SPCC半球形件拉深工藝仿真研究

凡小帥

（濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

半球形件是典型的大變形曲面類(lèi)零件，成形過(guò)程中變形區(qū)材料產(chǎn)生拉深和脹形的復(fù)合變形，導(dǎo)致成形中易發(fā)生起皺和破裂的缺陷。通過(guò)改變拉深成形工藝參數(shù)和成形方法研究其對(duì)半球形成形質(zhì)量的影響[1-2]。

于曉東等[3]采用理論分析法研究了曲面類(lèi)零件成形過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)，指出應(yīng)力分界圓影響曲面零件成形質(zhì)量，而壓邊力和摩擦因數(shù)是改變應(yīng)力分界圓重要參數(shù)。高恩志等[4]利用有限元法研究了半球形件拉深成形的過(guò)程，當(dāng)壓邊力為0.4MPa～0.8MPa時(shí)，工件無(wú)破裂和起皺現(xiàn)象，而壓邊力大于0.8MPa，發(fā)生破裂。LI H等[5]采用電磁壓邊技術(shù)，通過(guò)仿真加載不同的壓邊力曲線，得到不同壓邊力對(duì)半球形件成形質(zhì)量的影響。陳海明[6]研究了半球底深筒件多道次拉深成形，并利用有限元法分析了成形過(guò)程中壓邊力對(duì)成形質(zhì)量的影響。

本文采用有限元法仿真SPCC板料拉深成形半球形件過(guò)程，目的為闡明SPCC半球形件在拉深成形過(guò)程中工藝參數(shù)和工藝方案對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化成形工藝參數(shù)和工藝方案，提高SPCC半球形件成形質(zhì)量。

1 半球形件數(shù)值仿真

圖1為半球形件零件圖，材料為SPCC板材。要求拉深成形后零件側(cè)壁無(wú)起皺、破裂缺陷。

圖1 半球形件零件圖

依據(jù)文獻(xiàn)[7]半球形件拉深系數(shù)m=0.71，可一次拉深成形半球形件。由經(jīng)驗(yàn)公式知拉深成形半球形件的板料直徑D=205mm，采用單位壓邊力p=4.5MPa。

1.1 SPCC板料性能

通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)，獲得SPCC應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。處理數(shù)據(jù)擬合Hollommon Law曲線σ=K(ε)n，獲得如圖2所示真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。板料的機(jī)械性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 SPCC真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.2 有限元分析模型

半球形件拉深幾何模型如圖3所示，其中D為板料直徑。

有限元模型采用殼單元，如圖4所示網(wǎng)格劃分。設(shè)置板料厚度為1mm，材料模型采用分段線性彈塑性模型。板料為圓形板料單元網(wǎng)格，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

表1 板料機(jī)械性能參數(shù)

圖3 半球形件拉深幾何模型

圖4 網(wǎng)格劃分

拉深過(guò)程采用凸模位移控制方式，凸模位移S=80.5mm，壓邊力為單位壓邊力p=4.5MPa與壓邊面積乘積F=9kN，板料與凹模、壓邊圈單面接觸，拉深過(guò)程中凹模靜止。設(shè)置摩擦因數(shù)為0.125。

1.3 結(jié)果與分析

由有限元模型仿真得到凸模位移與壁厚最大減薄關(guān)系曲線以及1/4S、1/2S、3/4S、S的FLD圖如圖5所示，圖6為半球形件FLD圖。

由圖5、6結(jié)果分析，拉深成形半球形件當(dāng)凸模位移為1/2S時(shí)零件側(cè)壁開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重的皺起現(xiàn)象，隨著位移S增加起皺加劇。最終，半球形件側(cè)壁處有嚴(yán)重的起皺和邊緣破裂現(xiàn)象，最大減薄率達(dá)到53.8%。

圖5 凸模位移與最大減薄曲線

圖6 經(jīng)驗(yàn)工藝參數(shù)成形半球件FLD圖

上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：

（1）由于理論單位壓邊力不足，凸模位移小于3/4S時(shí)，變形區(qū)域板料受到切向壓應(yīng)力作用，導(dǎo)致側(cè)壁處出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。

（2）由于板料直徑不足，凸模位移大于3/4S時(shí)，板料邊緣進(jìn)入凹模圓角區(qū)域后，板料不受壓邊力約束，側(cè)壁起皺更嚴(yán)重。

（3）當(dāng)板料完全進(jìn)入凹模型腔后，凸模擠壓起皺區(qū)域，半球形件邊緣出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。生產(chǎn)中該缺陷不僅對(duì)零件成形質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，也會(huì)造成模具的磨損，應(yīng)避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。

由經(jīng)驗(yàn)公式得到的工藝參數(shù)一次拉深成形SPCC半球形件不能得到無(wú)缺陷零件，零件側(cè)壁有嚴(yán)重的起皺和邊緣破裂缺陷。

2 工藝參數(shù)對(duì)成形的影響

通過(guò)改變板料直徑、單位壓邊力和摩擦因數(shù)研究工藝參數(shù)對(duì)半球形件成形質(zhì)量的影響，優(yōu)化半球形件一次拉深成形工藝參數(shù)，提高零件拉深成形質(zhì)量。

2.1 板料直徑

設(shè)置不同的板料直徑 D=220mm、230mm、240mm，單位壓邊力p=4.5MPa，摩擦因數(shù)μ=0.125。

由圖7、8結(jié)果分析，板料直徑D=220mm時(shí)最大減薄率為60.8%，由于板料直徑不足，零件邊緣破裂。板料直徑 D=230、240mm，最大減薄率為15.5%、20%，板料一直受到壓邊力約束。如圖8b所示起皺區(qū)域明顯比圖8a中的小，零件側(cè)壁處起皺得到改善，邊緣無(wú)破裂現(xiàn)象。

圖7 板料直徑與最大減薄率關(guān)系曲線

圖8 不同板料直徑成形半球件FLD圖

增大板料直徑可以避免球形邊緣拉裂現(xiàn)象，提高零件側(cè)壁處的成形質(zhì)量。但是考慮實(shí)際生產(chǎn)中需要修邊去除法蘭邊緣，過(guò)大的板料直徑造成材料浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。所以采用板料直徑D=230mm拉深成形半球形件，較為合適。

板料直徑D=230mm時(shí)側(cè)壁有較大的起皺區(qū)域，并且法蘭區(qū)域起皺嚴(yán)重。主要原因是由于單位壓邊力不足導(dǎo)致。而壓邊力和摩擦因數(shù)是提高曲面類(lèi)零件成形質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，壓邊力和摩擦因數(shù)相互作用。設(shè)置不同單位壓邊力和摩擦因數(shù)，探究其對(duì)半球形件成形質(zhì)量的影響。

2.2 單位壓邊力

設(shè)置板料直徑D=230mm，單位壓邊力p=4.5MPa、7MPa、9MPa，摩擦因數(shù) μ=0.125。

由圖9結(jié)果分析，隨著單位壓邊力增大半球形件最大減薄增大。當(dāng)p=9MPa，最大減薄率達(dá)到22.3%，零件成形效果最好。由圖10和圖8a得到，增大單位壓邊力，半球件側(cè)壁處起皺區(qū)域向過(guò)渡圓角和法蘭區(qū)域縮小。

圖9 單位壓邊力與最大減薄率關(guān)系曲線

增大單位壓邊力可以改善側(cè)壁處起皺，提高半球件成形質(zhì)量。當(dāng)板料直徑D=230mm，單位壓邊力p=9MPa，摩擦因數(shù)μ=0.125，在側(cè)壁處仍有起皺。所以通過(guò)改變摩擦因數(shù)研究其對(duì)成形質(zhì)量的影響。

2.3 摩擦因數(shù)

設(shè)置板料直徑D=230mm，單位壓邊力p=9MPa，摩擦因數(shù) μ=0.1、0.125、0.15。

由圖11結(jié)果分析，半球形件最大減薄隨著摩擦因數(shù)的增大而增大。當(dāng)μ=0.15，最大減薄率達(dá)到24.2%，球頂處有破裂趨勢(shì)。由圖12和圖10b得到，增大摩擦因數(shù)，零件側(cè)壁起皺區(qū)域有所改善，起皺范圍有縮小趨勢(shì)。

圖10 不同單位壓邊力成形半球件FLD圖

圖11 摩擦因數(shù)與最大減薄率關(guān)系曲線

一次拉深成形SPCC半球形件采用最優(yōu)工藝參數(shù)D=230mm，p=9MPa和μ=0.125零件側(cè)壁處仍然有起皺現(xiàn)象，并且當(dāng)單位壓邊力和摩擦因零件增大到一定范圍，零件過(guò)渡減薄出現(xiàn)破裂缺陷。因此，通過(guò)改變工藝方案采用兩道次拉深成形半球形件，研究不同工藝方案對(duì)半球形件成形質(zhì)量的影響。

3 兩道次拉深成形

兩道次拉深可以提高坯料成形性能，并且每道次之間壁厚變化不大與實(shí)際結(jié)果符合。為獲得側(cè)壁起皺區(qū)域最小無(wú)破裂趨勢(shì)的半球形件，設(shè)計(jì)兩道次拉深成形工藝方案。

3.1 兩道次拉深成形模型

圖12 不同摩擦因數(shù)成形半球件FLD圖

如圖13所示兩道次拉深成形模型，第一道次拉深成形結(jié)束后換第二道次凹模，拉深成形最終零件形狀。

表2為兩道次拉深工藝參數(shù)，第二道次施加大于一次拉深成形極限單位壓邊力p=9MPa，兩道次拉深成形采用不同的單位壓邊力研究其對(duì)SPCC半球形件成形質(zhì)量的影響。

3.2 兩道拉深成形結(jié)果與分析

由圖14結(jié)果分析，第一道次成形最大減薄率為15.8%，第二道次成形最大減薄率為17.6%。由圖15b零件起皺區(qū)域集中在法蘭和圓角過(guò)渡區(qū)域，起皺區(qū)域最小。

兩道次拉深成形SPCC半球形件，施加不同的單位壓邊力顯著提高了零件的成形質(zhì)量。零件側(cè)壁處起皺區(qū)域明顯減小，主要集中在法蘭和過(guò)渡圓角處；零件最大減薄17.6%遠(yuǎn)低于一次拉深成形最優(yōu)結(jié)果。兩道次拉深成形質(zhì)量好于最優(yōu)工藝參數(shù)下一次拉深成形SPCC半球形件。

圖13 兩道次拉深成形模型

表2 兩道拉深工藝參數(shù)

圖14 兩道拉深成形最大減薄曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)有限元法研究SPCC半球形件拉深成形過(guò)程得到以下結(jié)論：

（1）由經(jīng)驗(yàn)公式得到的工藝參數(shù)一次拉深成形SPCC半球形件，由于單位壓邊力不足，在零件側(cè)壁處有嚴(yán)重的起皺缺陷，并且零件邊緣有破裂缺陷。

（2）增大板料直徑，調(diào)整單位壓邊力和摩擦因數(shù)可以提高零件成形質(zhì)量，有效避免零件邊緣的破裂缺陷，明顯改善零件側(cè)壁處起皺缺陷，但是并不能消除由于壓應(yīng)力而導(dǎo)致的起皺缺陷。

圖15 兩道次拉深成形FLD圖

（3）提出兩道次拉深成形SPCC半球形件新工藝方案，通過(guò)兩道次設(shè)置不同的單位壓邊力，仿真結(jié)果表明，零件側(cè)壁無(wú)皺缺陷且最大減薄為17.6%。兩道拉深成形SPCC半球形件改善了零件起皺缺陷，提高了零件成形質(zhì)量。