薄壁三通半管拉深成形缺陷研究

0 引 言

三通管件是飛機、運載火箭等飛行器中增壓輸送系統(tǒng)的重要零件，在整體系統(tǒng)中承擔(dān)多路管道的匯集、分流作用，其質(zhì)量好壞直接影響飛行器增壓輸送系統(tǒng)的可靠性

。在實際飛行過程中，三通管件承受一定的壓力，需具備較高的強度及抗疲勞腐蝕性能，因此成形過程中要求減少敲擊、打磨等破壞包鋁層操作以控制成形減薄率。與其他合金比較，5A02防銹鋁合金具有密度低、強度高、抗疲勞性與抗腐蝕性好等優(yōu)點，因此該材料在飛機油箱與導(dǎo)管等結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用十分廣泛。

2.7嚴格執(zhí)行下收下送制度,嚴格執(zhí)行物品交接雙簽名制度,與臨床護士做好物品交接,使用統(tǒng)一的三聯(lián)單作為交接單。

三通管件多采用落壓成形工藝方法

，通過落壓凹模內(nèi)填充一定的橡皮等軟介質(zhì)使材料均勻流動，同時法蘭部分用橡皮及層板壓緊，通過內(nèi)推外拉相結(jié)合的加載方式緩解加工過程中的起皺現(xiàn)象，成形過程中需要多次停頓，反復(fù)切割修邊、敲擊緩皺，成形回彈大、效率低，對人員技能要求高。拉深成形作為板料生產(chǎn)中的重要方式之一，通過凹模與壓邊圈壓緊坯料并在凸模上將其成形為帶法蘭空心薄壁件的方法，與傳統(tǒng)的方法相比具有效率高、表面優(yōu)、疲勞性好等特點，但拉深成形是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，包含幾何非線性、材料非線性、接觸非線性

。尤其對于曲面復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)，不能用傳統(tǒng)方法計算拉深系數(shù)預(yù)測零件成形的可行性，在成形三通管件時，面臨開裂和起皺的雙重風(fēng)險，該方法存在一定的局限性。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元方法在板料成形過程中得到了廣泛應(yīng)用。為了解決上述成形難題，采用數(shù)值模擬技術(shù)與試驗相結(jié)合的方法，以DYNAFORM有限元分析為基礎(chǔ)，對薄壁三通半管的拉深成形過程進行模擬，研究不同坯料外形對成形過程的影響并設(shè)計了新型復(fù)合模結(jié)構(gòu)，通過試驗驗證，解決了起皺與開裂相互矛盾的難題。

1 零件分析

圖1所示薄壁三通半管是某機型系統(tǒng)部分排氣導(dǎo)管中重要管道，材料為5A02防銹鋁合金，厚度為1.0 mm，外輪廓尺寸約為308 mm×183 mm，轉(zhuǎn)接半徑為

64 mm，管口內(nèi)徑為

88 mm。該零件曲面復(fù)雜、內(nèi)側(cè)彎曲半徑較小、形狀不規(guī)則，是生產(chǎn)中最典型不可估算拉深系數(shù)及展開坯料難成形零件。該零件最大特點是在光滑曲面上側(cè)連接了1處三角形平面結(jié)構(gòu)，增加了拉深成形的難度。

通過已確定的坯料形狀、尺寸及工藝補償面，以此設(shè)計凸、凹模型面結(jié)構(gòu)，最終模具結(jié)構(gòu)如圖11所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 材料參數(shù)

材料采用5A02，為退火狀態(tài)的防銹鋁合金，該材料延伸率僅為12%，成形時易開裂

。彈性模量為6 900 MPa，屈服強度為87 MPa，抗拉強度為208 MPa，材料泊松比為0.33，密度為2.7 g/cm

，材料各向異性系數(shù)

=0.76、

=0.66、

=0.75，使用 FLD 失效準則，摩擦因數(shù)取0.12

。

2.2 傳統(tǒng)拉深成形模擬及分析

借助DYNAFORM使用普通的凸、凹模對初始的零件結(jié)構(gòu)進行拉深模擬，圖3所示為有限元分析模型。在拉深過程中，凸模向下運動，壓邊圈隨之壓緊坯料，凸模繼續(xù)下移將坯料拉深至最終狀態(tài)。

近日，中農(nóng)控股召開大事業(yè)部成立暨績效方案說明動員大會，中農(nóng)集團黨委副書記、監(jiān)事會主席兼中農(nóng)控股監(jiān)事會主席李憲賓，中農(nóng)控股副總經(jīng)理、原料肥事業(yè)部總經(jīng)理王蓓出席了此次會議。

2.3 坯料形狀的確定

坯料形狀的設(shè)計對薄板拉深成形性能的影響明顯，合理的坯料外形有助于改善拉深過程中零件的應(yīng)力應(yīng)變分布，提高拉深極限，零件厚度變化均勻，成形質(zhì)量高

。

2.5.1 拉深筋結(jié)構(gòu)

從圖6、圖7所示結(jié)果可看出零件的坯料形狀對拉深成形的影響顯著，表1所示為不同形狀拉深成形過程中材料的減薄與增厚情況，權(quán)衡各坯料減薄及增厚百分率，Y形、帶耳片Y形的拉深較安全，緩解了材料開裂的問題，最大減薄率僅為12%，符合拉深成形厚度變化要求。

從圖4、圖5可以看出，對于傳統(tǒng)的封閉式拉深成形，雖能限制中部區(qū)域的起皺，但端頭出現(xiàn)裂紋，且5A02鋁合金延伸率低，導(dǎo)致在拉深過程中抵抗斷裂能力較差，增加了薄壁三通管的成形難度。因此，成形該零件需要在斷裂區(qū)減小壓邊力，而起皺區(qū)增加壓邊力，力的相互矛盾造成常規(guī)的模具無法滿足零件的自動化生產(chǎn)需求。

2.4 優(yōu)化坯料尺寸

由上述模擬可以看出，合理的坯料外形可以有效改善拉深過程中零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布，提高拉深成形極限，使零件厚度變化均勻，提高零件的成形質(zhì)量

。該三通半管結(jié)構(gòu)特殊，按常規(guī)的公式及經(jīng)驗展開坯料尺寸準確性差，因此先用DYNAFORM有限元軟件的MSTEP功能——坯料邊線自動優(yōu)化所計算的三通管坯料尺寸為優(yōu)化依據(jù)，通過提取三維模型中性層，對其進行一步展開求解，如圖8所示。

利用MSTEP求解的坯料尺寸，端頭處進行工藝補充，對其進行拉深成形模擬。經(jīng)過不斷優(yōu)化，最終得到最佳的坯料展開尺寸，如圖9所示。

(4)采用補汽閥倒抽蒸汽作為0號高壓加熱器高壓汽源，不影響汽輪機本體結(jié)構(gòu)，回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化方案技術(shù)風(fēng)險較低。

2.5 新型復(fù)合模結(jié)構(gòu)設(shè)計

拉深成形過程中影響回彈的因素較多，如拉深筋布置、模具零件形狀、壓邊力大小、材料特性及摩擦接觸等。結(jié)合以往成形方法的特點，依據(jù)凸、凹模型面、計算的坯料形狀及一般工裝結(jié)構(gòu)等，設(shè)計一種內(nèi)置有壓緊防皺機構(gòu)的復(fù)合模。

該零件曲面復(fù)雜，過多的坯料余量會加大放邊難度，且增加了成形后的切割工作量及難度；而坯料尺寸過小會導(dǎo)致局部缺料，因此其成形關(guān)鍵是要考慮收放邊對成形的影響，在放邊位置適當(dāng)增加補償余量，在滿足零件設(shè)計要求的情況下盡量減小坯料的尺寸。初步設(shè)計4種坯料外形，分別為：尺寸料、梯形料、Y形料、帶耳片Y形料。結(jié)合封閉式拉深成形模擬結(jié)果，端口部位厚度減薄嚴重導(dǎo)致材料開裂，在尺寸料、Y形料、帶耳片Y形料3種外形的端部進行優(yōu)化，設(shè)計拋物線結(jié)構(gòu)以減小此處板料的軸向力。分別對其進行仿真模擬，確定三通管最佳坯料外形結(jié)構(gòu)。

模具中增加拉深筋結(jié)構(gòu)，其作用在于增大板料向凹模內(nèi)流動時的阻力，可以改善板料在壓邊圈與凹模間的流動狀態(tài)，使板料各部分的金屬流動更均勻，如圖10所示，凹處圓角減薄率有所減小，褶皺也有所減少。使用拉深筋結(jié)構(gòu)雖然可以增大板料在凹模的拉應(yīng)力來克服切向受壓而起皺，但隨著拉應(yīng)力的增大，板料在危險截面斷裂的可能性增大，因此，在拉深筋的設(shè)計中要兼顧起皺、開裂的限制條件

。將拉深筋設(shè)置在壓邊圈上，拉深筋槽設(shè)置在凹模上，也對板料起定位作用。

新公司運行后，在戰(zhàn)略方面會有一些調(diào)整。首先，我們希望作為水應(yīng)用領(lǐng)域的專家，在工藝設(shè)計、整體方案的提供上總結(jié)很多經(jīng)驗，力爭從設(shè)備供應(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q方案供應(yīng)商。為此，公司早在兩年前就已經(jīng)開始了準備工作，在中國建立了水處理解決方案技術(shù)隊伍，現(xiàn)在完全可以按照客戶不同需求及給水、排水達標需求，為客戶定制其所需要的解決方案，實際上這也是我們整個技術(shù)的延續(xù)。

兩個男人一塊來買東西，也許有點觸目，不但可能引起司機的注意，甚至于他在閣樓上看見了也犯疑心，拖延著不下來。略一僵持就不對了。想必他們不會進來，還是在門口攔截。那就更難扣準時間了，又不能跑過來，跑步聲馬上會喚起司機的注意。——只帶一個司機，可能兼任保鏢。

結(jié)合以上模擬分析，在6 500 kN壓力機上進行拉深試驗。采用方案1（見圖12）拉深后得到零件如圖13所示，零件出現(xiàn)嚴重開裂及邊緣法蘭大面積起皺現(xiàn)象，與模擬情況一致，零件在圓角處容易出現(xiàn)裂紋。隨著拉深深度的增加，三通半管拐角區(qū)板料增厚，板料流入凹模阻力增大，已成形板料緊貼在凸模上，所受拉應(yīng)力不再增加；而在凹模圓角區(qū)，坯料則處于懸空狀態(tài)，所受到的拉應(yīng)力較大，所以該處容易拉斷。導(dǎo)致零件開裂也可能是坯料擺放位置不當(dāng)、壓邊力不足或潤滑不到位等因素。

模擬結(jié)果顯示零件上三角形區(qū)域易起皺，因此模具中設(shè)置三角形彈性頂件，其作用在于拉深過程中，凸模下壓最后15 mm時防止褶皺堆積而無法修正導(dǎo)致成形零件報廢。

實際生產(chǎn)中，該類零件一般采用落壓成形的工藝方法，但成形后需切割大量的余量，且變形嚴重，零件質(zhì)量差；而彎曲成形又會導(dǎo)致零件形成無法修正的褶皺

。依據(jù)零件形狀特點及經(jīng)驗考慮對其進行拉深成形的對拉，但效果仍不佳，依然會開裂及起皺，如圖2所示。因此，先對其進行數(shù)值模擬，分析成形過程中可能出現(xiàn)起皺、開裂的位置，不斷優(yōu)化坯料外形，并設(shè)計一種能預(yù)先壓緊坯料中部易起皺區(qū)域的復(fù)合模結(jié)構(gòu)。

3 試驗驗證

3.1 拉深試驗

2.5.2 頂件裝置

采用方案2的坯料形式，在圖14所示的模具上進行拉深試驗，在凹模圓角部位涂抹一定的潤滑油，減小與壓邊圈和坯料接觸面上的摩擦，得到了合格的拉深預(yù)成形零件。

3.2 校形

拉深預(yù)成形后，將零件在配套胎內(nèi)進行液壓校形，解決零件拉深回彈導(dǎo)致局部外形不貼合的問題，最后按胎線切割零件外形并手工修正，最終得到了符合要求的合格零件，如圖15所示。

總之，在建筑建設(shè)中質(zhì)量和安全是兩個至關(guān)重要的方面，對質(zhì)量安全展開嚴格的監(jiān)督，讓建筑的建設(shè)符合各方面的要求，促進建筑業(yè)的整體發(fā)展，需要監(jiān)管人員明確自身的責(zé)任，做好各方面的檢查和監(jiān)督工作，保證監(jiān)督的高質(zhì)量運行。

采用生物統(tǒng)計學(xué)SPSS19.0軟件對本次試驗記錄到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行處理,劑量資料以(±s)表示,采用t檢驗;計數(shù)資料以相對數(shù)(%)表示,采用卡方檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

4 結(jié)束語

以有限元法為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬技術(shù)，為三通半管拉深成形技術(shù)的研究提供了新途徑，可以提前預(yù)測零件投產(chǎn)后可能出現(xiàn)的起皺、開裂等趨勢；以便從零件結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、工藝方案等方面改進，采取適當(dāng)措施人為干預(yù)盡量避免缺陷的產(chǎn)生，達到縮短試制周期、減少費用的目的。針對薄壁三通半管拉深成形研究結(jié)合試驗形成結(jié)論如下。

（1）對于薄壁三通半管拉深成形技術(shù)，零件端頭處工藝補充面的構(gòu)建對開裂與防皺有較大影響，以拋物線形狀為宜，且隨著補充面曲率的加大，內(nèi)側(cè)放邊區(qū)開裂隨之增加，而中部起皺風(fēng)險隨之減少。

（2）展開坯料形狀的選擇對成形過程中緩解其開裂與起皺也十分重要，合理的展開形狀可優(yōu)化壓邊阻力的分布，使其變形朝有利方向進行，增加操作的可靠性。

（3）合適的模具結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化拉深成形效果，其中可變阻力拉深筋及隨形支撐輔助防皺裝置對緩解中部區(qū)域起皺有效。

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