半球形件變液壓力變壓邊力充液拉深研究

彭彥君+雷君相

摘要：采用充液拉深工藝，運(yùn)用變液壓力變壓邊力組合的方法，以DYNAFORM軟件為平臺(tái)，對(duì)半球形件的成形過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真模擬.仿真結(jié)果表明，在恒定壓邊力充液拉深下，零件易發(fā)生起皺和破裂，零件減薄率較大，無(wú)法滿(mǎn)足成形要求.采用變液壓力和變壓邊力組合的加載方式進(jìn)行研究.研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用變液壓力變壓邊力組合進(jìn)行充液拉深的零件不破裂、不起皺、減薄率小，零件厚度分布均勻，能夠較大程度地改善零件的成形效果.最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該工藝的可行性.

關(guān)鍵詞：半球形件； 充液拉深； 變液壓力； 變壓邊力； 減薄率

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 386

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on the Hydro-mechanical Deep Drawing of

Hemispherical Part with Variable Hydraulic

Pressure and Blank Holder Force

PENG Yanjun， LEI Junxiang

（School of Materials and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：In this paper，we used DYNAFORM software to simulate the forming process of hemispherical part by finite element method and via the process of hydro-mechanical deep drawing combining with the change of both hydraulic pressure and blank holder force.The simulation results show that the part would be easily wrinkled and fractured，and the thinning ratio was too large to meet the requirement of forming when hydro-mechanical deep drawing under the constant hydraulic pressure and blank holder force.However，when hydro-mechanical deep drawing with variable hydraulic pressure and blank holder force was applied，the forming parts showed the advantages of no wrinkle，no fracture，minimum thinning ratio and uniform thickness.Finally，our experiments also indicated that process can be able to achieve excellent part forming.

Keywords：hemispherical part； hydro-mechanical deep drawing； variable hydraulic pressure； variable blank holder force； thinning ratio

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的個(gè)性化生產(chǎn)呈明顯發(fā)展趨勢(shì)，致使零件的外形復(fù)雜程度日益增加.采用傳統(tǒng)沖壓成形工藝，因存在制模難度大、成本高等因素，使得人們迫切需要采用更加先進(jìn)的沖壓工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)沖壓工藝來(lái)組織實(shí)際生產(chǎn).其中充液拉深是一種先進(jìn)的板料成形工藝，它以特定的液體作為傳力介質(zhì)代替剛性凹模傳遞載荷，使板料在凹模腔的液體壓力作用下緊緊貼靠凸模以實(shí)現(xiàn)金屬板料零件的成形，并在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[1-4]，發(fā)展了許多充液拉深成形方法，如：正反向加壓充液拉深[5]、周向充液拉深等[6].在充液拉深過(guò)程中，由液體壓力產(chǎn)生的摩擦保持和流體潤(rùn)滑效應(yīng)可有效抑制材料的過(guò)度變薄，提高材料的成形極限[7].

在板料拉深成形過(guò)程中，通常需要壓邊裝置產(chǎn)生足夠的摩擦抗力，以增加板料中的拉應(yīng)力，控制材料的流動(dòng)、避免起皺[8].壓邊力的加載方式有恒定加載、漸增式加載、峰值加載及減小式加載.通過(guò)對(duì)變壓邊力的研究，發(fā)現(xiàn)變壓邊力成形的零件質(zhì)量更好[9-13].利用漸增式壓邊力變化方式對(duì)成形性能改善效果最佳[14-15].因此，在充液拉深過(guò)程中，作用在毛坯上的液壓力和壓邊力是影響板料成形的主要工藝參數(shù).因此，展開(kāi)對(duì)半球形件的變液壓力變壓邊力的分析，不僅有利于其成形質(zhì)量的提高，還對(duì)其他近似形狀零件成形規(guī)律的研究有一定參考價(jià)值.

本文在其他參數(shù)不變的條件下，并在保證零件成形性能的基礎(chǔ)上，對(duì)變液壓力變壓邊力組合的半球形件模型進(jìn)行模擬，獲得最優(yōu)組合.并將恒壓邊力充液拉深模擬結(jié)果與變液壓力變壓邊力模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以最小減薄率為依據(jù)，發(fā)現(xiàn)在變液壓力變壓邊力組合下成形的零件比采用恒定壓邊力充液拉深成形得到的零件，擁有更好的成形質(zhì)量和成形性能.并對(duì)以上研究結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 有限元模型的建立

首先運(yùn)用CATIA三維軟件建立半球形件的有限元模型，如圖1所示.保存為igs格式文件，并將模型導(dǎo)入DYNAFORM 5.9軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在A(yíng)utosetup模塊中設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，最后提交LS_DYNA求解器進(jìn)行計(jì)算.半球形件選用厚度為1 mm的2219鋁合金作為坯料，坯料直徑為170 mm.其材料屬性如表1所示.

2 有限元結(jié)果分析

液壓力和壓邊力的大小會(huì)直接影響零件的最終成形質(zhì)量.由經(jīng)驗(yàn)公式，將液壓力分別取7，9，11，13和15 MPa，壓邊力取18，20，22，24和26 kN，結(jié)合正交設(shè)計(jì)的方法，對(duì)恒定的液壓力和壓邊力進(jìn)行組合.并在DYNAFORM軟件上進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)分析最終成形件的成形情況，以成形件的最大增厚率、最大減薄率為標(biāo)準(zhǔn)，獲得最佳液壓力為13 MPa，最佳壓邊力為22 kN.

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，在沖壓成形初期，球面形零件主要發(fā)生脹形變形，會(huì)因脹形過(guò)大而引起破裂.同時(shí)因其自由表面較大，容易出現(xiàn)側(cè)壁皺曲，此時(shí)適當(dāng)?shù)囊簤毫蓽p少側(cè)壁皺曲的產(chǎn)生.隨后進(jìn)入懸空區(qū)，因?yàn)樵诖穗A段坯料減薄率很小，液壓力的增大可適當(dāng)加快.此時(shí)凹模圓角區(qū)，液壓力增加到最大并保持恒定值到成形結(jié)束.設(shè)計(jì)的變液壓力曲線(xiàn)如圖2所示.

不同成形階段對(duì)壓邊力的需求不同，如果施加相同的壓邊力，則會(huì)導(dǎo)致有些部位破裂，有些部位起皺.在法蘭區(qū)，由于凸模的拉力作用，會(huì)使凸緣部分的材料向凹?？谝苿?dòng)，于是在徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力，切向產(chǎn)生壓應(yīng)力.當(dāng)切向壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)，會(huì)使材料失穩(wěn)起皺.因此，法蘭區(qū)的壓邊力達(dá)到最大并保持恒定，通過(guò)在厚度方向產(chǎn)生約束力，抑制材料的起皺.而凸模圓角區(qū)受到雙向拉應(yīng)力的作用，很難起皺，所以該處

的壓邊力增長(zhǎng)較為緩慢，此時(shí)的壓邊力較小.在懸空區(qū)與凹模圓角區(qū)易出現(xiàn)內(nèi)皺，因此該階段的壓邊力增長(zhǎng)較快，并很快超過(guò)不產(chǎn)生內(nèi)皺的臨界壓邊力.由分析可知，壓邊力開(kāi)始增長(zhǎng)緩慢，在凸模圓角區(qū)成形后期開(kāi)始快速增長(zhǎng)，到法蘭區(qū)前期時(shí)增長(zhǎng)速度達(dá)到最大值.設(shè)計(jì)的壓邊力曲線(xiàn)如圖3所示.

由最佳恒定壓邊力充液拉深獲得的厚度分布云圖如圖4（a）所示，其最大減薄率為29.60%，最大增厚率為6.35%.由變液壓力變壓邊力組合獲得的厚度分布云圖如圖4（b）所示，其最大減薄率為19.39%，最大增厚率為7.92%.由于增厚區(qū)主要集中在零件的法蘭部分，對(duì)零件質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，變液壓力變壓邊力組合所得成形零件質(zhì)量?jī)?yōu)于恒定壓邊力充液拉深下成形的零件.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在自主研制的YT2863/40數(shù)控充液拉深機(jī)上進(jìn)行.數(shù)控充液拉深機(jī)由電器控制系統(tǒng)、主機(jī)部分和液壓系統(tǒng)3部分組成.控制系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC），根據(jù)數(shù)值模擬所得參數(shù)設(shè)置好加載路徑，進(jìn)行充液拉深試驗(yàn).選用直徑為170 mm的鋁合金坯料，結(jié)合變液壓力變壓邊力技術(shù)組合的方法，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)最終成形出不起皺、不破裂的合格半球形零件，如圖5所示.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

為研究成形后板料質(zhì)量，依次選取從板料中心點(diǎn)沿半徑方向到板料法蘭邊緣上的點(diǎn)，測(cè)量其厚度，并將其與在DYNAFORM軟件上模擬所得成形件的厚度進(jìn)行比較.圖6為數(shù)值模擬與試驗(yàn)所得壁厚分布曲線(xiàn).由圖6中曲線(xiàn)可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較符合.因此可得出，結(jié)合變液壓力變壓邊力組合得到的零件質(zhì)量?jī)?yōu)于恒定壓邊力充液拉深所得零件，并可有效避免皺曲和破裂缺陷的產(chǎn)生.

4 結(jié) 論

（1） 對(duì)所得液壓力和壓邊力的范圍，進(jìn)行了多組模擬，獲得液壓力和壓邊力的最佳值，并根據(jù)半球形件的成形過(guò)程設(shè)計(jì)出加載曲線(xiàn).

（2） 在DYNAFORM軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬.最終將所得結(jié)果與恒定壓邊力充液拉深模擬結(jié)果相比較，得出變液壓力變壓邊力組合下的零件成形效果明顯優(yōu)于恒定壓邊力充液拉深下的零件.

（3） 將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了變液壓力變壓邊力成形方案的可行性.

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