊力。

新方案如圖7所示，當(dāng)數(shù)值模擬條件調(diào)整后，重新進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖7　拉伸方案調(diào)整

優(yōu)化方案模擬結(jié)果如圖8所示，凸模向下運(yùn)動(dòng)，板料沿凸模成形，由于凸模內(nèi)凹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工件受力狀態(tài)改變，拉伸過(guò)程中未出現(xiàn)外凸現(xiàn)象，底面保持平整；拉伸過(guò)程穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯扭曲、褶皺現(xiàn)象，未出現(xiàn)壁厚明顯變薄，底面按預(yù)制變形曲面成形。

圖8　拉伸模擬圖(優(yōu)化后)

當(dāng)調(diào)整模具結(jié)構(gòu)后，工件應(yīng)力分布(見圖9)情況得到改善，整體應(yīng)力狀況趨于一致，其中圖2中C點(diǎn)處的應(yīng)力明顯減少，但B點(diǎn)處仍然存在較大應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致直邊發(fā)生反彈。

圖9　工件應(yīng)力分布圖

拉伸過(guò)程中加載力分布曲線如圖10所示。其中凸模受力基本平穩(wěn)，在最終成形時(shí)達(dá)到高峰；而壓邊圈受力持續(xù)增加，成形后期連續(xù)出現(xiàn)峰值，在設(shè)計(jì)模具壓邊圈時(shí)應(yīng)充分考慮預(yù)緊力和緊固件的設(shè)計(jì)。

工件底面按預(yù)變形方式成形，脫模后可有效抵消其底部反彈變形。

圖10　拉伸過(guò)程受力分析

根據(jù)新的拉伸模擬優(yōu)化結(jié)果，可以確認(rèn)工件拉伸成形質(zhì)量影響因素如下：1)凹凸模過(guò)渡圓角對(duì)應(yīng)力狀態(tài)影響明顯，應(yīng)盡量?jī)?yōu)化大圓角；2)模具底面采用平面結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致工件底面外凸，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)預(yù)變形結(jié)構(gòu)；3)工件成形質(zhì)量與壓邊圈間隙和壓緊力密切相關(guān)，應(yīng)設(shè)計(jì)合理模具間隙和充分的壓緊力結(jié)構(gòu)。

4　拉伸成形

4.1模具設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬結(jié)果中相關(guān)影響因素，設(shè)計(jì)了拉伸模具，凹凸模采用了預(yù)變形結(jié)構(gòu)，調(diào)整了壓邊圈與毛坯板料間隙，優(yōu)化了2處過(guò)渡圓弧圓角，并根據(jù)壓邊圈受力狀況設(shè)計(jì)了螺紋緊固件的數(shù)量與分布，以確保可靠的壓緊力。拉伸模具如圖11所示。

圖11　拉伸模具

4.2產(chǎn)品拉伸

毛坯板料：800 mm×314 mm×4 mm；材料：06Cr19Ni10固溶；拉伸設(shè)備：液壓機(jī)6 300 kN。拉伸工件如圖12所示。

圖12　拉伸工件

工件拉伸過(guò)程順利，按預(yù)期工藝方案成形：1)工件外表成形美觀，無(wú)扭曲、起皺、斷裂和嚴(yán)重減薄現(xiàn)象；2)表面無(wú)嚴(yán)重劃痕、壓傷等缺陷；3)A面平面度≤0.5 mm，B面平面度≤1 mm，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)數(shù)值模擬情況和拉伸試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：1)數(shù)值模擬有助于發(fā)現(xiàn)拉伸變形中存在的問(wèn)題及原因；2)通過(guò)拉伸預(yù)變形設(shè)計(jì)，可以有效消除在薄壁板料平面拉伸中產(chǎn)生的外凸現(xiàn)象；3)合適的工藝手段可以控制薄壁件拉伸成形中的質(zhì)量缺陷。

[1] 聶蘭啟，聶伯揚(yáng). 薄壁深錐零件的拉伸成形工藝[J]. 模具制造，2008(8):29-32.

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責(zé)任編輯鄭練

Research on Abnormity Deep-taper Workpiece Shaped Quality Control based on DEFORM-3D

LI Yafei, QIN Daicheng

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academic Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Some bugs as stabilization losing, rebounding and flawing will take place when thin-wall stainless steel abnormity workpiece is forming. In order to control quality, the software DEFORM-3D is used as a platform, the deep-taper shaped of 06Cr19Ni10 stainless steel is modeled and simulated by FEA, and the simulation data is made contrast with examination. The results show that the simulation data got by DEFORM-3D has a relatively high inosculation with the test results, which means simulation data has a relatively high level of reliability and can provide better technology guidance effect.

shaped, finite analysis, DEFORM-3D

TG 306

B

李亞非(1975-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事機(jī)械制造工藝技術(shù)等方面的研究。

2015-12-18