（机械制造及其自动化专业论文）滚动压边圈的拉深成形技术研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 拉深成形技术是一项重要的金属板材成形工艺，它在工业生产中占有十分重要的地位。 该项成形工艺因其成形效果好、加工成本低、材料利用率高等特点，在大批量生产中得到 广泛应用。但是，随着现代工业生产技术的不断提高，冲压成形件的结构越来越复杂，其 中由于薄壁球底直筒件拉深成形过程中坯料受力情况较为复杂，所以成形较为困难。本文 对薄壁球底直筒件拉深成形过程进行研究，根据该零件拉深成形过程不同阶段坯料不同位 置的受力情况，设计了一种新的拉深成形装置。然后，并对该装置进行合理的同等转化后 导入模拟分析软件进行模拟分析，并运用该装置进行拉深成形试验，由此证明该方法的可 行性。 第一章在分析了拉深成形技术目前国内外研究现状的基础上提出了本课题研究的内 容，并指出本课题研究的意义以及本课题研究的重难点和关键技术。 第二章根据筒形件拉深成形过程中各部分的受力情况，总结出影响半球形直筒件拉 深成形的因素，为后续研究打好基础。 第三章本章设计了一种拉深成形装置，并在此基础上设计了一种新型的拉深成形装 置，该装置能够将坯料法兰处的摩擦状况由滑动摩擦变为滚动摩擦，由此实现预期的试验 方案。 第四章建立试验三维模型，运用专门的板材分析软件d y n a f o r m 对试验过程进行模 拟分析，分析结果为今后试验提供了一定的参考价值。 第五章运用设计好得拉深成形装置，根据试验方案对s s 2 0 1 不锈钢板材进行拉深成 形试验，并对试件进行测量分析，初步证实改进的拉深成形装置具有一定的可行性。 第六章对本研究过程进行总结，并指出该研究取得的成果，以及该课题尚待研究的 问题和对该研究课题的展望。 关键词：拉深成形：球底直筒件：试验；d y n a f o r m 浙江理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c hf o rt h et e c h n o l o g yo fb a l lb l a n kh o l d e rd e e pd r a w i n g a b s t r a c t d e e pd r a w i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n ts t a m p - f o r m i n gp r o c e s s ，w h i c hp l a ya l li m p o r t a n t p l a c e s i nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o nf i e l d 。t h i st e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t i o n p r o c e s s i n gf o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg o o df o r m i n gc o n d i t i o n ，l o wc o s ta n dh i g hm a t e r i a l u t i l i z a t i o nr a t i o b u tw i t hm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi m p r o v i n g ，t h es t r u c t u r eo f t h es t a m p i n gp a r t sm o r ea n dm o r ec o m p l e x , b e c a u s et h ef o r c eo ft h i ns p h e r i c a lb o t t o ms t r a i g h t t u b ew o r kp i e c ei sm o r ec o m p l i c a t e di nt h ed e e pd r a w i n gp r o c e s s ，t h ef o r m i n gp r o c e s si sm o r e d i f f i c u l t y i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o ra n a l y s e s t h ed e e pd r a w i n gp r o c e s so ft h et h i ns p h e r i c a l b o t t o ms t r a i g h tt u b ew o r kp i e c e ，a n d a c c o r d i n gt ot h eb l a n k s f o r c ec o n d i t i o n so ft h e d i f f e r e n ts t a g e sa n dd i f f e r e n tp o s i t i o n s ，d e s i g n san e wk i n do fd e e pd r a w i n gd e v i c e t h i sd e v i c e i ss i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h es o f t w a r e ，a n dt h e ni su s e dt om a k ed e e pd r a w i n gt e s t ，f i n a l l y p r o v et h i si m p r o v e dd e v i c et ob ef e a s i b l e c h a p t e ro n e ：o nb a s e do fp r e s e n tr e s e a r c hf o r t h ed e e pd r a w i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a d ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h i st o p i cr e s e a r c hc o n t e n t ，a n dp o i n t so u tt h es i g n i f i c a n c eo f t h i st o p i ca sw e l la st h es u b j e c to f r e s e a r c hd i f f i c u l t ya n dk e yt e c h n o l o g y c h a p t e rt w o ：a c c o r d i n gt oe a c hp a r t sf o r c eo f t h ec y l i n d r i c a ld e e pd r a w i n gp r o c e s s ，t h e a u t h o ra n a l y s e st h ef o r c eo ft h et h i ns p h e r i c a lb o t t o ms t r a i g h tt u b ew o r kp i e c e ，a n da n a l y s e sa n d s u m m a r i z e se x p r e s s i o n sa c c o r d i n gt ot h es t r e s s t h e s el a yag o o df o u n d a t i o nf o rf o l l o w - u p s t u d y c h a p t e rt h r e e ：i nt h i sc h a p t e r , a u t h o rd e s i g n sak i n do fd e e pd r a w i n gd e v i c e ，a n do n t h eb a s i so ft h i sd e v i c e ，a u t h o rd e s i g n san e wt y p eo fd e e pd r a w i n gd e v i c e ，w h i c hc a nc h a n g e s s l i d i n gf r i c t i o ni n t ot h er o l l i n gf r i c t i o ni nb l a n kf l a n g ef r i c t i o ns t a t e ，t h u sa c h i e v et h et e s tp l a n c h a p t e rf o u r ：s e tu p3dm o d e l s , u s ed y n a f o r r ns o f t w a r et os i m u l a t ea n da n a l y z e ，t h e a n a l y s i sr e s u l t so f t e s tp r o v i d e sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ef u t u r er e s e a r c h c h a p t e rf i v e ：u s ed e s i g n e dd e e pd r a w i n gd e v i c et od r e wt h es s 2 0 1s t a i n l e s ss t e e l m a t e r i a lf o l l o w i n gt ot h et e s ts c h e m e ，m e a s u r ea n da n a l y z et h ew o r k p l a c e s ，i n i t i a l l yp r o v e dt h a t i m p r o v e dd e e pd r a w i n ge q u i p m e n tt ob ec e r t a i nf e a s i b i l i t y c h a p t e rs i x ：s u m m a r i z et h i sr e s e a r c hi n v o l v e d i nt h i sp a p e r , p o i n to u tt h er e s e a r c h s n 浙江理工大学硕士学位论文 a c h i e v e m e n t sa n da n a l y z et h i st o p i ci nf u t u r e k e y w o r d s ：d e e pd r a w i n g ；s p h e r i c a l b o t t o m s t r a i g h t t u b ew o r kp i e c e ；e x p e r i m e n t ； d y n a f o r m 圆 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 拉深成形是利用冲压模具和设备把具有一定形状的板材或者空心件毛坯制成各种回 转形、矩形或其他形状的空心零件的工艺。因此，在板材的各种冲压成形方式中，拉深 成形是一种很重要的成形方式。这是由于板材冲压成形工艺成形效率很高，并且能广泛的 运用到大批量生产过程当中，既节约了生产成本，又大大提高了生产效率，目前已经在航 空航天、家用电器、仪器仪表、电子通讯、轮船汽车等行业得到广泛应用。据美国一项最 新的调查显示，板料经过冲压成形后的产品能够创造出高出相当于原来材料价格十一倍的 附加值，因此进行板材冲压成形生产能够创造巨大的经济效益。这也就说明了，板材的冲 压成形技术在某种程度上反映一个地区或国家的工业现代化程度。 拉深成形件的形状多样，根据拉深成形件的工艺性将拉深成形件划分为以下几种情况， 直壁轴对称，直壁的非轴对称，曲面轴对称，曲面非轴对称乜1 。不同形状的零件拉深成形 过程中毛坯各部分受力、毛坯的变形特点、失效形式等各不相同，对应的坯料的成形极限， 模具的设计也各不相同。不同形状的拉深成形件的成形特点，失效形式，以及失效的位置 如表1 1 所示： 表1 1 拉深成形件的分类和主要的失效形式 拉深成形曲面非轴 直壁轴对称， 直壁的非轴对称一 曲面轴对称一 件分类p对枷 典型零件矿 骨守一 垦留固9 固 向苟p9 守9 ，眵v o 主要失效 起皱。起皱一起皱一起皱一 形式p破裂。破裂一 破裂， 破裂一 失效的一法兰部分起皱一法兰部分起皱。 法兰和侧壁起皱一 跟零件的 位置，筒壁部分破裂， 筒壁部分破裂p侧壁和底部破裂一7 形状有关p 由表1 1 我们可以看出，与直壁零件拉深成形情况相比，曲面零件拉深成形的失效形 式更加明显。这是由于曲面零件在拉深成形过程中，侧壁部分受力情况与直壁零件相比更 为复杂。下面我们将曲面零件和直壁零件在成形机理、变形区的位置以及成形极限等特点 进行比较见表1 2 所示： 浙江理工大学硕士学位论文 表1 2 直壁零件和曲面零件的成形特点 类型 直壁零件曲面零件 特点 成形原理拉深变形拉深与胀形 坯料外周凸缘部分 坯料外周凸缘部分拉深变形 变形区位置 拉深变形区区及坯料中部的胀形区 悬空部分没有明显的悬空部分有明显的悬空部分 坯料外周变形区受到切向压 坯料变形区受到切向压应力、应力、径向拉应力的共同作 变形区受力状况及 径向拉应力的共同作用，产生用，产生切向压缩，径向拉深 特点 切向压缩，径向拉深的变形的变形。坯料中部变形区在拉 应力的作用下产生胀形变形 凸模侧壁的摩擦作凸模和侧壁接触，具有凸模侧 凸模和侧壁不接触不具有凸 用 壁的摩擦作用模侧壁的摩擦作用 受侧壁承载能力、失稳、起皱 成形极限受侧壁承载能力的限制 及胀形破裂的限制 易失稳，起皱，破裂，成形相 成形难易 相对容易 对较难 球面零件属于曲面轴对称零件，在拉深成形过程中，除凸缘部分产生和圆筒形件拉深 成形相同的变形之外，球面零件中间部分也产生了变形，也就是说毛坯的边缘和中间部分 都是变形区，因此球类零件的拉深成形较为困难。 此外，传统的拉深模具的设计较为繁琐，一般要经过反复的试模，修模，再试模，再 修模的过程，如图1 1 所示： 2 浙江理工大学硕士学位论文 图i 1 传统的模具设- f f - , 过程 但随着计算机技术的发展，计算机辅助模拟技术在深拉深模具设计中得到广泛应用， 这就大大提高了模具设计的准确性，有效的缩短了模具设计的周期，降低了模具设计的成 本。数值模拟技术应用的模具设计过程如图1 2 所示： 图i 2 数值模拟技术应用的模具设计过程 数值模拟计算在模具设计过程中的应用是模具设计的一大进步。但在拉深成形过程中， 板材一次极限拉深深度的研究也十分重要。在板材拉深成形过程中，如果板材一次拉深成 形无法达到成形要求时就要进行多次拉深。多次拉深成形就要设计出多幅模具，这样不仅 增加了模具设计的成本，提高了工人的劳动强度，还延长了产品的生产周期，不利于产品 的生产。因此，对坯料一次极限拉深深度的研究也将为工业生产带来巨大的利益。 1 2 国内外拉深成形技术的研究现状 2 1 世纪制造业飞速发展，而冲压成形行业是发展制造业、航空航天业、金属制品业、 仪器仪表电器及化工工业等的基础，是现阶段我国既面临大好发展机遇，又面临着巨大挑 3 浙江理工大学硕士学位论文 战的行业。因此冲压技术的发展程度，是关系国民经济命脉的关键因素之一。追溯几十年 冲压模具的发展历程，我们不免从中得到一些启发。 纵观拉深成形技术的发展历程，拉深成形件生产过程中出现过很多质量问题，但起皱 和拉裂是最常见的两种失效形式嘲。在拉深成形的过程中，凸缘部分的材料受到切向压应 力的作用h 1 ，当材料的相对厚度t d 较小或者切向所受的切向应力较大的时候都可能在坯 料上出现褶皱，这种现象就是“起皱”。由于材料在拉深成形过程中，凸缘的外缘部分所 受的切向力最大，因此，起皱首先在凸缘的外缘部分产生。起皱现象是影响坯料拉深成形 的一个重要方面，传统的防止制件凸缘部分起皱常用的方法是采用可调节力的压边圈和拉 深肋或拉深槛等，这种方式能够在一定的应用范围内有效的防止起皱现象的出现。但是为 更有效的限制起皱现象的出现，人们对拉深成形过程中的起皱现象做了大量的研究。 拉深成形过程中另一个常见的失效形式就是工件筒壁部分的拉裂。这种现象的出现主 要原因是，拉深成形过程中凸缘部分由于受力不均导致坯料增厚，当凸缘区转化为筒壁后， 拉深成形件的壁厚就出现不均匀现象，口部壁厚较大，底部壁厚较薄，且在壁部与底部圆 角相切的处变薄最为严重。当筒壁的最大拉应力过大时，便会产生拉裂现象。与起皱现象 相同，拉裂同样是影响拉深成形制件质量的一个重要方面。传统的防止拉裂的措施主要有： 适当的加大凸、凹模的圆角半径降低拉深力增加拉深次数在压边圈底部或者凹模 上面涂润滑剂等哺】。生产实践过程中，为更有效的防止拉裂现象的产生，人们不断采用新 的拉深成形工艺。 人们在不断改进拉深成形工艺提高拉深成形件成形效果的同时，也在对拉深成形不易 实现的工件进行研究。 早在1 9 l o 年，美国建成世界上第一台工业用球形容器，人们开始了对球形件的大量 研究。而此后经过几十年的努力，由哈工大滕步刚，苑世剑，王仲仁等人于1 9 8 5 年提出 的一种新的球形容器成形方法，获得了国家发明专利阳1 ：国营9 3 7 3 厂研究所的文斌等人 对半球形工件的拉深工艺作了分析，并设计出了行之有效的模具盯1 。 由于球形制件在拉深成形过程中，坯料的受力情况较复杂，它是拉深和胀形两种成形 工艺综合作用的结果陋1 。由于球形零件在拉深的初始阶段只有球形凸模的顶部与坯料接触， 接触面积小，应力集中，最终导致坯料局部变薄严重，出现断裂现象。同时又由于球形零 件拉深成形过程中毛坯中间部分起皱也是困扰球形零件拉深成形的难题。传统的成形过程 对成形球类零件有一定的限制，成形质量不易达到预期的成形效果，或者成形过程成本较 高。大量的研究表明，球底件在拉深成形过程中，在工件半球形部分未成形之前，凹模内 4 浙江理工大学硕士学位论文 部的坯料受力不均匀，这是导致球底件断裂起皱的主要原因。为了更好的成形球类零件， 人们提出了一些新的成形工艺。 由于液体受压时各部分受力大小相等，因此人们利用液体的此项特性，提出了软凹模 的液压拉深成形技术蹭儿1 0 1 。板料在拉深成形过程中，凸模的下降对液体产生压力，液体对 毛坯产生反压力使其紧贴在凸模上，成形与凸模形状相同的制件1 。液压拉深成形技术成 形的半球件在成形过程中坯料的各部分受力均匀，减小了拉深成形过程中起皱，拉裂的可 能性。但由于液压拉深成形过程中液体受到很大的压力，所以容器的密封性成为制约此项 技术大范围应用的一个关键因素n 引。 为有效的克服液体拉深对密封要求较高的缺点，人们利用聚氨酯橡胶的特殊性能 一种介于橡胶和塑料间的高分子弹性材料取代液体作为软凹模的材料“3 1 。聚氨酯橡胶在封 闭的状态下，其性质相当于液体静压，并且很小的变形就能产生各方向大小相同的压应力。 运用聚氨酯橡胶的这种特性，我们可以用来成形各种复杂零件，软凸模的结构如图1 3 所示。这种软凸模的结构在成形过程中，将板料放在凹模上，由定位钉将其固定，装有橡 胶的凸模的机构向下移动，橡胶与板料接触是毛坯变形的开始，凸模的结构继续下降，聚 氨酯橡胶充斥在凹模内，聚氨酯产生的均匀压应力将坯料贴附在凹模上面，由于聚氨酯的 流动性，可以防止内部起皱现象的产生，成形与凹模形状相同的制件。在凸模结构下降的 过程中，坯料凸缘部分的聚氨酯将坯料压在凹模的外缘部分，依靠聚氨酯的压缩产生压边 力。这种软凸模的设计结构简单，制造方便，成形效果好，但是它的使用具有一定局限性， 因此不能大规模的运用到实际生产中。 5 浙江理工大学硕士学位论文 图1 3 聚氨酯拉深模具结构 对于不易成形的薄板金属拉深半球件，在拉深的深度不是很大的情况下可以采 用包覆拉深引，此种拉深工艺是将薄板金属包覆在两种金属中间，三层金属同时拉 深，可以防止内部起皱的现象发生，外部可以防止拉裂，对于不易成形的薄板拉深 半球件有很好的拉深效果。但是这种拉深工艺不易拉深较深的半球件，因此该拉深 工艺的应用范围受到一定限制。 此外，还可采用数控设备对板料进行渐进成形半球件5 1 。此种方法将事先编好 的成形半球件路径的程序输入到数控设备中，运用专门的球形工具头对板料进行一 层一层的成形，最终成形到预期的效果。将数控设备运用到半球形工件的加工过程 中，可使加工过程更容易控制，但是成形过程壁厚均匀性，以及成形的精度不易控 制。 运用温差拉深”，径向加压拉深，高能成形，旋压成形n 力n 刚等方式成形的半球件对 传统的半球件成形效果都有很大的改善。 1 3 本课题研究的目的和意义 本文运用改进的拉深成形装置，以不易成形的球底直筒件为研究对象，将通过以下几 个方面对坯料极限拉深深度进行研究。 ( 1 ) 对球底直筒件成形过程中不同阶段的不同区域内坯料受力情况进行分析，了解坯 6 浙江理工大学硕士学位论文 料不同位置的接触摩擦情况对坯料拉深深度的影响。 ( 2 ) 设计试验所需的拉深成形装置，并根据理论分析的结果，设计一种滚珠拉深成形 装置。然后，根据事先设计好的试验方案，运用试验装置进行拉深成形试验。 ( 3 ) 通过试验比较在同等情况下，运用传统拉深成形装置与改进的拉深成形装置成形 的工件的情况。并分析压边力大小、坯料大小、坯料厚度等因素对坯料极限拉深深度的影 响。 对坯料一次极限拉深深度的研究有利于缩短冲压产品的生产时间，降低生产成本，对 今后球底直筒件的工业生产具有一定的指导意义。 1 4 本课题研究的内容 在改进传统拉深成形方式的同时，人们对压边圈的压边方式及压边力的分析方面也有 了一定研究。上海交通大学的王东哲，杨文骥等人研究了压边圈的结构对改善拉延性能的 影响引，上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心的周士侃，娄臻亮，龚红英等人对基于 新型双层组合压边圈的变压边力控制的研究啪1 ，上海汽车工业( 集团) 总公司汽车工程研究 院的孙成智、罗思东等人研究了拉深成形过程中压边力的分布试验测量方法与数值模拟幢， 为合理控制压边圈受力提供了更有力的证据。上海交通大学闰家模具c a d 工程研究中心的 刘晖、朱伟等人对实时控制变压边力液压系统的改造实现了分段压边力的控制瞳引，是压 边力控制方面研究的又一进步。人们对一系列压边力进行分析的同时，对压边圈的压边方 式的改进也有很大进步。长江大学的黄晶等人精冲压边形式的研究瞳引，提出了用v 形齿圈 强力压边技术对提高精冲件断面质量具有显著作用。 本文改进了传统拉深成形装置，设计了一种新型的拉深成形技术。此项技术的 研究不仅改善了传统拉深成形过程压边圈与毛坯直接接触摩擦力大，压边力不易控 制的难题，还使此项改进运用到滚珠模具中，首次实现了滚动压边圈的整套模具的 应用。此项技术的应用将是继软凸模成形之后，软凹模拉深中基于橡皮凹模拉深、 充液拉深、差温拉深、径向加压拉深、高能成形、旋压成形基础上的又一次创新。 该项拉深成形技术的实现，是压边方式改善的一次尝试。它既可以实现压边圈 的部分由滑动摩擦变为滚动摩擦，对拉深成形过程中经常遇到的拉裂和折皱问题有 所改善，还可以解决充液拉深模具中所遇到的对液体的密封要求较高的问题。因此 此项研究在冲压拉深模具应用中有着一定的现实意义。 7 浙江理工大学硕士学位论文 1 4 1 本技术的创新之处 1 、此项技术运用滚动压边圈进行拉深成形工件，这将是一种新型的压边方式的尝试。 目前的压边装置多采用直接压边或者充液压边的方式，滚动压边圈装置将运用滚珠将压边 圈与毛坯隔离开，达到滚动摩擦的效果。 2 、此项技术运用滚动压边圈装置，实现压边圈摩擦方式的转变。 在充液拉深成形过程中，压边圈装置运用溢出的液体自行润滑。解决了拉深成形过程 中，在压边圈与毛坯之间加润滑油较困难的问题。充液拉深与传统压边圈机构相比，有效 的减小了压边圈与工件之间的摩擦力，改善了零件的成形效果。而滚动压边圈的运用，是 压边圈结构改善的又一次尝试，它将是压边圈摩擦方式改变的新的探索。它有望在工件易 拉裂、折皱，成形效果差等问题上有所改进。 3 、运用滚动压边圈的成形技术达到一种新的拉深成形极限。 运用改善后的压边圈，在成形极限效果方面也将是一次新的尝试。 1 4 2 本项技术的难点 ( 1 ) 滚动压边圈滚珠的选取问题。 滚动压边圈滚珠的大小对压边圈的滚动摩擦影响很大，滚珠过大会在毛坯表面留 下凹痕，影响零件的加工质量。滚珠过小，加工难度大，成本较高。因此，对滚珠大小的 选择至关重要，它是影响试验效果的重要因素之一。 滚珠的固定问题，采用保持架还是凹形槽等其他方式，需衡量比较加以选取。 ( 2 ) 压边力的控制问题。 本技术研究的目的之一就是压边力的大小与工件成形效果，拉深极限等的关系。然而 压边力大小的准确控制将是此项技术的一大难点。 ( 3 ) 工件法兰处圆角的成形问题。 在无起皱，拉裂的情况下实现工件法兰处圆角很好的成形，也是此项技术的一个难点。 1 4 3 本项技术的重点 ( 1 ) 拉深工件形状及毛坯材料厚度的选择问题。 试验是对滚动压边圈的研究，实现此试验的前提是加工的工件需要运用到压边圈，这 样才能进行后面的研究。此外，毛坯材料及厚度也是影响试验效果的关键因素，因此，结 合加工工件选择合适的毛坯，也至关重要。 2 浙江理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 压边力的大小问题。 压边力的大小与滚珠的均匀滑动，以及零件的良好成形之间的关系，这是此试验研究 的重点，关键之处。 ( 3 ) 零件的拉深深度问题。 采用此项技术条件下的零件拉深深度与传统条件下的拉深深度的比较是衡量试验好 坏的重要指标。 1 4 4 本项技术的关键技术 l 、试验平台的搭建。 此技术需要一整套模具，其中滚动压边装置的设计制造是此试验的关键。因此试验平 台搭建的好坏是影响试验效果的重要外部因素。 2 、运用d y n a f o r m 软件模拟分析凹模圆角的大小与工件法兰处圆角成形效果之间的关 系，以便试验中合理的选择凹模圆角的大小，已达到很好的成形效果。 3 、运用有限元分析得出压边力，冲压力与工件的成形效果，拉深极限等的成形规律 图，为进一步试验做好准备。 1 5 本章小结 本章讲述了拉深成形技术的国内外研究现状和半球形工件拉深成形技术的研究 成果，并指出本课题研究的内容和本课题研究的目的，以及该课题研究过程中的重 难点和关键技术。 9 浙江理工大学硕士学位论文 第二章球底直筒件拉深成形的理论分析 板材拉深成形技术就是利用预先设计好的模具将平板坯料加工成为开口空心零件的 一种加工方法。此项板材成形技术是1 8 5 7 年由英国著名学者a l e x a n d e rp a r k s 在进行铜 板拉深成形工艺研究时设计出来的幢射，在此后的一百多年里此项工艺技术得到了人们广泛 地发展和应用。由于实际生产中，板材拉深成形的产品形状复杂，结构多样，并且拉深成 形过程中还会伴有胀形情况的出现，使用传统的单一的拉深或胀形成形工艺设计的模具在 拉深成形过程中就会出现一些问题，此时就涉及到了拉一胀成形工艺。目前国内外关于拉一 胀成形方面的研究并不多见。其中，重庆理工大学的陈康，彭成允等人做了关于球底直筒 件成形极限的数值模拟研究。但他们也只是模拟分析了球底直筒件的一些影响参数。本 章结合圆筒形件拉深成形过程的受力情况，从球底直筒件的成形过程开始，运用切块法m 1 ， 分析了球底直筒件成形过程中坯料各部分的受力情况，由此来更好的指导实际的生产实践 活动。 2 1 圆筒形件拉深成形过程的受力分析 圆筒形件的拉深成形是将平板毛坯转化为空心圆筒件的过程。在拉深成形过程中，坯 料仅在拉深应力的作用下发生塑性形变。图2 1 是坯料在拉深成形过程中，各部分材料的 移动情况。 图2 1 材料流动示意图 由拉深成形过程中各部分材料流动情况示意图我们发现，坯料在拉深成形过程中不仅 受到径向拉应力的作用，还受到沿坯料圆周方向的切向压应力的作用。因此，要准确的分 析影响坯料拉深成形的因素。有效的控制零件成形的质量，就要对坯料各部分的受力情况 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 进行正确的分析。由于拉深成形过程中不同时间内，不同区域的坯料受力情况不尽相同， 为更好的分析坯料的受力情况和变形状态，可以将坯料按照受力情况分为以下五个区域， 它们分别是坯料的法兰区、凹模圆角区、凸模圆角区、直筒壁区和筒底区1 ，坯料划分区 域如图2 2 所示： i 法兰区i i 凹模圆角区筒壁区 凸模圆角区v 筒底区 图2 2 筒形件拉深成形过程中各部分所受的应力、应变图 坯料区域划分如上图所示，下面将对筒形件各区域内所受的应力情况进行具体的分析。 i 一一法兰区( 主要的变形区) ：此部分毛坯在径向拉应力o 。和切向拉应力o 。的作 用下发生塑性形变。由于此部分的毛坯在拉深成形过程中通常坯料所受的切向拉应力a 。 口。 ，使零件法兰部分出现裙皱现象，为有效的减小此种失效形式的产生，通常在拉 深成形过程中使用压边装置，提供一定的压边应力a ：。然而，一般情况下，压边应力o 。， 的绝对值要比径向拉应力o 。和切向拉应力o 。的绝对值小的多，可以忽略不计。 i i 凹模圆角区：此部分坯料受力情况比较复杂，与法兰区的受力情况大致相同， 主要在径向拉应力a 。和切向拉应力a 。的共同作用下发生塑性形变。此外，与法兰区受力 不同的是，此部分还受到凹模圆角对坯料产生的弯曲拉应力及弯曲作用带来的厚向压应力 o 。的作用。其中，弯曲拉应力随着凹模圆角的较小而增大，当凹模圆角过小时，坯料将 出现拉深断裂现象。 i i i 筒壁区：此处坯料受力比较简单。坯料在经历了塑性弯曲变形后，在被拉直的 过程中，主要受到单向拉应力o 。的作用，此部分坯料拉深成形过程中的主要失效形式为 筒壁断裂。 一一凸模圆角区：坯料在此部分是受力情况大致与凹模圆角区的受力情况大致相同， 即除受到径向应力g ，和切向拉应力o 。作用外，还受到凸模圆角对坯料产生的弯曲拉应力 及弯曲作用带来的厚向压应力o 。的作用。 1 1 浙江理工大学硕士学位论文 v 一一筒底区：零件的筒底部分是在坯料拉深的初始阶段形成的，在坯料的拉深成形 过程中，始终受到径向应力o 。和切向拉应力o 。的作用。 综上可知：平底直筒件拉深成形过程中所受到的应力，应变情况如图2 3 所示， 图2 3 坯料各区域所受到的应力一应变示意图 平底直筒件拉深成形过程主要是在径向拉应力a 。和切向拉应力o 。以及弯曲拉应力 及弯曲作用带来的厚向压应力o 。共同作用下拉深成形的。与平底直筒件拉深成形过程不 同，球底直筒件拉深成形过程是在拉深和胀形两种变形方式复合作用下形成的。因此球底 直筒件除具有平底直筒件拉深成形的特性外，还具有胀形的一些性质，球底直筒件受力情 况分析如下。 2 2 球底直筒件拉深成形过程的受力分析 2 2 1 球底直筒件拉深成形过程 所谓的胀形就是指在模具的作用下，迫使坯料的厚度减薄、表面积增大，以此来获得 所需的零件形状的一种冲压加工方法，胀形是冲压变形的一种基本成形方法。它是一种局 部变形工序，胀形仅限于在毛坯塑性变形的范围内进行，胀形的极限变形程度取决于材料 的塑性。由于胀形时坯料处于双向拉应力的状态，因此胀形区域内的毛坯不会出现起皱现 象，但是胀形超出坯料的承载极限就会使坯料拉裂。由此可知，处在胀形区的坯料要注意 防止拉深破裂。 坯料的拉深变形是指利用冲压模具和设备把板料拉深成各种回转件、矩形或者其他复 杂形状的一种加工工艺。当坯料在拉深成形过程中受到的外力和与坯料自身的应力大小不 平衡时，就很容易出现起皱现象。 由于坯料在拉深成形过程中受到拉深和胀形两种情况综合作用，且凸模在下行的不同 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 阶段，坯料的各部分受力情况也不相同。因此，为了便于分析，我们根据拉深成形过程中 坯料的不同位置，大致将球底直筒件拉深成形过程分以下几个阶段： 首先，在球底直筒件的拉深的初始阶段，凸模底部与坯料的小部分接触，如图2 4 所示，这一小部分的坯料受到凸模所给的全部拉深力，如果此时压边力过大，坯料不能顺 畅的流入凹模腔内，就会使此区域内的坯料出现严重的变薄现象，坯料容易出现拉裂的现 象。 缓。 、7 缓 碗蕃r 舀完聪强筇诧试藕燃骁驻礤嘶卵酾翻* 礴 阚藜 图2 4 球底直筒件拉深的初始阶段 随着凸模的不断下行，中部的材料逐渐贴附在凸模上，此时球底直筒件的成形主要靠 中部材料的胀形作用来完成的，此时坯料所处的状态如图2 5 所示。由于此时大部分坯料 处于悬空状态，我们将此阶段称为坯料悬空阶段。此阶段内坯料与凸模的接触面很小，且 受到双向拉力的作用，因此很容易出现坯料拉裂现象。另外，处于此阶段内的坯料很大一 部分并未受到压边力的作用，也很容易出现起皱现象。 图2 5 球底直筒件拉深的坯料悬空阶段图 凸模的继续下行，不断将坯料拉入凹模腔内，最终坯料紧紧贴合在凸模半球形上面， 如图2 6 所示。我们称此阶段为直筒贴模阶段。此阶段材料的受力情况较为复杂，主要是 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 靠坯料内部拉深变形作用以及外部材料的拉入成形的。 2 6 球底直筒件拉深的坯料直筒贴膜阶段 2 2 2 球底直筒件拉深成形过程的受力分析 在分析过程中，我们假设坯料的初始阶段为凸模与坯料刚刚接触，此时坯料的受力很 小，可以忽略。下面我们运用主应力分析法对坯料在悬空阶段和直筒贴模阶段受到的应力 进行分析。为使分析过程简化，在分析时对坯料的几种情况进行假设不考虑坯料的各项 异性的影响，假设坯料为各向同性的塑性材料，零件为轴对称体，假设各部分受力情况 也为轴对称，不考虑坯料在拉深成形过程中增厚或者变薄对其它因素的影响，也就是假 设坯料拉深成形过程中是等厚的塑性体材料。由分析验证可知，球底直筒件拉深成形过程 中各部分受力情况如图2 7 所示： o ，：径向应力0e ：切向应力 o 。：厚向应力 图2 7 球底直筒件拉深成形过程各部分应力应变示意图 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 2 1 球底直筒件拉深成形过程中坯料悬空阶段各部分受力分析 球底直筒件拉深成形过程中，凸模首先与坯料接触，依靠凸模下行力的作用，使坯料 处于悬空状态。为了便于对此阶段的坯料各部分受力进行合理的分析，特将此阶段的坯料 分为以下四个区域，它们分别是：凸缘区、凹模圆角区、悬空区、贴模球形区。划分区域 所在位置如图2 8 所示： 、严 一n 、 ，一， i 、 1 一凸缘区2 一凹模圆角区3 一悬空区4 一贴模球形区 图2 8 坯料悬空阶段各区域的位置 ( 1 ) 凸缘区受力分析 凸缘区坯料各部分受到的应力如图2 9 所示： 图2 9凸缘区坯料所受应力示意图 在此区域内，坯料成形主要受到凸模下行产生的径向拉应力o ，和由压边力产生的切 向压应力0 0 共同作用。并且成形过程中径向拉应力o ，在凸缘内边缘处取得最大值，在凸 缘的外边缘处为取得最小值口，- - 0 。切向应力o e 在凸缘内边缘处取得最大值，在凸缘的外 浙江理工大学硕士学位论文 边缘处为最小值。此处，令坯料的厚度为t ，半径r 处的切应力为o o 径向拉应力为o ， 运用基元法取夹角为中的扇形为研究对象，由基元体的平衡状态可得： 1 0r r c p t + d ( o ，r 巾t ) l or r c t + 2 0 e d r t s i n = 0 公式2 ( 1 ) 不考虑坯料厚度变化，即令坯料的厚度t 为定值，结合材料的屈服强度条件可得出坯 料径向拉应力和切向应力的表达式分别为： o ，= - - 1 1 而i nr + c 公式2 ( 2 ) o o = 一1 1 厩一o r 公式2 ( 3 ) 由于坯料的径向拉应力在外边缘处取得最小值为o r - 0 ，因此，当r = r t 时，可得 c = 1 1 而i n r t 代入上式可得： 。r _ 1 1 匾l n i r t 公式2 一( 4 ) o o = 1 1 而l l l n 詈i 公式2 - ( 5 ) 考虑拉深成形过程摩擦力o m 对拉深成形过程的影响， 。m = 器 公式2 - ( 6 ) 式中，肛为摩擦因数； q 为压边力； r 为凸缘边缘； 为材料厚度。 上式可化为： 径向应力： 仃r - 1 1 磊1 n 詈+ 罴 切向应力：a e = 1 。1 瓦1 1 一l n 鲁l 一罴 公式2 一( 7 ) 公式2 ( 8 ) ( 2 ) 凹模圆角区的受力分析 对于凹模圆角区来说，坯料在此部分的成形主要是拉深成形过程中坯料与凹模圆角接 触摩擦所产生应力以及拉深成形过程中坯料的变形阻力共同作用的结果。为有效的分析出 不同参数在拉深成形过程中对该区域成形效果的影响，我们取该区域内微小面积的基元体 为研究对象，并且假设拉深成形过程中忽略厚度变化，凹模圆角区受力示意图如图2 1 0 所示： 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 o b 图2 1 0 凹模圆角区坯料所受应力示意图 根据受力分析，列出径向平衡微分方程有： h + d o r i | r + d r l t d e c o s 警o r d e r t c o s 警一 2 a 0 r e d c b t s i n 了d c b c o s = 0 式中，o ，为径向拉应力； d e 为切向拉应力； r 。为不同圆角区域的半径； t 为坯料厚度； 咖为坯料在凹模圆角处的包角。 图中由几何关系可知： r - d o r + ( d r o ) d r = 0 结合凹模圆角区塑性方程o r 一仃8 = 1 1 而，o r 0 o o 可将上式化为： d r = - 1 1 厩i n r + c 利用边界条件r - r 。时，诉= o 可得 c = 1 1 而i nr t 即：o ，= 1 1 厩i n r t 考虑拉深成形过程摩擦力o m 对拉深成形过程的影响， 。m = 丽2 i q 上式可化为：径向应力。r = 1 1 磊i n 譬+ 罴 n n 口- i # i ：切向应力 。= 1 1 而i l n 坠r 一1 i + 差 公式2 ( 9 ) 公式2 ( 1 0 ) 公式2 ( 1 1 ) 公式2 ( 1 2 )