一種大型薄壁碟形封頭成形工藝優(yōu)化

丁志楊，陳梁玉，趙坤民（合肥工業(yè)大學 工業(yè)與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009）

一種大型薄壁碟形封頭成形工藝優(yōu)化

丁志楊，陳梁玉，趙坤民
（合肥工業(yè)大學 工業(yè)與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009）

本文針對在實際生產大型薄壁碟形封頭中遇到的成形缺陷問題，提出一種新的模具拉延筋設計方案，并利用非線性有限元軟件Dynaform，采用大變形彈塑性有限元模型對06Cr19Ni10覬2380mm×5.6mm碟形封頭進行了模擬計算，仿真結果表明了該模具拉延筋設計方案的有效性與實用性。

碟形封頭；拉延筋；數值分析；Dynaform

封頭作為壓力容器的主要承壓零部件，廣泛應用于航空、航天、鐵路、化工和核電等領域，具有加工技術條件要求高、制造工藝難度大、工藝復雜及生產周期長等特點。根據封頭的具體應用，可分為高壓容器封頭和低壓容器封頭。對于不同種類的封頭，其加工工藝有所不同。高壓容器封頭主要采用熱鍛加工工藝進行生產加工，低壓容器封頭則采用熱壓、旋壓和冷拉深等多種工藝進行生產加工。隨著封頭的廣泛應用，冷拉深工藝由于工藝簡單、生產成本較低成為目前研究的焦點。

金淼[1]通過對大型薄壁封頭拉深成形機理進行深入分析，指出內皺是大型封頭拉深成型主要破壞形式，闡述了內皺產生機理和控制策略，提出正確設置拉延筋是整個工藝過程的關鍵，并結合大型封頭拉深成形的特點，給出了拉延筋的設計原則。朱里紅和韋潔[2]采用圓形拉延筋、矩形拉延筋和拉延檻優(yōu)化了大型薄壁封頭的成形工藝；利用有限元軟件和正交試驗設計確定出準3000mm×10mm的橢圓形封頭拉延筋類型和參數，并采用多目標優(yōu)化法得最優(yōu)的拉延筋參數組合。RV Reddy[3]提出各種因素如壓邊力、凸模圓角半徑、模具刃口半徑和摩擦系數對拉深圓筒形件起皺的影響，對起皺萌生和增長機制進行了詳細研究。

本文針對大型薄壁碟形封頭在實際生產中遇到的成形缺陷問題，通過對常規(guī)分步拉深成形和引入拉延筋的一次拉深成形工藝進行分析研究，提出了一種新的拉延筋應用思路，利用Dynaform有限元軟件，確定具體的拉延筋設計參數，從而解決實際生產中遇到的問題。

1 傳統(tǒng)成形工藝

以實際生產中壁厚為5.6mm的碟形封頭為研究對象，碟形封頭具體尺寸參數如圖1所示。

圖1 碟形封頭尺寸圖

由于大型薄壁碟形封頭的尺寸和徑厚比很大，冷拉深成形的技術難度高。傳統(tǒng)工藝通過組合模具的分步拉深來實現，一次成形過程中需要多次更換模具，增加了模具的更換時間和定位時間，生產效率低，生產成本高，在實際生產中不適合大規(guī)模應用。

隨著拉延筋的應用，設置拉延筋或拉延檻的沖壓模具可以實現封頭的一次拉深成形，這種成形工藝提高了生產效率，節(jié)約了生產成本，便于大規(guī)模應用，如圖2所示。

但是這種設置有拉延筋的模具，在覬2380mm×5.6mm的大型薄壁碟形封頭生產中，出現了起皺嚴重、所需壓邊力過大等問題。

圖2 一次拉深成形工藝示意圖

2 成形工藝優(yōu)化

針對上述實際問題，現提出一種新的模具拉延筋設計方案，如圖3所示。

圖3 拉延筋設計方案示意圖

在沖壓的初始階段，內外拉延筋同時提供沖壓成形的拉延阻力，隨著沖壓過程的進行，板料流過外拉延筋后在內拉延筋的單獨作用下繼續(xù)成形，直至沖壓過程結束。在初始沖壓階段，雙拉延筋提供較大的拉延阻力，能有效控制板料起皺和降低壓邊力。在后期沖壓階段，由單拉延筋提供較小的拉延阻力，能合理控制板料的流動，避免出現過度減薄。為了達到預期的結果，需要通過仿真實驗確定合理的模具參數。

3 仿真試驗及參數優(yōu)化

3.1 有限元建模

對覬2380mm×5.6mm的碟形封頭，坯料直徑2380mm，厚度5.6mm，材料06Cr19Ni10，密度7.93× 103kg/m3，彈性模量199GPa，泊松比0.3，屈服強度205MPa，抗拉強度520MPa，伸長率40%。由于零件的對稱性，取其1/4在有限元軟件Dynaform中建立引入雙拉延筋的沖壓成形模型，如圖4所示。上模、下模和壓邊圈設為剛體。模擬中摩擦系數為0.1，壓邊圈和上模下行速度為300mm/s。

圖4 有限元仿真模型圖

3.2 參數優(yōu)化

拉延筋設計方案所涉及的下模具和壓邊圈主要參數如圖5所示。

圖5 拉延筋設計方案參數構成示意圖

根據實際生產經驗和簡化模型的需要，主要考慮拉延檻的參數R1、D1、R2。同時，為簡化仿真過程，拉延筋采用Dynaform有限元軟件中的等效拉延筋代替，拉延阻力取為7000N，拉延筋法向力取拉延阻力的10%，定位于下模具邊緣D2位置處。R3和D2分別取20mm、40mm。

為了比較各參數對成形質量的影響，主要考慮指標有最大減薄量、起皺程度和壓邊圈最大載荷。第一組仿真試驗具體參數如表1所示。

表1 第一組優(yōu)化試驗參數取值

壓邊力設為400t，基于參數取值表，建立仿真模型，進行仿真試驗，試驗結果如圖6所示。

考慮工藝要求，封頭成形后壁厚最小值不能低于4.7mm，仿真結果中，雖然起皺得到了控制，但是減薄量過大，不能滿足封頭成形的工藝要求。分析可知，減薄過多的原因是下模具上拉延檻的拉延阻力過大，沖壓過程中板料不能充分流動。如果再增大壓邊力或者增加第二拉延筋的拉延阻力，減薄量會更大?；诖?，對第一組試驗的參數取值進行修改，減小拉延檻的拉延阻力以改善減薄量過大問題。修改后得到第二組仿真試驗具體參數如表2所示。

圖6 第一組優(yōu)化試驗成形厚度分布圖和成形極限圖

表2 第二組優(yōu)化試驗參數取值

壓邊力設為400t，基于參數取值表，建立仿真模型，進行仿真試驗，試驗結果如圖7所示。

圖7 第二組優(yōu)化試驗成形厚度分布圖和成形極限圖

由圖7可知，拉延檻參數修改后的模具減薄量得到一定的改善，但仍未達到工藝要求，所以需要進一步修改參數取值。接下來，從兩方面進行考慮以實現預期要求。一方面，在第二組試驗參數值的基礎上，僅減小壓邊力，壓邊力為300t，其他參數保持不變，建立仿真模型，進行仿真試驗，試驗結果如圖8所示。

圖8 第三組優(yōu)化試驗成形厚度分布圖和成形極限圖

由仿真結果可知，減小壓邊力使減薄量得到進一步改善，但依然未達到工藝要求，同時，起皺趨勢更為明顯，所以僅改變壓邊力并不能得到符合工藝要求的封頭成形方法?；谇笆龇抡娼Y果，對第二組試驗的參數取值進行修改，減小拉延檻的拉延阻力以改善減薄量過大問題。修改后得到第四組仿真試驗具體參數如表3所示。

表3 第二組優(yōu)化試驗參數取值

壓邊力設為400t，基于參數取值表，建立仿真模型，進行仿真試驗，試驗結果如圖9所示。

由仿真結果可知，第四組試驗參數取值方案可以達到生產工藝要求，實現減薄量滿足生產工藝要求的同時能有效控制起皺程度。

4 總結

圖9 第四組優(yōu)化試驗成形厚度分布圖和成形極限圖

針對實際生產中大型薄壁碟形封頭的成形缺陷問題，提出新的拉延筋設計方案，得到以下結論：

（1）拉延筋在大型薄壁碟形封頭成形工藝中有重要作用，合理地利用拉延筋可以在保證成形質量的同時，降低壓邊力從而減小壓機噸位。

（2）利用有限元軟件對沖壓成形過程進行仿真優(yōu)化，確定具體的模具參數，降低了試驗成本，同時對實際生產具有指導意義。

（3）第四組仿真試驗結果表明，拉延筋設計方案具有可行性，但是參數的精確取值存在進一步優(yōu)化的空間，可以對多個參數進行正交試驗和多目標優(yōu)化，找出最優(yōu)解。

[1]金 淼.大型薄壁封頭冷拉深工藝分析 [J].重型機械，2001，1 （3）：45-48.

[2] 朱里紅，韋 潔.大型薄壁封頭成形工藝優(yōu)化[J].熱加工工藝，2015，（11）：170-172.

[3] Reddy R V，Reddy D T A J，Reddy D G C M.Effect of Various Parameters on the Wrinkling In Deep Drawing Cylindrical Cups[J].International Journal of Engineering Trends&Technology，2012，3（1）：76-82.

[4]周 杰，羅 艷，王 珣，等.基于響應面的封頭沖壓成形工藝多目標優(yōu)化[J].吉林大學學報：工學版，2016，（1）.

[5]張美平，王建鋒，郭紅霞.數值模擬技術在沖壓封頭上的應用研究[A].2011數字化制造論壇[C].2011.

[6]Kirby DS，Wild P M.Deep drawing of pressure vessel end closures：finite element simulation and validation[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，103（2）：247-260.

[7] Wang H，Zhou J，Luo Y，et al.Forming of Ellipse Heads of Large-scale Austenitic Stainless Steel Pressure Vessel☆[J].Procedia Engineering，2014，81：837-842.

Optimization of forming process for one kind of large thin-wall dished head

DING Zhiyang,CHEN Liangyu,ZHAO Kunmin
（Institute of Industry and Equipment Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230009,Anhui China）

Aiming at the forming defects during actual forming process of large thin-wall dished head,thenew kind of die draw bead design has been put forward in the text.By use of nonlinear finite element software Dynaform and large deformation elastic-plastic finite elementmodel,simulated calculation hasbeen conducted to the Ф2380mm×5.6mm dished head,which is made from 06Cr19Ni10.The simulation results show the effectiveness and practicability of the die draw bead design.

Dished head;Drawbead;Numerical analysis;Dynaform

TG386.32

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.019

1672-0121（2017）02-0062-04

2016-12-10；

2017-01-29

丁志楊（1990-），男，碩士在讀。

E-mail：15256576093@163. com