（机械工程专业论文）8制动缸盖拉深成形合理压边力和理想间隙的研究.pdf

摘要 起皱和破裂是板材冲压成形中的主要失效形式，法兰起皱失稳( 外皱) 和悬空侧壁起 皱失稳( 内皱) 的预测和预防不仅是设计冲压模具和确定工艺参数的依据，而且还是板材 成形智能控制中的关键。因此板材成形过程中的皱曲研究对冲压成形理论的发展和实际 生产都有重要意义。 本文针对圆锥形零件拉深成形中的法兰起皱、侧壁起皱失稳具体情况，利用简化的 h i l l 屈服准则，近似分析了皱曲发生前法兰应力分布，进而在已给出的起皱失稳判据的 基础上，分析了法兰起皱、侧壁起皱临界压边力。 通过8 ”制动缸缸盖成型的数值模拟研究证明了模拟技术可以顺利完成多步成型的 模拟计算并可以在拉深材料优选中起到作用。 在本文给出的实验条件下的皱曲判据基础上，对圆锥形零件拉深成形中的侧壁起皱 进行了实验研究，验证了对皱曲临界条件的理论分析的合理性和可靠性，尤其是凸凹模 的理想自由间隙的确定，可以作为圆锥形零件拉深成形中模具设计、工艺参数制定的依 据及智能控制的理论基础。 关键词：锥形件拉深；压边力；问隙；制动缸盖 大连交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w r i n k l ea n dc r a c ka r e 恤em a i no b s t a e l 鹤i ns h e e tf o r m i n g 1 r e d i e t i o l na n d p r e v e n t i o no tt h ef l a n g ew r i n k l i n g ( e x t e r n a lw r i n k l e s ) 黼ds i d e - w a l lw r i n k l i n g ( i n t e r n a l w r i n l a 哟a r en o to n 炒t h er e l i a n c ei n nd e s i g no ft o o l i n ga n dp r o c e s sp a r a m e t e r si ns h e e t m e t a ls t a m p i n g , b u ta l s om l et h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o li ns h e e t m e t a ls t a m p i n g t h e r e f o r e , , t h er e s e a r c ho fw r i n k l i n g 函v e r ys i g n i f i e n c eb o t hf o rt h e d e v e l o p m e n to ff o r m i n gt h e o r ya n dt h ep r a e t i c eo tc u r v e dp a r t sp r o d u c t i o n - o nt h es l 口e e i t i cc a s eo ft h ef l a n g ew r i n k l i n ga n dt h ew a l lw r i l f l d e si n nd e e pd r a w i n g , u s i n gt h es i m p l i f i e dh m sy i e l dc r i t e r i o n ，t h ed i s t r i b u t i o l lo ft h em a i ns t r e s s e s 缸g a i n e d a n dt h e nt h ea n a l y t i c a lb l a n k h o l d i n gf o r c ef o rf l a n g ew r i n k l i n gi sg a i n e dt h eb a s e do no f t h ew r i n k l i n gc r i t e r i o no fc o n i c a lp a r td e e pd r a w i n g 1 n l u m e r i e a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho nf o r m i n go f8i n e l ab r a k ec y l i n d e ri n d i c a t e st h a t s i m u l a t i o nt e e l a n o l o g yn o to n l yp e r f o r m ss m o o t hs i m u l a t i o ne a l e t t l a t i o ni nm u l t i - s t e p f o r m i n g , b u ta l s op l a y b ar o l ei nm a t e r i a l o p t i m n ms e l e e t i o n o nt h eb a s i so ft h ec r i t e r i o f o l gt h ew r i n k l i n gu n d e rt h er e a lc o n d i t i o n 。t h e e x p e r i m e n tr e s e a r c hf o rw a l lw i g o tc o n i c a lp a r td e e pd r a w i n g 缸c a r r i e do u t 蛆d t h er e s u l t sw h i c hp r o v i d e st h ed a t ai n d i c a t e st h et h e o r yi , l a l y s i s 缸r e l i a b l e 柚de f l e e t i v e t h e e x p e r i m e n tr e s 翰r e l ap r o v e st h et h e o r ya n a l y s i bf o rt h ew r i n k l i n gi n nd e e pd r a w i n g c a l la l s ob eu s e dt oi i e s i g nt h et o o l i n gd e t e r m i n a t i o ni ) 1 1 1i d e a lf r e ec l e a r a n c eo fc o c 叠v e m o d u l e & c 0 1 1 v e xm o d u l e , m a k et h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt ob et h eb a s i so fi n t e l l e c t u a l c o n t r o li ns h e e tm e t a lf o r m i n g k e yw o r d ! i - t a p e rd r a w i n g ；b l a n l d a o l d i n gt o r e e ：c l c a r a n c e ；b r a k ec y l i n d e r 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：弯狮 日期：知弼年1 1 月硒日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 摊钏辑牛 日期：f 年f ，月工刀日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：李辉 芎磷 日期： 2 0 0 8 年1 1 月2 0 日 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 快速发展的国民经济对铁路货运提出了更高的要求，多样化、精品化的货车产品在 市场中所占的份额将逐步扩大。冲压件作为零部件生产的主要方式，由于易实现标准化、 生产效率高、生产附加效益大等特点被广泛采用。 板材拉深成形是利用模具使冲裁后得到的平板毛坯变成开口的空心零件的冲压成 形过程，它是板材冲压加工中一种典型而且非常重要的工艺方法。位1 自从1 9 5 7 年英国的 a l e x a n d e rp a r k e s 口1 开发成功并取得铜板拉深工艺专利以后，这一工艺在生产中得到了 非常广泛的应用。随后随着科学技术的发展，板材成形的自动化，包括冲压自动化生产 线、自动成形机、柔性加工系统( f m s ) 等技术，大大提高了生产率。但由于板材成形自动 化是按照预定的工艺流程完成的成形过程，当实际生产中的被加工对象的材质以及工况 有变化或波动时，因不具备对被加工对象材质及工况条件的影响进行实时监测、识别和 预测能力而不能对工艺参数动态地进行相应的调整h 1 。 大量文献表明，在拉深成形的基础研究中，大量研究成果都集中在直壁( 如圆筒形零 件拉深成形和盒形件拉深成形) 拉深成形方面，并取得了许多重要的理论基础成果和实 际生产成果，已基本完善，所得的成果已被实际生产采用。相比之下，对曲面件成形规律 的认识相对较晚，研究较少，成果不甚显著，还有许多问题亟待解决。曲面形状零件在冲 压成形生产中占相当大的比重。曲面零件成形时，因其几何形状的特点，决定其变形区的 位置、受力情况、变形性质和分布、毛坯各部位的应力状态和分布规律等都与直壁类零 件不同。所以在成形中出现的各种问题和解决这些问题的方法都与直壁类零件有很大差 别。因此，对于曲面零件就不能沿用直壁类零件的成形极限去衡量和判别成形的难易程 度，也不能用来作为设计模具和制定工艺过程的依据，为了完善对曲面成形规律的认识， 尚需进行大量更为细致深入的分析研究。在曲面类零件中，因锥形零件是最基本的典型 零件，在板材冲压成形中占有相当大的比例，要研究曲面零件冲压成形应从圆锥形零件 着手，从本质上揭示其变形特点和规律，分析其成形极限和各种参数对其影响规律，科学 地给出提高成形极限的方法，对这类零件的生产实践及冲压成形基础理论的发展具有十 分重要的指导意义。 板材成形智能化是板材成形理论、控制技术及计算机技术等多学科交叉的产物，因 而板材成形理论的分析精确度是实现冲压智能化控制的一个关键因素。在板材成形过程 中，板材的成形往往因材料或结构上的失稳现象，比如拉深集中性失稳和压缩性起皱失 大连交通大学r 丁程硕士学位论文 稳，从而使产品质量得不到保证，甚至使成形过程不能进行下去。在板材成形过程中，其 成形过程和成形条件往往非常复杂，甚至在某一种成形过程中其应力状态在某一部分是 拉应力状态而在另一部分是压应力状态或拉压应力状态。板材原材料一般都是长宽方向 尺寸远大于厚度方向尺寸，因而在拉应力状态下极易被拉裂，在压应力状态时又易因压 缩而失稳起皱。 破裂失稳主要是由于材料处于拉应力状态时，某一局部超过了材料的稳定变形能力 而发生颈缩，最终使板材被分离的一种失稳现象。破裂失稳主要有载荷失稳和变形失稳 两种。载荷失稳主要是指在拉深力p 达到最大值p m 。时，材料已经作出了承担拉深载荷的 最大贡献，不能承受更大的外载了。变形失稳是指板材在其变形时，不是保持均匀深长， 而是呈现颈缩。变形局限在颈缩区内发生。变形失稳根据是在板材的一个较大区内扩展 还是在一个狭窄的条带内( 与板厚为同一个数量级) 而分为分散性失稳和集中性失稳两 种。 对于板料起皱失稳，由于板材成形的复杂性，目前尚无一通用判据判定各种板材成 形的失稳临界极限，一般认为是由于板材受压至其所能承受的极限而弯曲，从而失去平 衡。目前存在有应变判据和应力判据两种类型的研究，应变判据根据某一点的应变状态 达到皱曲临界值来判断板材皱曲失稳；应力判据根据某一点的应力状态达到皱曲临界值 来判断板材皱曲失稳。 1 2 拉深成形变压边力研究概况 拉深成形变压边力控制主要是用于防止破裂失稳和起皱失稳的发生。在早期研究 中，变压边力拉深成形主要是防止凸模圆角附近的破裂和法兰起皱，近年来研究者又对 锥形拉深成形过程中的悬空侧壁起皱发生的临界压边力进行研究，主要是针对对称件中 的轴对称坯料进行的，尚无十分明显的进展。但是，随着板材成形智能化控制技术研究 的不断深入，拉深成形最佳压边力规律的预测已成为一个亟待解决的问题。 板材成形智能化技术的研究于8 0 年代初起源于美国，主要研究者是d c g o s s a r d ， b t a l l i s o n ，k a s t e s o n 等人。8 0 年代末9 0 年代初，日本塑性加工界也开始了板材 成形智能化技术的研究，主要研究者是杨明、岛进、真国健一等人。9 0 年代中期我国的 赵军教授也开始了圆锥形零件的拉深成型智能化的研究。开展该项研究之初十余年里， 全部集中在弯曲成形的回弹控制。直到9 0 年代初，该项研究才扩展到圆筒形零件的拉 深成形，近年来才开始轴对称壳体零件的冲压智能化研究，为实现对大型复杂曲面形状 零件的冲压成形过程智能化控制奠定重要基础。板材成形智能化首先以简单的弯曲成形 的研究成果的基础，并将智能化的概念和方法引入了板材成形领域，对冲头最终行程能 2 第一章绪论 进行准确预测，从而成形了高精度的弯曲角。随后人们开始了圆筒形零件拉深成形的智 能化控制研究，由于拉深成形过程的变形不均匀性，摩擦因素不能忽略，因此拉深成形 智能化控制研究比弯曲智能化要复杂的多，进展较缓慢。h b s i m 和m c b o y y c e 于1 9 9 2 年率先用有限元对变压边力拉深成形过程进行了数值模拟实验畸1 ，然后将此法用于组合 模具和拉深过程的实时控制。同年日本学者真国健一等人发表了文章，报道了采用变压 边力技术对圆筒形件拉深过程中进行自适应控制的研究成果聆3 。在9 0 年代中后期，国内 的赵军教授进一步以典型的基本曲面零件圆锥形零件为对象的智能化控制进行了研究， 并取得了重要的阶段性成果h 1 副。 无论是弯曲智能化还是拉深成形智能化，都是利用智能化控制系统，先用神经网络 对材料特性进行实时识别，然后根据塑性力学模型或从数据库中提取数值模拟所得相关 结果对下一步控制量进行预测，进而进行成形过程的控制。 由于在板材拉深成形过程中，法兰起皱失稳，悬空侧壁起皱失稳及凸模圆角附近的 破裂失稳，是提高产品质量和板材拉深成形极限的主要障碍。因而，法兰起皱失稳，悬空 侧壁起皱失稳及凸模圆角附近的破裂失稳就成了圆锥形零件拉深智能化控制中的主要 预测对象，这就是板材拉深成形三极限的预测。因而建立合理的力学模型，给出准确的成 形三极限，特别是侧壁起皱失稳判据，就成了圆锥形零件拉深成形智能化中准确控制的 先决条件。 所谓成形三极限就是法兰不起皱所需最小压边力、悬空侧壁不起皱所需的最小压边 力和凸模圆角附近不破裂所允许的最大压边力三条变压边力控制极限曲线。 对于凸模圆角附近的破裂失稳，利用平板双拉载荷失稳准则，结合圆锥形零件成形 过程中的具体情况，可以较容易地得出破裂成形极限，文献 1 6 给出了同实验吻合良好 的破裂失稳成形极限曲线，已经能很好地指导实际生产。 对于法兰起皱失稳所需临界压边力，国外许多研究者利用能量法进行了解析和数值 模拟分析n 瑚1 ，国内的胡世光乜门利用能量准则分析了圆筒形件拉深成形时法兰起皱的临 界压边力，赵军在1 用能量法给出了圆锥形零件拉深成形时法兰起皱的临界压边力。在国 外，有不少研究者包括力学研究者和工程应用研究者都对起皱进行了研究，如 h a m e z i a n e - h a s s a n i 和k 。w n e a l e 瞳幻利用虚功原理分析了起皱临界状态时经纬向应力、 应变各自之间的关系，c h u a n - - t a ow a n g ，g r a yk i n z e 和t a y l a na l t a n 1 利用h i l l 分叉 理论和增量理论得出了在法兰边缘处的临界经、纬向应力及相应应变来判断起皱发生的 位置及相关应力、应变临界值。 对于侧壁起皱失稳，国内的姜海峰瞳们在自日本的粟屋正春给出了纬向应力的临界值 同成形高度的关系基础上，给出了临界压边力同成形高度的关系，并与实验结果吻合较 3 大连交通大学工程硕士学位论文 好。雷君相乜5 1 和文i j 建华啪1 等人利用了压板失稳，在悬空侧壁与凸模圆角接触处对起皱失 稳进行了研究，给出了悬空侧壁起皱失稳判据，但由于没有考虑悬空侧壁起皱时的皱曲 复杂性和起皱的边界条件对起皱的影响，其结果存在较大误差，甚至同实验结果的趋势 不符，也没有考虑厚向异性的影响。万敏乜刀利用实验的方法也研究了侧壁起皱临界条件， 不仅给出了波纹高度与周向长度的最大比值( h 1 ) m a x 来判断失稳起皱的发生时刻，还给 出临界成形力同成形高度的关系。x iw a n g 和j i a nc a o 嘲共同利用全量理论和能量平衡 的方法，也对侧壁起皱临界条件进行了分析，但在分析过程中他们假设了纬向应力为一 恒值，并且本构关系中的瞬时模量的经、纬向压边力为一常值，从而大大降低了其结果的 可信性，从其结果可以看到其皱曲临界压边力远大于相同条件下的破裂失稳临界压边 力。 从以上的文献及分析可知，凸模圆角附近的破裂失稳和法兰的起皱失稳的研究已基 本解决，只需要进一步提高精度和考虑更多的材料性能参数及板材厚度的影响。而悬空 侧壁因在成形时不与模具接触，又处于拉胀复合成形状态，起皱分析较困难，目前仍无较 准确和实用的判据。特别是塑性屈曲失稳的佯谬现象出现以来，对塑性屈曲失稳的研究 提出一大难题，至今无明显进展，仍处于探索阶段。因而要给出一个同实验吻合较好的通 用失稳判据是很困难的，还有很多工作要做，甚至包括对应力、应变之间的本构关系也要 进行深入研究。 1 3 货车制造业中常用的成型材料特点 从以上的文献及分析可知，起皱失稳的研究方法主要有以下三种：1 解析方法、2 数值分析法、3 实验方法，对拉深成形的智能化控制利用解析法是比较理想的方法。 稳定性理论中的首要问题之一是临界载荷值的确定，它表征着参数稳定区域与不稳 定区域的界限，是实际结构的重要特征参量。为此，需要建立稳定性的判定准则即失稳准 则，同压缩失稳对应的稳定性判定准则也就是屈曲准则。屈曲问题经历了从弹性到塑性、 由静载到动载的研究历程，相应地也诞生了许多适用于各种情形的屈曲准则。应用晟广 泛的屈曲准则有以下三种：1 静力准则、2 能量准则、3 动力准则。 由于铁路货车的特殊性，冲压成型件所采用的毛坯材料不同于汽车行业，主要表现 为原料的厚度较厚。在汽车工业中成型件的原料厚度一般小于2 m m ，而在货车成型件中 毛坯厚度普遍都大于3 m m 。由于厚度对成型结果的影响，在制定冲压工艺方案及模具方 案中都需要加以考虑。由于制动缸盖原料的板厚为5 m m ，比较厚，悬空侧壁起皱失稳( 内 皱) 轻易不会发生，但会不光滑，需进行整形。 4 第一章绪论 1 4 本文选题意义及主要研究内容 铁路货车典型拉深件是指制动缸盖( 有8 ”、l o ”、1 2 ”和1 4 ”四种) 如图1l ， 是铁路货车制动系统的重要零件，生产批量大、质量要求高，凸缘不允许有起皱，侧壁 不许有印痕。制动缸盖采用厚度为5 r m 的0 8 a 1 材料，毛坯形状为圆形。冲压工序有： 落料、校平、拉深、修边、冲孔等工序，其中拉深工序是保证产品质量的关键。 图1 】制动缸缸盖 f i g1 1b r a k ec y l i n d e r 图12 工件图 f i g12 i m a w i n g o f b r a k ec y l i n d e rc o v e r 从工件图( 图12 ) 形状看，制动缸盖是典型的锥形拉深件，在试制过程中出现了起 皱、拉裂、侧壁印痕、材料变薄、表面划痕及回掸等质量缺陷，历经多次拉深工序的调 哥 大连交通大学工程硕士学位论文 整，大量依赖经验与反复试模、修模才达到产品质量要求。拉深方法的选择、拉深系数 的分配、凸凹模几何尺寸和结构、压边力的大小、间隙的大小都将直接影响工件的质量。 8 ”制动缸盖是铁路货车典型拉深件，是铁路货车制动系统的重要零件，生产批量 大、质量要求高。生产初期，由于工件拉深时出现起皱和缩颈断裂，产品的合格率仅为 7 5 0 5 ，不仅浪费材料，提高成本，而且影响生产秩序，严重影响产品组对和部件的密封 性，质量攻关是刻不容缓的问题。本文从多角度分析了起皱和拉裂等质量问题出现的原 因，并提出了相应的整改措施，消除工件拉深时起皱和拉裂的现象，提高成形质量，合 格率提高到9 9 。不仅达到产品设计图纸的技术要求，而且保证了工件的顺利组装。工 件的质量得到了明显改观，具有商品化，8 制动缸盖的生产秩序处于稳定状态，实现 了8 制动缸盖的厂制。 1 4 1 压边力的影响 在生产中主要从改变工件变形时的变形方式，以及受力特点出发，来防止起皱。具体 措施是采用压边圈，当采用压边圈时，压边圈将毛坯变形部分紧紧压住，并对其作用一 压边力，压边力的数值应恰当合理，压边力过大毛坯与凹模及压边圈间的摩擦力将增大， 使得工件壁部严重变薄，甚至拉裂。压边力过小，则不能有效地防止毛坯起皱。 分别给出法兰起皱失稳成形极限( 外皱极限) 和凸模圆角附近破裂成形极限对应的 临界压边力，这两参数是相互独立的，但又都是成形高度h 、材料性能参数( b ，r ，n ) 和 成形几何参数( 1 ( d ，t 。d o 、r d ，r ，) 函数。根据这两极限确定关于压边力的轴对称圆锥形零 件拉深的成形极限图，进而给出圆锥形件智能化拉深的最佳压边力控制规律。 1 4 2 间隙的影响 凸凹模在拉深工件的过程中，凸凹模的间隙过小或不均匀都会引起拉裂。凸凹模的理 想间隙的确定，从而保证凸凹模的间隙的均匀性，达到理想状态，使拉伸力在3 6 0 。范 围内平均分配，拉伸力微观的一致保证工件3 6 0 。范围内拉伸率的一致，保证金属的流 量一致。 6 第二章圆锥形件的加工方法 第二章圆锥形件的加工方法 锥形件的拉深特点是除压边圈下面的拉深变形区外，处于凹模口内的毛坯部分也是 变形区( 不仅有拉深变形，还有胀形变形) ；凸模与毛坯的接触面积小，压强较大，易 产生局部变薄；凹模口内自由面积大，压边圈作用小，容易引起起皱现象等。对于一些 口部直径与底部直径相差较大的锥形件，还会产生严重的回弹现象。 2 1 圆锥形件的塑性成形方法 2 1 1 圆锥形件的成形特点与几何形状 图2 1 所示的圆锥形件属于轴对称的简单曲面零件，在其成形过程中毛坯的变形 特点与非轴对称形状的零件和直壁的圆筒形件成形时毛坯的变形特点明显不同。对比非 轴对称形状的零件，圆锥形件毛坯的变形是轴对称的，变形与应力沿毛坯的圆周方向均 匀分布。而非轴对称形状零件毛坯的变形呈非轴对称且沿毛坯的周边不均匀分布，同时 在毛坯的外周部分伴随有剪切变形。对比直壁的圆筒形件和圆锥形件成形时，不但毛坯 外周部分的法兰是变形区，毛坯中部也参与变形，而且处于悬空状态，不与凸模侧壁接 触，不存在凸模对毛坯侧壁的约束作用。圆锥形件的主要形状参数是相对高度h d 。、相 对锥顶直径d 。d 2 、半锥角1 3 、毛坯相对厚度t 。o 。1 0 0 。由于形状、尺寸和生产规模 ( 批量) 的不同，可以采用拉深成形、旋压成形、液压成形等方法加工圆锥形件。目前主 要采用刚性凸、凹模拉深成形方法。 d 2 图2 1 圆锥形件的几何形状 f i g 2 1g e o m e t r i cd i m e n s i o n so fc o n i c a lp a r t 7 大连交通大学工程硕士学位论文 2 1 2 圆锥形件的拉深成形方法 目前在冲压生产中常用的冲压成形方法，是生产技术人员在长期工作中按经验总结 出的方法。 ( 1 ) 一次拉深成形 若圆锥形件的几何尺寸满足h d 2 = 0 1 o 2 5 、1 3 - - 5 0 。8 0 。，称为浅锥形件。此 类件拉深成形时，毛坯的变形量小，回弹现象严重。为保证零件的形状和尺寸精度，必 须提高侧壁的胀形成分。因此，当零件厚度大时，可以用图2 2 a 所示方法直接成形， 对于无法兰零件，拉深成形后再经切边修正，但成形零件的精度较差；当零件的精度要 求高时，尤其是薄板，可以利用带筋坎( 或反向锥度) 的凹模成形( 图2 2 b ) ，并且可以通 过增大压边力或加大毛坯尺寸，提高侧壁的胀形成分。 当t o o ox1 0 0 2 5 时，用不带压边装置的模具一次拉深成形，但需在工作行程终 了时对工件施加精压整形； 当t o d o x1 0 0 = - 1 5 2 时，用带压边装置的模具一次拉深成形，对于无法兰的零件， 可在拉深成形后再切边； a ) 毛坯较厚 b ) 毛坯较薄 图2 2 浅锥形件成形 f i g 2 2t h es t a m p i n go fs h a l l o wc o n i c a lp a r t ( 2 ) 两次或多次拉深成形方法 8 第二章圆锥形件的加工方法 若圆锥形件的几何尺寸满足h d ：= 0 3 0 7 、1 3 = 1 5 。 4 5 。，称为中锥形件。该类 件拉深时，易出现的缺陷是侧壁上的起皱。当t 。d 0 1 0 0 o 8 、1 3 = 1 0 。- - - 3 0 。，称深锥形件，当拉深成形 深锥形件时，毛坯的变形量较大，仅靠毛坯与凸模接触的局部面积传递成形力，极易引 起毛坯局部过渡变薄乃至破裂。因此，深锥形件需要经过多道工序，由中间形状逐渐过 渡，最终成形为圆锥形件。在生产中应用的各种深锥形件成形方法之间的差别主要是中 间过渡形状的不同。中间过渡形状有阶梯圆筒形( 阶梯过渡法) 、曲面形( 曲面过渡法) 和 圆筒形( 圆筒形过渡法) 。 a ) 近似形状过渡法b ) 圆筒形状过渡法 图2 3 过渡形状成形圆锥形状 f i g 2 3t h es t a m p i n gf r o mt r a n s i t i o n a ls h a p et oc o n i c a lp a r t 在阶梯过渡法中过渡形状的外形与圆锥形件的内形相切，最后将过渡形状胀形成圆 锥形。此法成形的零件壁厚不均，表面有明显的压痕，当表面质量要求高时，需增加抛 光工序。但是该方法的工艺简单，容易实现。在曲面过渡法中，过渡形状的表面积等于 或略大于圆锥形件的表面积，过渡形状开口处的直径等于或略大于圆锥形件的大端直 9 大连交通大学工程硕士学位论文 径。此法成形的零件壁厚均匀，表面光滑无痕。该方法适用于成形尖顶的圆锥形件。在 圆筒过渡法中过渡形状的表面积等于或略大于圆锥形件的表面积，直径等于或略大于圆 锥形件的大端直径。此法成形的零件壁厚均匀程度、表面光滑性能，都高于阶梯过渡法， 但低于曲面过渡法。对于圆筒过渡法，可以从圆筒口部开始逐渐成形，也可以从圆筒底 部开始逐渐成形。图2 4 是典型的用中间过渡形状成形深锥形件的工序。 图2 4 典型的深锥形件的成形工序 f i g 2 4t h et y p i c a ls t e ps t a m p i n gd e e pc o n i c a lp a r t 对于形状和尺寸精度要求不高的圆锥形件，如果不带压边装置的模具拉深成形极限 允许，也可以用不带压边装置的模具拉深成形。 2 1 3 圆锥形件的特殊拉深成形方法 特殊拉深成形方法包括橡胶成形、液压成形等，另外还有将液体装在橡皮囊内的皮 囊成形。 ( 1 ) 橡胶模拉深成形利用天然橡胶或聚氨酯橡胶代替凸模或凹模成形金属板料、 管料的冲压方法称为橡胶成形，橡胶成形属于软模成形。图2 5 是橡胶模代替凹模成形 圆锥形件的示意图。 橡胶成形方法加工圆锥形件具有以下特点： 橡胶模成形时工件表面不会划伤，可以保持毛坯原始表面质量。 橡胶模成形时可以省去一个凸模或凹模，降低了模具制造精度要求，因此模具制 造时间短、成本低。 1 0 第二章圆锥形件的加工方法 橡胶模成形生产率较低，适合于批量不大的冲压件生产。由于受橡胶的压缩量和 所能承受压力的限制，此法比较适合于中、小尺寸圆锥形件的成形。在不锈钢、铝合金、 铜合金等材料的成形中都有应用。 l 一工件2 一压板3 一凸模4 橡胶 图2 5 橡胶模成形圆锥形件 f i g 2 5c o n i c a lp a r tf o r m i n gb yr u b b e rp a d ( 2 ) 液压拉深成形方法液压成形是使用一个金属凸模或凹模，利用液体压力将 板料或管坯压入模具来成形零件。液压成形与橡胶模成形相比较，具有容易获得较高压 力，而且压力作用均匀，容易控制，可以成形形状更复杂零件的优点。对于圆锥形件的 液压成形，通常采用对向液压成形法( 图2 6 ) 。 对向液压成形法成形圆锥形件与常规成形方法相比较有以下特点： 液体压力将变形毛坯紧紧地压在凸模上，凸模与变形毛坯之间的摩擦使凸模圆角 部位毛坯所受的应力减小，同时在法兰部位形成的液体润滑使法兰变形的摩擦阻力近似 为零，这两方面的因素使成形破裂极限大幅度提高。 在凹模口处变形毛坯向上鼓起并被压在凸模上，增加了侧壁上的经向拉应力，同 时液体压力将侧壁紧紧地压在凸模上，这两方面的因素抑制了侧壁上的起皱，使圆锥形 件的一次成形高度增加。 凹模形状简单，降低了模具制造费用。 大连交通大学t 程硕士学位论文 根据对向液压成形法成形圆锥形件的特点，用此法成形圆锥形件使成形极限大幅度 提高，从而可以减少成形工序，而且成形件精度高、模具简单。因此，这种方法是很有 前途的圆锥形件成形方法，但是目前在实际生产中还没有获得广泛的应用。 图2 6 圆锥形件的对向液压成形 f i g 2 6c o n i c a lp a r tf o r m i n gb yh y d r a u l i cf o r m i n g 2 1 4 圆锥形件的旋压成形方法 ( 1 ) 普通旋压成形圆锥形件 普通旋压是成形薄壁空心回转体零件的工艺过程。该工艺借助旋轮对随旋压模转动 的金属圆板或预成形毛坯作进给运动并施压，使其直径尺寸产生显著变化而成形为所需 的零件。普通旋压可以完成拉深旋压、局部成形等许多工序，其中拉深旋压工序可以成 形圆锥形件( 图2 7 ) 。普通旋压具有以下优点： 模具研制周期短、费用低。 旋压力小。 可在一次装夹中完成成形、切边等工序。 在中小批量生产时，采用普通旋压成形的经济效益一般优于拉深成形。 ( 2 ) 变薄旋压成形圆锥形件 变薄旋压的运动方式与普通旋压相同，不同的是毛坯厚度在成形中显著减薄而直径 尺寸则基本不变。按变形性质和工件形状，变薄旋压分为锥形变薄旋压和筒形变薄旋压； 按旋轮与毛坯相对流动方向，变薄旋压分为正旋压和反旋压；按旋轮和毛坯相对位置分 为外旋压和内旋压，其中锥形变薄旋压又称剪切旋压，适于圆锥形件的成形。图2 8 是 用平板毛坯变薄旋压成形圆锥形件的示意图。毛坯被固定在芯模和尾顶之间，并随芯模 1 2 第二章圆锥形件的加工方法 一起绕对称轴旋转；同时旋轮沿轴向作进给运动，对毛坯施加力，毛坯的法兰部分厚度 减薄，形状变成为圆锥形。 在变薄旋压过程中变形区处于二向受压( 正旋) 或三向受压( 反旋) 的有利状态，这使 可旋压的材料不但包括所有可以成形的材料，还包括一些通常难以成形的材料，如难熔 金属等。在变薄旋压时变形中的毛坯可能产生旋轮前隆起( 堆积) 、破裂等缺陷。因此， 变薄旋压工艺参数的选择应保证在变薄旋压时不产生这些缺陷，并且达到质量好和效益 高。 5 1 毛坯2 一工件3 一芯模4 旋轮5 尾顶6 一反向支撑辊 图2 7 圆锥形件的普通旋压 f i g 2 7c o n i c a lp a r tf o r m i n gb yc o n v e n t i o n a ls p i n n i n g 人连交通大学工程硬士学位论文 旋压模2 旋轮 尾项4 毛坯 5 一工件 闰2 8 哑锥形件的变薄旋压 f i g28 c o n l c a p a r t f o r m i n g b yc o n es p i n n i n g 无底的圆锥形件可以采用三辊轧制或用带孔毛坯压制成彤，也可以利用管坯缩口成 形。 22 圆锥形件一次拉深成形研究概况 221 圆锥形件一次拉深的成形机理 根据文献“”分析汽车覆盖件冲压成形中毛坯变形的思想，文献“5 ”。分析了圆锥形 件的锥壁成形机理。如图29 所示，原始平板形状毛坯上 o 点，在成形过程中应靠向 凸模表面以完成其成形过程。当a 。点的金属产生切向压缩变形并靠向凸模表面上的a l 点时，板料发生纯拉深变形。如果是由于纯胀形变形使平板形毛坯成形为锥面形状并贴 靠在凸模表面上，则 。点到o 点之间的圆形毛坯在双向拉力的作用下，在切向和径向 上均产生伸长变形，从而使a 。点靠在m 点的位置上。这时即使点的盒属在切向上不 产生变形，它也能靠模，并使平板形毛坯成形为锥面形状。因为在圆锥形件的成形过程 中，毛坯一定受到经向拉应力作用，并产生相应的塑性变形，在悬空侧壁部分引起胀形 变形，贴模点必将“外移”印向凹模口方向移动，所以纯拉深变形是不可能实现的。 而实际上在圆锥形件的成形过程中，压边圈下的金属毛坯在拉应力作用下不断向凹模口 第二章圆锥形件的加工方法 内流动，这也与板料纯胀形变形方式的情况不符。因此，凡点将在a 点贴靠到凸模上， 在拉应力作用下，锥壁成形机理可分为胀形成形机理和拉深成形( 经向拉伸、纬向压缩) 机理。文献口一1 进一步提出锥壁成形过程中存在两种变形方式：双向拉伸变形方式和经 向拉伸、纬向压缩变形方式。 文献h 1 通过网格法实验研究了锥壁的变形特点和锥壁各质点靠模情况，提出了悬空 锥壁在冲头力作用下，不但在经向产生相应的拉伸变形，同时在纬向也会引起相应的拉 伸变形或压缩变形，经向拉伸变形能引起各金属质点产生垂直方向上的靠模位移h ， 同时又配合纬向变形引起各金属质点产生水平方向上的靠模位移r ( 图2 9 ) 。锥壁在 靠近凸模圆角处是在胀形机理作用下，以双向拉伸的变形方式成形；锥壁在靠近凹模圆 角处是在拉深机理作用下，以经向拉伸、纬向压缩的变形方式成形。该文献的研究结果 体现了锥壁成形机理的近期研究情况。 l ! 图2 9 锥壁成形机理分析简图 f i g 2 9t h em e c h a n i s t i cs c h e r n a t i ed i a g r a mo fc o n i c a lp a r tf o r m i n g 2 2 2 圆锥形件成形中毛坯的受力 通过凸模与压边圈，成形载荷p 和压边力q 作用在变形毛坯的部分表面上，在变 形毛坯与模具的接触部位引起接触压力。文献n 纠3 3 用解析法，分析了圆筒形件拉深时变 形毛坯与凹模和压边圈之间的接触压力，给出了接触压力分布( 图2 1 0 a ) 。文献n 3 1 用刚 塑性有限元法对圆筒形件拉深时变形毛坯与凸模、凹模和压边圈之间接触压力进行了分 析，其分析的结果见图2 1 0 b 。虽然上述理论分析方法给出了变形毛坯与模具接触部位 和接触压力的分布，但是，迄今为止，我们仍然不知道接触压力的实际分布情况，对接 触压力影响变形过程的规律也知道很少。 1 5 大连交通大学工程硕十学位论文 图2 ，1 0 变形毛坯表面上接触压力的分布 f i g 2 10t h ed i s t r i b u t i o no fc o n t a c tp r e s s u r e0 1 1s u r f a c eo fd e f o r m e 在研究毛坯的受力情况和变形特点时，通常将变形毛坯划分为法兰、凹模圆角区、 锥壁、凸模圆角区、锥顶。在将变形毛坯分区后，各区之间分离面上的内力变为外力， 由于变形毛坯的轴对称性，在分离面上仅暴露出径向( 经向) 拉应力( 图2 1 1 ) 。 薯蕊 iq 鼍 ) ) 、扣 镰- ： ；卜、 臻冀； j 矗i 蕊鞠 !i ( ：口，hu ，h ：巴出0 蚴j ： a ) 法兰b ) 凹模圆角区c ) 锥壁d ) 凸模圆角区e ) 锥顶 图2 1 1 各区分离面上的外力 f i g 2 1 1t h es t r e s s0 1 1c u t t i n gs u r f a c eb e t w e e nv a r i o u sr e g i o n 1 6 i p 曹工蔓签墨 i： i i： 第二章圆锥形件的加工方法 文献n 3 j 6 1 说明了各区分离面上外力的作用情况。压边力q 通过压边圈和凹模对法兰 变形产生的摩擦阻力和法兰变形阻力决定了m 点处的径向拉应力( o ，) ，( o ，) 加上克 服凹模圆角区的摩擦阻力和变形阻力决定了l 点处的经向拉应力( o ，) 。，( 0 。) ，经过 锥壁的传递决定了k 点处的经向拉应力( 0 ，) 。成形载荷p 通过凸模作用在凸模圆 角区上，在k 点处产生经向拉应力( o 。) 。，在j 点处产生径向拉应力( o ，) ，( 0 ，) 。 经过锥壁的传递在l 点处产生经向拉应力( o ，) 。，( o ，) 。经过凹模圆角区传递在m 点 处产生径向拉应力( o ，) 。因此，成形载荷取决于法兰和凹模圆角区的摩擦阻力和变 形阻力，锥壁是在1 点处的( o 。) 。与k 点处的( o ，) 。作用下变形。 目前多数文献是用理论解析方法，给出了圆锥形件拉深成形时法兰、凹模圆角区、 锥壁、凸模圆角区的主应力分布。但是，在用理论解析法分析时必须引进各种简化假设， 其给出的结果不能反映出法兰、凹模圆角区、锥壁上主应力分布的细节，而用有限元法 分析的结果能够全面和细致地反映出主应力的分布规律。近期陆续有一些关于圆锥形件 拉深成形时变形毛坯受力的有限元法分析结果发表。图2 。1 2 是用有限元分析软件，分 析圆锥形件拉深成形时变形毛坯上主应力分布的结果。 茁 三 量 们 口，和口 - 肛 潦 1 ， i | m a t e r i a l ：$ t 1 2 1 f i xy v d , - 1 2 8 1 肛i e 臼田 - n 产2 5 0 霸kb - - 3 9 5 日 吖、。! 1 q = 5 0 k n 0 2 0 4 06 0 图2 1 2 变形毛坯的主应力分布 f i g 2 12t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nd u n n gd e e p - d r a w i n go fc o n i c a lp a r t 图2 1 2 中的i 区锥顶、i i 区凸模圆角区、i i i 区锥壁、i v 凹模 圆角区、v 区法兰，各区的主应力分布存在较大的差异。法兰上作用着径向拉应力 o ，和切向压应力o 。锥壁上作用着经向拉应力o ，在a 点处纬向应力oo _ 0 ， 此处称为应力分界圆。在a 点以内( 即小于a 点坐标处) 纬向应力o 0 ，在a 点 以外( 即大于a 点坐标处) 纬向应力o 。 0 7 0 属深锥形件，该件变形程度大，需要多次拉深成 形，采用锥形表面逐步成形法：先将平板毛坯先拉成口部直径与成品件直径相同的，带 有锥形口径的圆筒形毛坯，其面积与锥形件面积相等，按照凸缘不变的原则，以后各次 采用锥形压料圈，逐步增加高度，锥形与拉深件锥度一致。采用此法工序数少，工件质 量比阶梯式成形法要好，但工件表面也会有不平整的痕迹。 ( 1 ) 毛坯尺寸展开 根据复杂旋转体毛坯直径计算公式：啪1d = 8 姐= 3 9 6 m m ，l 为旋转体母线长度， r 为母线重心到旋转轴的距离。 ( 2 ) 判断是否需要压边力和拉深次数 因为毛坯的相对厚度( t d ) x1 0 0 = 1 2 6 ，首次拉伸需要压边力，为可靠起见，采用三 次拉深，。 ( 3 ) 拉深系数的计算 首次拉深 制动缸盖首次拉深成带凸缘的圆筒形件。按照凸缘不变的原则，工序件的中性层面 积等于或略大于( 不超过5 ) 工件的中性层面积，首次拉深应该尽量使用较小的拉深系数， 使更多的板料参与变形，以便为后续的拉深创造有利的条件，同时也能减少拉深次数。根 据冲压模具设计手册1 ，得极限拉深系数为o 4 9 。据此可以给出首次拉深的工件图( 见 图2 1 3 ) 。 1 8 第二章圆锥形什的加工方法 图2 1 3 制动缸盖首次拉深的工件图 f i g 2 13 d r a w i n go fb r a k ec y l i n d e rc o v e rf i r s tt i m ed e e p e n i n g 核算拉深系数，对于宽凸缘件的拉伸系数计算采用如下公式计算例 1 所l = ( 2 1 ) 式中：d 凸d 。一凸缘相对直径 h 。d 。一工件相对拉深高度 r d 。底部及凸缘部分的相对圆角半径 将图2 1 3 中的数据代入上式计算得m 。= 0 4 9 ，考虑到0 8 a 1 的塑性要比1 0 钢好，此拉 深系数是安全的。 后续拉深分析计算 首次拉深采用圆筒形拉深之后，后续拉深需要进行锥形拉深。锥形件的拉深系数用 平均直径( 大端直径与小端直径之和的二分之一) 求得。即： 一 ( 2 2 ) 式中：d ，l 此次拉深的平均直径( 姗) d 一前次拉深的平均直径( r a m ) 对于二次拉深，由资料口印知相对厚度( t d )