壓邊力對(duì)超半球深腔薄板拉深成形的模擬分析

0 引 言

拉深成形是在固定圓角半徑的凸、凹模作用下，將板料成形為空心制件的沖壓工藝

。拉深成形工藝中存在的缺陷主要是開(kāi)裂和起皺，在板料拉深成形中，法蘭區(qū)的切向壓應(yīng)力超過(guò)了臨界壓應(yīng)力而起皺失穩(wěn)。在板料拉深成形時(shí)，板料最薄處的圓角區(qū)開(kāi)裂，是因徑向拉應(yīng)力大于板料的抗拉強(qiáng)度

，起皺通常是采用加大壓邊力的方式解決

，但壓邊力的增大會(huì)導(dǎo)致板料拉深時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂

。

研究的Al-Mg-Si合金塑性好、耐腐蝕、強(qiáng)度高，最大的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)應(yīng)力腐蝕和開(kāi)裂傾向、塑性成形性優(yōu)良、焊接性好，廣泛應(yīng)用于需具有一定強(qiáng)度和抗腐蝕性要求的航空、航天、兵器、船舶、電車(chē)和電子家電等領(lǐng)域，是各類(lèi)精密儀器、電器元件、導(dǎo)體、母線等不可缺少的材料

。現(xiàn)利用DYNAFORM有限元

模擬軟件對(duì)鋁合金超半球深腔薄板件的拉深成形過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬對(duì)比有無(wú)壓邊圈成形極限，分析壓邊圈對(duì)板料拉深成形質(zhì)量的影響，模擬不同坯料尺寸成形中起皺、開(kāi)裂缺陷，以修整坯料外形、尺寸來(lái)提升制件成形質(zhì)量

，通過(guò)改變壓邊圈與凹模間隙以改變壓邊力的大小，分析最大減薄率曲線變化規(guī)律，通過(guò)調(diào)節(jié)壓邊圈與凹模間隙控制成形制件的質(zhì)量，通過(guò)模擬得到壓邊力對(duì)成形制件的影響規(guī)律

，以提高制件成形質(zhì)量，為模具設(shè)計(jì)、制造以及制件的批量成形提供依據(jù)。

1 工藝分析與仿真模型建立

1.1 拉深成形工藝分析

拉深成形分為壓邊圈向下運(yùn)動(dòng)到與凹模提前設(shè)置好的間隙位置和凸模向下運(yùn)動(dòng)到與凹模提前設(shè)置好的間隙位置2個(gè)過(guò)程。圖1所示為制件形狀，其材料型號(hào)為 6061鋁合金,厚度為（1.0±0.3）mm，超半球深腔的深度為52 mm，已超過(guò)半球半徑

40 mm,馮蘇樂(lè)等

研究在半球形拉深成形中的主要受力情況如圖2、圖3所示，半球形拉深成形過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷的位置主要集中在B區(qū)的凹模圓角區(qū)域和C區(qū)的球底。B區(qū)的材料受到切向壓應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力的作用，當(dāng)壓邊力較小時(shí)，該區(qū)材料在切向壓應(yīng)力的作用下起皺，隨著拉深的進(jìn)行，該區(qū)起皺無(wú)法消除，最終導(dǎo)致半球形側(cè)壁處起皺。從A區(qū)的摩擦力分布可知，拉深時(shí)越靠近凹模圓角，摩擦力越大，當(dāng)壓邊力過(guò)大時(shí)，造成A、B區(qū)摩擦力增大，導(dǎo)致C區(qū)的材料無(wú)法得到補(bǔ)充，該區(qū)材料在拉深中處于懸空狀態(tài)，抗失穩(wěn)能力差，受到雙向拉應(yīng)力作用容易造成壁厚減薄甚至開(kāi)裂。

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，水果和蔬菜十分豐富，但貯藏保鮮技術(shù)不夠先進(jìn)，同時(shí)由于貯藏期間果蔬的生命運(yùn)動(dòng)會(huì)加快它的衰老，最終導(dǎo)致其質(zhì)量下降腐爛變質(zhì)；保持庫(kù)內(nèi)合理的溫度濕度以及氣體成分比例，能夠延緩果蔬氧化作用，達(dá)到保鮮。因此，研究設(shè)計(jì)智能化、集成度高的冷調(diào)庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效緩解農(nóng)產(chǎn)品不能長(zhǎng)期存儲(chǔ)的問(wèn)題。

綜上所述，為避免起皺和開(kāi)裂對(duì)成形制件質(zhì)量的影響，應(yīng)確定最佳參數(shù)值，控制壓邊力的大小。

城鎮(zhèn)居民人均可支配收入既可以宏觀地反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，又可以微觀地體現(xiàn)居民的生活質(zhì)量。陳迅和CAYLA J等發(fā)現(xiàn)收入與居民能源消費(fèi)量之間存在正相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為居民收入對(duì)能源消費(fèi)量影響的主要原因在于收入水平對(duì)居民生活能源消費(fèi)中設(shè)備購(gòu)買(mǎi)的束縛。收入對(duì)電能消費(fèi)有影響顯著，收入水平越高，相應(yīng)的電能消費(fèi)也越多。［21-22］因此，本文選取城鎮(zhèn)居民人均可支配收入為財(cái)富因素的代表性指標(biāo)。

1.2 仿真模型建立

將壓邊力的值設(shè)置為0，構(gòu)造無(wú)壓邊圈的模擬成形，如圖7（a）所示。壓邊力的值設(shè)置為非零時(shí)，即有壓邊圈時(shí)模擬成形，如圖7（b）所示。

一是網(wǎng)絡(luò)參政。隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來(lái)臨，互聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)公眾的政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中扮演著重要角色，公民“主動(dòng)”“積極”地行使知情權(quán)、參與權(quán)、表達(dá)權(quán)、監(jiān)督權(quán)有了便捷路徑，即網(wǎng)絡(luò)參政。一方面，網(wǎng)民參政推動(dòng)了政府工作;另一方面，各級(jí)政府機(jī)關(guān)順應(yīng)形勢(shì)，搭建起多層次網(wǎng)絡(luò)參政平臺(tái)。國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人率先做出表率，2008年6月，胡錦濤總書(shū)記通過(guò)人民網(wǎng)與網(wǎng)友在線交流，問(wèn)候網(wǎng)友，傾聽(tīng)民意。各地官員紛紛效仿，各級(jí)政府部門(mén)還專(zhuān)門(mén)搭建了網(wǎng)絡(luò)參政平臺(tái)，及時(shí)收集網(wǎng)民意見(jiàn)。從2006年起，全國(guó)人大陸續(xù)在人民網(wǎng)、新華網(wǎng)、央視網(wǎng)等主流媒體開(kāi)通“我有問(wèn)題問(wèn)總理”專(zhuān)欄，億萬(wàn)網(wǎng)民通過(guò)留言和跟帖向總理反映社情民意，詢問(wèn)發(fā)展大計(jì)。

大豐收農(nóng)資商城聯(lián)合創(chuàng)始人譚澤鑫介紹：“作為一家國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)的農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，自2014年成立之初，大豐收就秉承成為農(nóng)民身邊的種植管家的經(jīng)營(yíng)理念，圍繞農(nóng)業(yè)種植不斷深耕和拓展，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)打造農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)、供、銷(xiāo)環(huán)節(jié)，目前大豐收不僅已經(jīng)擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，包含正品農(nóng)資、科學(xué)植保、農(nóng)產(chǎn)品上行等核心業(yè)務(wù)，同時(shí)形成了線上線下互通互聯(lián)的立體化服務(wù)體系。此次與云圖控股的合作，就是希望能把好的產(chǎn)品推薦給農(nóng)戶?！?/p>

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 有無(wú)壓邊圈的模擬結(jié)果分析

利用有限元軟件DYNAFORM依據(jù)圖1制件形狀分別構(gòu)建拉深成形需要的凸模、壓邊圈、坯料和凹模的三維仿真模型，根據(jù)拉深成形要求創(chuàng)建各模型的相對(duì)位置，如圖4所示，壞料形狀如圖5所示。

在初始設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，坯料尺寸分別?。?04 mm×232 mm、284 mm×212 mm、264 mm×192 mm、244 mm×172 mm、224 mm×152 mm進(jìn)行拉深有限元模擬，模擬結(jié)果如圖8所示。

2.2 不同坯料尺寸模擬結(jié)果分析

對(duì)比有、無(wú)壓邊圈成形極限

得到：無(wú)壓邊圈的坯料因法蘭處無(wú)拉應(yīng)力限制材料流動(dòng)導(dǎo)致起皺，且外形發(fā)生變形；有壓邊圈的坯料由于材料的流動(dòng)受拉應(yīng)力的限制，成形制件整體外形規(guī)整，無(wú)起皺現(xiàn)象。因此必須設(shè)置壓邊圈以防止薄壁板料在拉深中起皺，提升制件成形質(zhì)量。

凸、凹模在CATIA軟件中分別提取制件內(nèi)、外型面所得；壓邊圈通過(guò)CATIA軟件從凹模頂部外緣平面提取、偏移所得；坯料根據(jù)壓邊圈偏移、縮減余量得到

。模型建立完成，依次另存為IGS格式，導(dǎo)入DYNAFORM模擬軟件中，如圖6所示。

分析圖8成形極限可知，坯料尺寸的減小能避免裂紋的產(chǎn)生，但起皺程度隨著坯料尺寸的減小而加重。這是因?yàn)闇p小坯料的面積實(shí)際是減小了法蘭區(qū)的面積，使拉深成形壓邊力的作用減小，增大起皺程度

。因此必須計(jì)算最佳坯料尺寸以減小起皺和裂紋的產(chǎn)生，對(duì)比圖8（a）～（e）成形極限可以得出，圖8（d）、（e）制件的成形質(zhì)量好，但中間兩側(cè)法蘭區(qū)缺料，需優(yōu)化坯料外形和尺寸。通過(guò)修整板料外形和尺寸，最終確定最佳坯料尺寸為224 mm×172 mm，形狀如圖8（f）所示，成形制件表面無(wú)起皺、裂紋缺陷，外形規(guī)則。

綜上所述，針對(duì)理論界探討和實(shí)踐中已有體現(xiàn)的處理機(jī)制，每一種都具有自身的局限性，都難以作為執(zhí)行依據(jù)不明確的處理方式統(tǒng)一適用。

2.3 壓邊圈與凹模不同間隙模擬結(jié)果分析

由圖9可知，隨著壓邊圈與凹模間隙的增大，壓邊圈受被動(dòng)的壓邊力逐漸減小，坯料最大減薄率總體上隨壓邊力的減小而逐漸減小。當(dāng)壓邊圈與凹模間隙≤1.1 mm時(shí)，隨著壓邊圈與凹模間隙的不斷增大，最大減薄率逐漸減小；間隙在1.1～1.16 mm，最大減薄率總體不變且在該區(qū)間最??；間隙達(dá)到1.18 mm，最大減薄率下降最快。為確認(rèn)最佳間隙值，通過(guò)后處理模塊得到壓邊圈與凹模間隙對(duì)應(yīng)板料最大增厚率曲線如圖10所示。

拉深成形是利用固定壓邊圈與凹模之間的間隙以施加壓邊力，當(dāng)坯料有翹曲并與壓邊圈有接觸趨勢(shì)時(shí)，因壓邊圈的作用，在法蘭向上接觸壓邊圈迫使壓邊圈產(chǎn)生被動(dòng)的壓邊力

。分別選取壓邊圈與凹模間隙為 1、1.02、1.04、1.06、1.08、1.10、1.12、1.14、1.16、1.18、1.2 mm建立有限元模型進(jìn)行模擬，得到壓邊圈與凹模間隙對(duì)應(yīng)板料最大減薄率曲線如圖9所示。

從圖10可知，隨著間隙的增大，最大增厚率總體上逐漸增大，在間隙1.18 mm出現(xiàn)快速升高。結(jié)合上述分析最大減薄率曲線中確定的最小值在1.1～1.16 mm，最終確認(rèn)最佳間隙為1.1 mm。最佳間隙成形制件模擬結(jié)果如圖11所示，成形制件表面光亮，無(wú)起皺、無(wú)裂紋。

2.4 不同壓邊力模擬分析

板料在拉深成形過(guò)程中，壓邊圈作用于板料而對(duì)其施加的力稱(chēng)為壓邊力。合理的壓邊力可有效預(yù)防坯料破裂或起皺，壓邊力過(guò)大導(dǎo)致壓邊圈所受的徑向力增大，限制法蘭區(qū)板料流動(dòng)性，局部供料不足、厚度嚴(yán)重減薄，附加受凸模的沖壓而開(kāi)裂；當(dāng)壓邊力過(guò)小，因限制板料不合理變形的應(yīng)力小而產(chǎn)生起皺。壓邊力在板料成形中影響較大

，必須設(shè)置合適的壓邊力壓緊坯料以得到高質(zhì)量的成形制件，采用控制單一變量的方式，得到拉深成形制件質(zhì)量與壓邊力影響規(guī)律

，分別選取壓邊力為30、40、50、60、70、80、90、100 kN進(jìn)行拉深模擬分析，得到壓邊力對(duì)板料最大減薄率、最大增厚率的影響規(guī)律如圖12所示。

由圖12可知，隨著壓邊力逐漸增大，板料最大減薄率總體呈增大趨勢(shì)，壓邊力在40～60 kN最大減薄率不變且最小，而最大增厚率呈減小趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)比最終確定壓邊力的最佳參數(shù)為50 kN。

2.5 最佳參數(shù)模擬驗(yàn)證

固定上述確定的最佳參數(shù)：坯料尺寸224 mm×172 mm，壓邊圈與凹模間隙1.1 mm，壓邊力50 kN，以驗(yàn)證研究的壓邊力對(duì)鋁合金超半球深腔薄壁板料拉深成形的影響。拉深模結(jié)構(gòu)如圖13所示，模柄1被夾緊定位于沖床上，下模座8定位于沖床工作臺(tái)上，將確定的坯料平放于壓邊圈4上，凹模3、凸模5利用導(dǎo)柱6導(dǎo)向，凹模3向下移動(dòng)至與壓邊圈4夾緊坯料，繼續(xù)移動(dòng)至與凸模5接觸坯料，隨著上模下行，由推桿7、壓邊圈4組成的機(jī)構(gòu)提供反向壓邊力以壓緊坯料，由凹模3、凸模5完成最終的成形。凹模3反向分離后，成形制件在推桿7、壓邊圈4組成的機(jī)構(gòu)提供反向力作用下推出，至此完成成形和卸料。成形制件形狀規(guī)則、法蘭平整、無(wú)明顯起皺或裂紋缺陷，如圖14所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用DYNAFORM軟件對(duì)有無(wú)壓邊圈、不同坯料尺寸、壓邊圈與凹模不同間隙、不同壓邊力的模型分別進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在不同條件下的拉深成形過(guò)程中出現(xiàn)的起皺和開(kāi)裂缺陷以及最大減薄率、最大增厚率的變化規(guī)律。通過(guò)分析不同參數(shù)的成形數(shù)據(jù)得出：設(shè)計(jì)模具時(shí)必須設(shè)置壓邊圈以防止板料拉深起皺；對(duì)比分析各坯料尺寸的成形極限，優(yōu)化坯料尺寸和外形，最終確定坯料尺寸為224 mm×172 mm時(shí)成形質(zhì)量最好；通過(guò)建立壓邊圈與凹模不同間隙的仿真模型進(jìn)行拉深模擬，分析最大減薄率、最大增厚率的變化規(guī)律，確認(rèn)最佳間隙為1.1 mm；模擬和分析8組不同壓邊力的板料厚度最大、最小值，確定最大減薄率、最大增厚率的變化規(guī)律，確認(rèn)最佳壓邊力為50 kN。通過(guò)設(shè)置各項(xiàng)最佳參數(shù)后進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證壓邊力對(duì)鋁合金超半球深腔薄壁板料拉深成形質(zhì)量的影響，為鋁合金超半球深腔薄壁板料制件的成形提供理論依據(jù)。

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