數(shù)字模擬仿真助力拋物線拉深工裝設(shè)計(jì)

文/徐志強(qiáng)·四川明日宇航工業(yè)有限責(zé)任公司

拉深成形工藝早已廣泛運(yùn)用于航空航天、汽車(chē)制造等行業(yè)，由于影響拉深成形的工藝因素很多，而且相互之間存在關(guān)聯(lián)作用，所以對(duì)于傳統(tǒng)的拉深工藝而言，拉深參數(shù)及模具設(shè)計(jì)多從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，經(jīng)反復(fù)試模、修模才能確定。近年來(lái)，隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，數(shù)值模擬軟件大量運(yùn)用于鈑金成形中，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，可以直觀地看到零件在成形過(guò)程中產(chǎn)生的變薄、破裂、起皺，從而不斷優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，使零件達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

本文先采用傳統(tǒng)工藝方法分析零件的成形工藝，然后采用板料成形模擬軟件Dynaform 的仿真模擬來(lái)預(yù)測(cè)零件成形時(shí)可能出現(xiàn)的缺陷和問(wèn)題，調(diào)整和優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)消除這些缺陷，以節(jié)省模具研制周期，降低模具研制成本，減少試模和修模次數(shù)，快速交付合格零件，進(jìn)而加快工裝和產(chǎn)品交付進(jìn)度。

拉深成形工藝是指將一定形狀的平板或開(kāi)口空心件通過(guò)拉深模具沖壓成各種開(kāi)口空心件的加工工藝，常用于成形飛機(jī)、火箭上的各類(lèi)盒形件、盆形件、氣瓶和壓力容器的端蓋等；汽車(chē)上的覆蓋件、輪轂等。

拋物線形零件的拉深是拉深成形中比較特殊的一種，在沖壓成形時(shí)，懸空的側(cè)壁變形區(qū)既有拉深變形，又有脹形變形，是一種復(fù)合變形。其應(yīng)力應(yīng)變分布比單一變形復(fù)雜，主要成形難點(diǎn)在于懸空側(cè)壁變形區(qū)的內(nèi)皺和底部變薄拉裂。

本文將以某燃?xì)廨啓C(jī)匣上一整流罩薄壁拋物線形零件為例，用傳統(tǒng)工藝計(jì)算方法與Dynaform 的仿真模擬相結(jié)合，確認(rèn)最佳狀態(tài)時(shí)的工裝結(jié)構(gòu)及成形工藝參數(shù)。

工藝分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

該產(chǎn)品為整流罩壁，材料為1Cr18Ni9Ti-δ1.5，具體尺寸及形狀如圖1、圖2 所示，零件為典型的拋物線形旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，要求面輪廓度0.5mm，材料局部可減薄至0.8mm。零件成形難點(diǎn)在于：①零件深度為220.8mm，最大直徑為φ374mm，相對(duì)高度較大，需判斷零件的拉深次數(shù)，確認(rèn)工裝數(shù)量及結(jié)構(gòu)；②避免成形過(guò)程中出現(xiàn)起皺、減薄現(xiàn)象，滿足面輪廓度0.5mm 及材料減薄要求。

材料特性

1Cr18Ni9Ti 是鉻-鎳奧氏體不銹鋼，該鋼具有良好的塑性和韌性以及沖壓性能。具體力學(xué)性能見(jiàn)表1。

圖1 整流罩壁零件圖

圖2 整流罩壁三維結(jié)構(gòu)圖

表1 1Cr18Ni9Ti 板材的力學(xué)性能

零件拉深次數(shù)的確定

零件拉深系數(shù)為拉深零件拉深后直徑與拉深前坯料的比值為m=d/D。經(jīng)測(cè)量，零件最終狀態(tài)表面積為0.293m2，可得出坯料直徑為610mm。1Cr18Ni9Ti的直筒拉深系數(shù)為0.52 ～0.55，該拋物線形拉深件拉深系數(shù)0.613 ＞0.55，一次成形經(jīng)數(shù)字仿真模擬，均出現(xiàn)零件壁厚減薄無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，這里極限拉深系數(shù)只能作為參考。

對(duì)于拋物線形零件的拉深，相對(duì)高度（h/d）也是一個(gè)判定零件拉深次數(shù)的重要參數(shù)。該整流罩壁成形高度為240mm（加上零件余量），直徑為φ374mm，相對(duì)高度為0.64，大于0.6，屬于深拋物線形件；且材料的相對(duì)厚度t/D×100=1.5/610×100=0.246，t/D 值相當(dāng)小，因此需要多次拉深。

一次拉深的 Dynaform 仿真模擬

在傳統(tǒng)計(jì)算方法產(chǎn)生分歧的情況下，采用Dynaform 仿真軟件模擬該零件一次拉深的情況。模擬中選用材料321（1Cr18Ni9Ti 的美國(guó)牌號(hào)），坯料直徑為610mm。

從圖3 模擬結(jié)果中可以看出，在66.7t 壓邊力下的一次拉深，零件側(cè)壁起皺現(xiàn)象嚴(yán)重，無(wú)法滿足圖紙上面輪廓度0.5mm 的要求。拉深零件出現(xiàn)腰部起皺現(xiàn)象，是徑向拉應(yīng)力不足造成，可以采用增加壓邊力或者增加壓邊力結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行調(diào)整。

圖3 66.7t 一次拉深的模擬結(jié)果

從圖4 結(jié)果可以看出，當(dāng)壓邊力逐步增大至100t時(shí)，零件側(cè)壁無(wú)起皺現(xiàn)象，但零件最薄處為0.767mm，低于0.8mm，不能滿足圖紙要求；而增加壓延梗時(shí)，零件在拉深過(guò)程中破裂。綜上可知，該整流罩壁在一次拉深的情況下，起皺和破裂的風(fēng)險(xiǎn)極高。應(yīng)采用至少兩次拉深的方式成形。

圖4 增大壓邊力后的模擬結(jié)果

兩次拉深的仿真模擬

兩次拉深時(shí)，先拉直筒，再將直筒拉深成拋物線形。零件多次拉深時(shí)，后道工序的拉深系數(shù)不得小于普通筒形件相應(yīng)道數(shù)的許用拉深系數(shù)，材料1Cr18Ni9Ti 的第二次拉深極限拉深系數(shù)為0.78，由此可以計(jì)算出第一次拉深出筒形件的極限直徑值?？紤]到零件第二次拉深需要一定的壓邊面積，若第一次拉深直徑過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致第二次拉深時(shí)壓邊面積不足，材料流動(dòng)過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致零件起皺，這里我們?nèi)1值為460mm。

在多次拉深時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在工序設(shè)計(jì)時(shí)通常第一次拉入凹模材料比最后一次拉入所需材料增加3%～5%（按面積計(jì)算）。第一次拉深時(shí)的坯料面積應(yīng)為0.293×1.05=0.308m2，由此可得坯料直徑D0為630mm，第一次拉深系數(shù)m1=d1/D0=0.73，大于第一次拉深的極限拉深系數(shù)。

拉深模的凹模與凸模的圓角半徑，都是工藝上的重要參數(shù)。凸模半徑小可能會(huì)導(dǎo)致板料破裂，太大會(huì)產(chǎn)生內(nèi)皺；凹模圓角半徑大，則材料拉入凹模時(shí)阻力減小，但如果凹模圓角取得過(guò)大，則有更多材料未被壓料圈壓住，因而容易起皺。

⑴第一次拉深直筒形狀。由面積、直徑、凹凸模半徑可確定第一次拉深直筒形狀如圖5、圖6 所示。

圖5 第一次拉深直筒尺寸

圖6 直筒拉深模擬結(jié)果

由圖6 的模擬結(jié)果可以看出，在58.8t 的壓力下，零件周邊并無(wú)起皺現(xiàn)象，且零件最薄處為1.41mm，減薄0.09mm，該模擬結(jié)果可以直接用于第二次拉深仿真。

⑵第二次直筒拉深仿真模擬。由第一次拉深結(jié)果作為毛坯，采用正拉深法對(duì)零件進(jìn)行第二次拉深仿真模擬。理論壓邊力F=0.168m2×3.68MPa=62t。

由圖7 發(fā)現(xiàn)，零件在62t 壓邊力的情況下，零件側(cè)壁有起皺現(xiàn)象，通過(guò)逐步加大壓邊力來(lái)改善這一現(xiàn)象。當(dāng)壓邊力增大至100t時(shí)，零件拉深整過(guò)程無(wú)起皺現(xiàn)象，模擬結(jié)果零件最薄處為0.93mm，輪廓度和減薄都能滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，如圖8 所示。

圖7 62t 時(shí)的模擬結(jié)果

模具設(shè)計(jì)

第一次拉深模具設(shè)計(jì)

由圖5 直筒尺寸可知，直筒直徑尺寸為460mm，而公司機(jī)床頂桿分布的最大直徑為500mm，因此將凸模做成蘑菇形，模具示意圖如圖9 所示。

為節(jié)約模具材料成本及加工成本，將凸模、凹模、壓邊圈分塊制造，再用銷(xiāo)釘定位、螺釘連接，其中與坯料接觸的部分：凸模、凹模、壓邊圈采用強(qiáng)度較高的Cr12MoV，其余材料皆采用價(jià)格較低的45 鋼制造。

第二次拉深模具設(shè)計(jì)

第二次拉深模具如圖10 所示，其中凸模、凹模、壓邊圈采用材料Cr12MoV，其余部位用45 鋼制造。

圖9 第一套整流罩壁拉深模具

圖10 第二套整流罩壁拉深模具

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較模擬分析結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)，不難發(fā)現(xiàn)，計(jì)算方法和Dynaform 為我們產(chǎn)品工藝分析、模具設(shè)計(jì)以及成形工藝參數(shù)的確認(rèn)提供了很好的參考。通過(guò)提前對(duì)問(wèn)題的預(yù)知，能夠降低模具開(kāi)發(fā)成本，減少試模次數(shù)，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高顧客滿意度。發(fā)現(xiàn)，模具設(shè)考。通本，減客滿意