（材料加工工程专业论文）拼焊板充液拉深的数值模拟及实验装置设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着汽车对能源消耗及尾气排放要求的日益提高，减轻车身重量就显得 非常重要，而拼焊板成形技术的应用就是降低重量的一个有效途径。它不仅 能减轻零件的质量、降低生产成本，而且还可以增加结构件装配的整体性和 尺寸、形状精度。若采用常规工艺使拼焊板成形，不但制造工艺复杂而且在 成形过程中易出现诸如焊缝移动、差厚板变形不均匀引起的残余应力而导致 的成形件破裂、变形、回弹等缺陷，如何解决这些工艺问题，是拼焊板成形 技术应用与发展的关键。随着特种成形工艺的不断涌现，一种先进的板料成 形技术即充液拉深( 又称软凹模拉深) 日益发展起来。在充液拉深工艺中凹 模的简化是该方法经济性的一个重要表现，与常规工艺相比，它具有工艺简 单、制造成本低、产品尺寸精度高、表面质量好、一次变形量大等优点，适 用于各种零部件的生产，尤其适用于在一道工序内成形变形量大的复杂形状 零件。 针对拼焊板成形特点和其在变形过程中所出现的各种问题，本文提出了 采用充液拉深技术使拼焊板成形，并采用数值模拟的方法对典型零件的充液 拉深进行分析和研究，找出拼焊板成形过程中的一般规律，为模具设计和实 际应用提供理论依据。在介绍国内外充液成形技术的应用情况、研究进展和 数值模拟在板料成形中的应用概况的基础上，指出了拼焊板充液拉深成形技 术的重要意义和应用前景。利用板料成形数值模拟专用软件d y n a f o r m ，以具有 代表性的盒形件和曲面形零件如半球形为例，分别对其常规拉深和充液拉深 的过程进行了模拟分析和比较。 分析表明：充液拉深工艺可有效地改善拼焊板焊缝处的成形性，通过改 善板料成形过程的受力状态，使板料能均匀地流入充液凹模中，大大降低了 焊缝移动量，使其焊缝移动量减少到常规拉深的9 4 7 ；充液拉深还具有良 江苏大学硕士学位论文 好的自润滑性，减小了板料变薄趋势，与常规拉深相比，成形件厚度分布均 匀、残余应力小，工件尺寸稳定、表面质量高。针对曲形工件如半球形件的 充液拉深，中间悬空部分的应力状态得到了明显改善，就不同工艺参数对拼 焊板曲面形工件充液拉深时发现：分块控制压边力大小、凹模油腔中油液压 强对板料作用力的大d 、1 1 1 油液对板料的反向作用力、以及压边力与凹模油腔 中油液压强的匹配即法兰区的自润滑等工艺参数可明显减少法兰区板料的起 皱现象；在一定的条件下，凹模油腔的油液压强大小与焊缝移动量、板厚减 薄量成反比。 基于采用分块控制压边力以实现拼焊板均匀流入凹模的思想并借鉴国内 外充液拉深装置的先进结构，压边装置采用液压式可调节压边力及分布的柔 性压边结构，不仅实现了分块压边工艺要求还实现了变压边要求，这种结构 不但简单而且操作灵活。 本文对拼焊板成形技术的研究在实际生产中具有一定的指导意义，同时 对拼焊板的研究也提出了一个新的方向，对于后续的实验设计和更全面的拼 焊板充液拉深过程的分析奠定了基础，同时实验装置的设计也为后期实验验 证提供了硬件条件。 关键词：充液拉深，拼焊板，数值模拟，实验装置 江苏大学硕十学位论文 a b s t r a c t d u et ot h er e q u i r e m e n t st os a v et h ee n e r g ya n dt or e d u c et h et a i lg a si na u t o m o b i l e ，m a k i n g g o o du s eo ff o r m i n gt e c h n o l o g i e si nt h e t a i l o r - w e l d e db l a n k s0 w b s ) w h i c hc a nr e d u c et h ep a r t w e i g h t ss i g n i f i c a n t l yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i tn o to n l yc a nr e d u c et h ew e i g h to ft h e p a n s ，r e d u c et h ec o s to ft h em a t e r i a l s ，b u ta l s o c a l li n c r e a s et h ee n t i r e t yo ft h e s t r u c t u r e a s s e m b l a g e a n di tc a ni n c r e a s et h es h a p ep r e c i s i o n i ft h ec o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g yi su s e di n t h ef o r m i n gp r o c e s so ft h et w o s ，s o m ep r o b l e m sw i l le x i s ts u c ha sc o m p l e xf a b r i c a t i o np r o c e s s ， w e l dm o v e m e n t ，t h i c k n e s sa n du n e v e ns t r a i nd i s t r i b u t i o nw h i c hr e s t r i c tt h eh y d r o f o r m i n g f u r t h e ra p p l i c a t i o no ft w b s s o ，h o wt os e t t l et h o s ep r o b l e m sb e c o m e st h ek e yf o r t h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t o ft h et w b s t e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，a ss p e c i a lt e c h n o l o g i e sc o m i n gf o n hn o w a d a y s ，h y d r o - f o r m i n gw h i c hi sa n a d v a n c e dt e c h n o l o g yo fs h e e tf o r m i n gh a v e b e e nl a r g e l ya c c e p t e db yi n d u s t r i e sd a yb yd a y t h e s i m p l i f i e dd i ei s ae x p r e s s i o no ft h ee c o n o m yo ft h eh y d r o - f o r m i n g c o m p a r i n gw i t ht h e c o n v e n t i o n a ld e e pd r a w i n g , t h eh y d r o - f o r m i n gh a sm a n ym e r i t ss u c ha sl o wc o s t , l l i g hd e g r e eo f p r e c i s i o n ，9 0 0 ds u r f a c eq u a l i t ya n dc a nr a i s et h ed r a w i n gr a t i oo ft h ep a r t s i ti ss u i t a b l ef o r p r o d u c e d i f f e r e n tp a r t s ，e s p e c i a l l yf o rc o m p l e xp r o d u c t i o n si nas i n g l eo p e r a t i o n s o ，a g a i n s tt h eu p w a r df a i l i n g so ft w b s ，t h et e c h n o l o g yo fh y d r o f o r m i n gi sp r e s e n t e d ，a n d t h et y p i c a lt w b sa r es t u d i e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a y 1 1 1 eg e n e r a lr o l e sf o rt h ep r o c e s so f t h et w b sf o r m i n ga r ef o u n d w h i c hp r o v i d eat h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ed i ed e s i g na n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o n so ft h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n ，s t u d ya d v a n c eo ft h eh y d r o f o r m i n g t e c h n o l o g yi na n do u tn a t i o n s ，a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni ns h e e tf o r m i n g p r o c e s s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h es i g n i f i c a n c ea n dt h ep r o s p e c to fa p p l y i n gt w o sh y d r o f o r m i n g t h ec o n v e n t i o n a la n dt h eh y d r o f o r m i n gt e c h n o l o g i e so ft h eb o xa n dt h eh e m i s p h e r ea r es t u d i e d b yu s i n gt h ed y u a f o r ms o f t w a r e t h es t u d ys h o w st h a tt h eh y d r o - f o r m i n gc a l li m p r o v et h e f o r m a b i l i t yo ft h eb o xt w b se f f e c t i v e l y , a n dr e d u c et h em o v e m e n to ft h ew e l d l i n el a r g e l y ；t h e v a l u eo ft h ew e l d l i n em o v e m e n tr e d u c e s9 4 7p e r c e n t ；w h a t sm o r e ，t h et e c h n o l o g yo f h y d r o f o r m i n gh a sm a n ym e r i t s ，l i t t l er e d u c e dt e n d e n c yo fb l a n k st h i c k n e s s ，u n i f o r md i s t r i b u t i o n o ft h es t r a i n ，g o o ds u r f a c eq u a l i t ya n ds oo n ；t h eo b v i o u sc h a n g eo ft h eh y d r o f o r m i n go ft h e h e m i s p h e r ec o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lf o r m i n gi st h a tt h es t r e s sc o n d i t i o no ft h ef r e ep a r ti s i m p r o v e do b v i o u s l y , t h o u g hs t u d yo ft h ee f f e c to fd i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r st ot h ed e e p d r a w i n g ，t h er e s u l ts h o w s t h a tw r i n k l e so fd i f f e r e n tp a r t sc a nb er e d u c e d o b v i o u s l yt h r o u g hs o m e i m p r o v e m e n t s u c ha sc o n t r o lb l a n kb i n d e r sw i t hb l o c k i n g , l u b r i c a t i o na c t i o na n du n i f o r m c o u n t e r a c t i o nf o r c ew h i c ht h eo i lp l a y st ot h eb l a n k s a n dt h er e s u l ta l s os h o w st h a tt h eo i l 江苏大学硕士学位论文 p r e s s u r ei s i ni n v e r s ep r o p o r t i o nt ot h ew e l d - l i n em o v e m e n ta n di nd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h e r e d u d i o no fs l a bt h i c k n e s s o nt h eb a s i so fa d o p t i o no ft h ek n o w l e d g eo ft h eh y d r o f o r m i n gp r o c e s sa n dn e w d e v i c e si n v e n t e dr e c e n t l ya b r o a d ，t h ef o r m i n gd e v i c ef o rt h ee x p e r i m e n tw h i c hi ss u i tf o rt h e s i n g l ea c t i o nh y d r a u l i cs t a m p i n gp r e s si sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h i sd e v i c ea d o p t so n p r e s st oc o n t r o lt h eb i n d e r sw h i c hn o to n l ya t t a i nt h eb l o c k i n gb i n d e r sb u ta l s oi m p r o v et h e f l e x i b i l i t yr a t i oa n dt h eh a n d l i n ga c c u r a c y t h es t u d yh a sa ni m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rr e a lp r o d u c t i o no ft h et a i l o r - w e l d e d b l a n k s ，a n dp r o v e san e wo p e r a t i o nf o rt h es t u d yo ft h et w b s t h es t u d yl a y sa l li m p o r t a n t f o u n d a t i o nf o r t h es u c c e e d i n g m u l t i - p a r a m e t e re x p e r i m e n td e s i g n a n dt h e s t u d yo ft h e h y d r o f o r m i n gp r o c e s s ，m e a n w h i l e ，t h ed e s i g n e de x p e r i m e n t a lf a c i l i t yp r o v i d e sah a r d w a r e f o u n d a t i o nf o rt h ep o s t - e x p e r i m e n tt op r o v e dt h er e s u l to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：h y d r o f o r m i n g ，t a i l o r - w e l d e db l a n k s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：趣燕 日期：训唧年_ c - 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 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和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：赵垂 口许歹月z 岁日 指导教师签名：乡互囊芝石久 矿7 年厂月多罗日 ， 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在当今时代，汽车行业最大目标之一就是通过应用新技术和新材料来减轻车身重量【1 1 ， 以降低能源消耗和尾气排放，其中拼焊板成形技术就是一种减轻车身重量的有效方法。 应用拼焊板有许多优点，如降低部件重量和材料成本，充分发挥材料作用；提高部件 整体精度和质量；改善部件的抗冲击能力。零部件整体成形，不仅装配工作量、模具数目 减小，而且简化了安装程序1 2 4 1 。但同时，拼焊板因其板厚、材质不同在冲压过程中还存在 一些不足之处，如成形困难、焊缝移动、坯料形变不均匀、残余应力、回弹以及起皱【5 烽。 充液拉深又称软凹模拉深，是板料成形领域里发展起来的一种新技术。与常规拉深相 比，充液拉深具有显著优势，如：在油腔油压的作用下可得到高拉深比且表面质量好、 形状精度高的成形件 6 - a l ；液体凹模的使用大大减少了模具数量，模具制造周期变短、生 产成本降低；油液的润滑作用大大减小了成形件与模具之间的摩擦等。充液拉深适用于 多种形状零件的拉深，尤其适合复杂件的拉深。 充液拉深中凹模油腔中油液的摩擦保持效果和流体润滑作用【9 1 足可改善拼焊板在常 规拉深过程中出现的扳料厚度分布不均和焊缝移动问题，而油液对板料均匀的作用力可改 善板料起皱问题。 作为单一的拼焊板成形和充液拉深成形已在工业生产中逐步应用，但是拼焊板充液拉 深还处于初级研究阶段。在国内，朗利辉等人在文献【1 0 】中分析板液压成形的工艺发展趋 势时提到了拼焊板充液拉深成形，但是到目前为止还没有任何的相关数据资料。本文应用 充液拉深技术对拼焊板的成形做了初步研究，证实了拼焊板充液拉深的可行性。同时，通 过与常规拉深进行比较、分析，肯定了拼焊板充液拉深的优点，为实际生产提供了理论依 据。 本文基于计算机模拟得到的合适结构参数以及借鉴国内外典型充液拉深装置的基础 上，结合本实验室现有装置和拼焊板特性，自行设计制造了一套专用模具。 江苏大学硕士学位论文 1 2 拼焊板简介 拼焊板( t a i l o r - w e l d e db l a n k s t w b s ) 技术是指将两块或两块以上的具有不同厚度、 性能、材质和表面涂层的板料，采用焊接方法焊在一起，然后进行冲压成形【2 1 。由于现在 零件的不同部位的厚度、材质要求的不同，拼焊板技术的应用不仅可大大减少资源浪费还 可以得到高质量产品，所以被广泛的应用在各大企业尤其是在汽车行业。 1 2 1 拼焊板的应用 应用拼焊板最早的是上世纪6 0 年代的日本本田汽车公司，当时是用边角小料作车身 内侧板。随后的7 0 年代，美国福特汽车公司也开始采用自制的激光焊接的钢板做车身件 的冲压，但尚未形成规模化和商业化。直到8 0 年代，随着社会对汽车性能要求( 如节能、 减少尾气排放量、驾驶安全性) 的提高，拼焊板才受到越来越广泛的关注。1 9 8 5 年，德国 蒂森公司生产出第一批宽幅拼焊板，并成功地用于a u d i l 0 0 车底板。美国通用、福特、克 莱斯勒3 大汽车公司在1 9 9 4 1 9 9 7 年生产的一部分门内板、侧围板、立柱、门框、横梁 等都已采用了拼焊板成形，并且门内板采用拼焊板成形的占4 0 1 1 1 l 。9 0 年代，美国钢铁 协会和国际协会组织了一个由全球1 8 个国家的3 5 个厂家参与的超轻车身计划。设计由保 捷工程公司负责，1 9 9 8 年3 月生产出第一辆超轻汽车，车身一共使用了1 6 块拼焊板，车 身零件数减少了2 0 。国内部分汽车生产企业如上海大众、一汽大众也相继采用了拼焊板 技术。宝钢集团公司、南京跃进集团就采用拼焊板作汽车门内板件的冲压技术与江苏大学 进行了合作【1 2 1 。 1 2 2 拼焊板成形国内外研究现状 对拼焊板的研究有等厚和不等厚板料研究，其研究内容是多样的，但最终归为一点就 是成形性能的研究。对拼焊板成形性能的研究主要涉及拼焊板的焊接工艺、焊缝移动、焊 缝位置设计、典型冲压件的不均匀变形规律和法兰起皱、冲压成形的计算机模拟和冲压件 变形的控制。但目前利用成形极限图对拼焊板开展成形性能分析的研究工作比较少。 上海宝钢研究院用户技术研究中心的曹制”l 通过做极限拱顶高、弯曲延伸和扩孔实验 评价了拼焊板成形能力和焊缝连续性，并总结出：随厚度比率和强度比率的增加，拼焊板 的成形性能降低。 中国科学院金属研究所的张士宏、哈尔滨工业大学的程欣和东北大学黄金学院的王炳 2 江苏大学硕士学位论文 德【1 4 1 通过比较不同焊接工艺对拼焊板塑性变形的影响，总结出了拼焊板材的冲压成形性能 和不均匀变形规律以及焊缝移动规律。 江苏大学的陈炜、上海交通大学的林忠钦【1 5 1 为提高拼焊板的成形性能采用了夹紧焊缝 的方法，提出了“阶梯压边圈”和“阶梯压边圈+ 焊缝夹紧柱”两种控制焊缝移动的工艺方案。 通过实验，表明采用后者能够抑制薄侧母材的破裂趋势，提高拼焊板的冲压成形性能，并 且最大减薄率发生在焊缝附近的厚侧母材，其减薄率为2 2 8 7 ，而靠近焊缝附近薄侧母材 的厚度减少为4 。1 2 之间。同时有效地减小了焊缝移动量，提高了拼焊板的成形性能。 上海交通大学焊接研究所的俞宁峰和宝钢的阎启1 1 6 1 通过研究提出：通过激光焊缝位置 的合理设计，激光焊缝的应变安全裕度能够满足汽车零部件的成形要求。攀支花钢铁研究 院的邱晓刚【”l 就拼焊板焊缝对成形性能的影响通过等厚与不等厚这两种情况的实验研究 做了详细的分析总结。 韩国的y o u h oc h o i 等人【1 8 1 ，对盒形和圆形激光拼焊板拉深过程作了数值模拟和实验研 究，就焊缝移动和厚度组合对拼焊板的影响作了研究。研究得出：盒形件板材焊缝位置离 中心越远，焊缝移动量越大；大厚度比板料组合的拼焊板其焊缝移动量要比小厚度比组合 的要大；圆形件焊缝移动规律如同盒形件，所不同的是圆形件的焊缝移动量要比盒形件的 要小，证明了拉深板料的原始形状对冲压的重要性；同时得到板料厚度最大厚度比为2 0 。 k b m i n 和s s k a n g 在对焊缝材料研究的基础上，提出了焊缝n t 的最佳途径【堋，以 获得更好的成形性。加拿大的k a b d u l l a h 等人通过对拼焊板作拉伸试验得出了板料尺寸和 焊缝区域大小是影响焊缝成形最主要的两个因素，并提出了三种确定焊缝排列方式和范围 的方法 2 0 l 。y u t a k as s a t o 和y u s u k es u g i u r a 等人以铝材为研究对象研究了焊缝材料对焊缝 处破裂的影响1 2 1 1 。加拿大的d 。a n a n d 研究了拼焊板的不同表面涂层对成形的影响，表明涂 有锌层的板料比原始板料具有更高的破裂极限阎，更有利于板料的成形。 1 3 充液拉深技术 随着科学技术、人们的生活水平的提高和生活节奏的加快，产品品种越来越多，其更 新速度也越来越快。为适应瞬息万变的产品需求，多品种小批量的生产成为主导形式，要 在激烈的市场竞争中取胜，就必须应用新的柔性加工技术大幅度地缩短制造周期，以快速、 灵活的方法组织生产。充液拉深( 又称液压成形【翻，本文统称充液拉深) ，就是一种新的 柔性冲压新工艺。与常规拉深相比，充液拉深的最大特点就是凹模油腔取代了常规的机械 凹模。采用充液拉深可以将常规工艺的板料拉深成形极限由1 8 提高到2 7 ，生产效率得到 3 江苏大学硕十学位论文 了明显提高，适用于批量生产洲。随着各种柔性化的塑性加工技术应运而生，充液拉深工 艺的研究已日近成熟，所成形零件主要分布在航天航空工业、汽车工业以及其它民用行业。 1 3 1 充液拉深分类 充液拉深成形按使用坯料的不同，可以分为：板材液压成形( s h e e th y d r o f o r m i n g ) 、 壳体液压成形( s h e l lh y d m f o r m i n g ) 和管坯液压成形( t u b eh y d r o f o r m i n g ) 。根据液体在 板成形时的特征状态，板材液压成形可以分为液体静态成形( h y d r o s t a t i c d e e pd r a w i n ) 和液体动态成形( h y d r o d y n a m i c d e e pd r a w i n g ) 。按液体压力大小可以分为：低压和内高压 工艺，内高压工艺又有内高压成形、内高压切割和内高压连接等工艺 2 5 - 2 6 1 。充液拉深在国 际上的叫法很多，如：h y d r o m e e ，a q u a d r a w ，f l u i df o r m e r ，h y d r a u l i cc o u n t e r - p r e s sd e e p d r a w i n g ，h y d r a u l i cf o r m i n g ，h y d r o m e c h a n i e a ld e e p d r a w i n g 等【弘矧。 1 3 2 充液拉深的原理及特点 充液拉深属于一种软凹模成形技术，如图1 - 1 所示，其基本原理是用高压液体取代常 规的机械凹模，在拉深过程中凸模将毛坯压入凹模油腔内，凹模油腔的高压液体形成的压 力垂直作用于毛坯表面，使毛坯紧紧地贴合在凸模外表面。图1 2 所示是常规拉深与充液 拉深过程的对比，其中c d d 为常规拉深，h d d 为充液拉深。由图可以看到两种拉深工艺 的不同之处。充液拉深的具体过程如图1 3 所示。首先在凹模油腔里充满液体，放置坯料( 图 1 3 a ) ，压边圈以初始压边力将坯料压在凹模圈上( 图1 - 3 b ) 。为改善板料的成形性，一般 要使凹模油腔中的液体形成一定的预压，使板料形成凸起，起到拉延筋的作用；凸模下行， 将板材拉入具有一定压力的凹模油腔中( 图1 - 3 c ) 使凹模油腔中液体压强升高，通过溢流 阀调整液体的工作压力，液体压力将板材紧紧压在凸模上，从而使板材与凸模间产生很大 的摩擦力，传力区的承载能力提高；采用软凹模即液体凹模，可降低材料在凹模圆角等处 的摩擦阻力，提高板材的成形极限。 在凹模油腔内产生的油压既可以通过被动增压，也可以通过主动增压。所谓被动增压 主要是指液体产生的压力是由凸模下行压迫密封型腔内的液体产生内部压力，并通过液压 阀来控制压力的大小，该种方法提供产生摩擦保持效果的压力；主动增压是指将凹模型腔 与液压泵连接，通过液压泵的增压作用，在凸模接触板材以前先产生一个预胀形变形，使 板料以坯料的几何中心胀成一凸包，如图1 3 c ，凸模加载后，坯料将有一个反向拉深过程， 该方法的特点在于：( 1 ) 在坯料中所形成的凸包增大了变形程度，增强了硬化效果，使成 4 江苏大学硕士学位论文 形件尺寸稳定；( 2 ) 形成的反拉深，可改善板料的成形性【冽。 图i - 1 充液拉深原理 f i g 1 - 1p r i n c i p l eo f t h eh y d r o f o r m i n g = 圳甘 图1 2 常规r 辛主深与充液拉深成彤原理比较图 f 噜1 - 2p r i n c i p l eo f c o n v e n t i o n a la n dh y d r o f o r m i n g 蚪幽 “) o )“) 图i - 3 充液拉深过程 f i g 1 - 3p r o c e s so fh y d r o f o r m i n g 充液拉深工艺因具有高拉深比和良好的成形性，而逐渐成为国内外研究的热点。与常 规拉深工艺相比，充液拉深工艺具有如下的优点p 0 - 3 3 】： 1 ) 仅仅需要副模具中的一半( 凹模或凸模) ，流体介质取代凹模或凸模来传递载荷 以实现板材成形，并且模具具有通用性，不同材质、不同厚度的坯料可用一副模具成形。 这样不仅降低了模具成本，而且缩短了生产准备周期； 2 ) 由于液压力的作用，使板料与凸模紧紧贴合，增大了该部分的摩擦力，且该摩擦 力一直保持到成形结束，从而形成了“摩擦保持效果”，减小了板料在凸模圆角处的径向 拉力，提高了传力区的承载能力； 3 ) 可以成形复杂薄壳零件，减少中间工序，尤其适合一道工序内成形具有复杂形状 的零件，甚至加工常规方法无法成形的零件，材料利用率高； 4 ) 在凹模圆角处，板料不直接与凹模接触，而是与液体接触，摩擦较小。当流体从 板料下面溢流时，板料与凹模间形成流体润滑； 5 江苏大学硕十学位论文 5 ) 通过液压控制系统对流体介质的控制，易于实现零件性能对成形工艺的要求，材 料合理分配，零件表面不易划伤，表面质量好。 6 ) 适合于难于成形的板料成形，特别是现代高强度钢或铝合金的深拉深。 由此可见，对充液拉深成形新工艺进行基础及应用研究具有十分重要的意义和广泛的 前景。但它也有些不足之处i 3 4 - 3 5 1 ： 1 ) 这种成形方法需要专门的成形设备，国外大多采用专用液压成形机，它比一般压机 复杂、昂贵，使用、维护及保养也比较困难。 2 ) 由于充液需要时间，每分钟冲压次数减少，生产率相对较低。 1 3 3 充液拉深技术的国内、外研究现状 采用充液成形这种方法约在1 9 世纪末已被提出。随着时代的发展和科学技术的进步， 人们提出并实现了许多新的方法，充液拉深成形就是其中的一种。充液拉深的实验研究始 于上世纪5 0 年代，它是由最早出现在1 9 5 5 年的橡皮囊成形技术发展过来的，如图1 - 4 所 示，由日本春日保男博士提出了在凹模中充以液体的充液拉深技术( 如图1 3 所示) ，并 从理论上对这种成形方法进行了研究，提出“摩擦保持效果”和“溢流润滑效果”是提高 板材成形极限拉深比的关键，并用铜、铝和软钢等材料进行了实验验证。日本的西村对充 液拉深成形过程中的凸模速度与凹模油腔中油液压强对零件成形性的影响进行了研究， 认为如果凸模速度加快，凹模油腔中油液压强增长也快，从而板材的拉深比也会得到提 高。与此同时日本的中村和中川等人对筒形件和方盒形件的充液拉深进行了大量的研究， 把零件成形过程中的失效形式分为5 种，对其中的参数如材料类型、凹模圆角、板料厚度、 凸模圆角、凹模油腔中油液压强和压边力等关 系进行了分析，提出了解决措施，并对充液拉 深过程中出现的侧壁波浪纹进行了理论分析， 认为这种现象是由凹模油腔中油液压强的不稳 定造成的。在利用充液拉深技术并且采用特殊 润滑的基础上，实现了拉深比为2 9 左右制件的 拉深。同时还对锥形件成形中的反胀作用进行 了初步研究，认为反胀对防止起皱至关重要。 6 图1 4 橡皮囊成形工艺 f i g 1 - 4 r u b b e rf o r m i n gt e c h n o l o g y 江苏大学硕士学位论文 另外，还有许多学者和研究人员利用有限元法从理论的角度对此种工艺进行研究，力图找 到任何一种零件的最佳成形工艺参数。丹麦a a l b o r g 大学应用此项技术拉制出最大拉深比 达到3 o 的工件，并拉制出平均拉深比2 8 6 的a i 一1 0 5 0 一h 0 筒形件及拉深比达2 4 6 的a l m g s i 系列铝合金件，验证了此工艺的可行性 3 6 - 3 7 。图1 5 为部分实验所得的铝合金零 件。a a l b o r g 大学同时利用数值模拟技术深入研究了板材在此项成形技术中的变形规律， 探讨了各种工艺参数对零件成形性的影响，比较了各种屈服准则对铝合金零件模拟精度 的影响。在采用b a r l a r t 一8 9 屈服准则对铝合金零件的成形过程进行模拟，模拟结果与实 验结果较为接近，证明b a r l a r t 一8 9 可以很好地表达铝合金板材的成形过程。 图1 - 5 成形零件 f i g 1 - 5 f o r m i n gp a r t s 我国自从江阴拖拉机厂采用这种方法生产出第一件产品一油底壳后，这种新工艺在我 国也逐渐得到了重视，并正在推广和运用。哈工大的徐永超、康达昌对防锈铝的充液拉深 进行数值模拟并做了实验研究，结果表明，采用充液拉深工艺可以有效地提高塑性差、难 成形材料的成形极限，拉深比可达2 4 。同时，他们针对1 8 8 型不锈钢的特点提出了微温 充液拉深工艺，拉深比由常规拉深的2 0 提高到了3 3 ，并通过实验得到了筒形件的l d r 值可 达到2 6 1 ，所成形的零件如图1 6 所示，零件表面光洁，质量明显提高。康达昌等人开发研 制了可在单动液压机上使用的通用充液拉深模架，结合运用局部变换压边力的方法，一道 次拉制出复杂的不锈钢深方锥盒形件，并已应用在实际生产中。 图1 6 充液拉深成形件 f i g 1 - 6f o r m i n gp a r t si nh y d r o f o r m i n g 7 江苏大学硕十学位论文 燕山大学的唐景林等人通过理论分析和数值模拟给出了锥形件在充液拉深过程中不 产生侧壁破裂的上限油腔油液压力行程曲线，并通过研究薄板锥形件充液拉深过程中的法 兰变形区失稳、起皱的临界条件，提出克服措施。 华南理工大学对自然增压的充液拉深工艺进行了研究，对拉深形状如抛物线形、半球 形、锥体、桶形件等对工艺的影响、拉深力和压边力与凸模行程之间的关系进行了研究， 并成功地拉制出了抛物线形零件。 1 3 4 充液拉深装置 充液拉深需要有专门的拉深装置，日本、美国以及一些欧洲国家已相继开发出了专业 的液压成形设备，比较有名气的厂家如美国d a n a p o l l o c k 公司、瑞典的a p & t 公司以及日本 的 l i n o 等公司。其中日本的a m i n o 公司生产的大型充液拉深设备，可以冲压尺寸达2 5 0 0 m 1 4 0 0 m m 的大型覆盖件，最大冲压力达到4 0 0 0 0 i 【n 。日本丰田汽车公司建成了以4 0 0 0 0 k n 超 级大型充液拉深专用机为中心的冲压生产线制造大型钣金覆盖件一汽车翼予板等。 瑞典开发了配备在液压机上的充液拉深装置，该装置具有独立的液压系统，可实现高 压液体的灌注、升压，保压、卸压等要求，液体压力可进行调解，调节范围为2 0 m p 1 2 0 m p 。 德国斯图加特大学金属成形技术研究院研制的用于板料成形的液压拉深设备工作台尺寸 达2 0 0 0 m 2 0 0 0 m ，最大冲压力达到2 0 0 0 l ( n 。美国、日本和德国的汽车公司均已计划在中 国建立汽车配件液压成形专业制造厂。 当然，到目前为止，国外( 德国、美国、日本等) 也主要是对一些小型工件进行了研 究，并己经取得了丰硕的研究成果，迄今为止，对小型工件高液压成形的研究结果还不适 合具有复杂几何形状的大型工件的高液压成形。为此，德国d o r t m u n d 大学成形技术研究 所利用一台1 0 0 的板料高液压成形设备，专门用于具有复杂几何形状的大型覆盖件高液 ； 压板料成形实验研究，并配备有板料拉入测量与调控系统、多点压边调节与控制系统。 国外所专用的充液成形装备价格昂贵，根据我国企业的实际情况，浙江大学朱磊等人 和湖州机床联合研制了一台用s t d 工业控制进行控制的2 0 0 吨双动薄板专用充液拉深机， 成功地生产出了高精度的薄板车用反射镜。 哈尔滨工业大学在这方面的研究也很突出，如康大昌等人研制出的用计算机控制的适 用于通用压力机上工作的拉深专用模架，并且提出了充液变薄拉深新工艺。 燕山大学以唐景林为代表的课题研究组设置了以计算机实施控制拉深工艺过程的操 作系统。其装置和液压控制如下图所示。 8 江苏大学硕士学位论文 图1 7 充液拉深装置及液压控制系统 f i g 1 7h y d r o f o r m i n gt e c h n o l o g ya n do i lc o n t r o ls y s t e m 1 4 本课题的提出及研究内容 为提高板料利用率，减轻产品重量以及降低能源消耗，拼焊板技术已被广泛地应用在 工业生产中，尤其是在汽车行业。通过对以上各方面资料收集整理可知，拼焊板技术因其 独到的优点而被广泛应用，拼焊板的应用给国民生产带来的经济效益是毋庸置疑的，但在 拼焊板成形过程中还有很多问题需要解决。尽管国内外对拼焊板成形作了大量研究，如在 焊缝分布、表面涂层以及厚度比方面，但是，拼焊板在拉深成形过程中仍然存在大幅度的 焊缝移动和严重破裂问题，以致造成产品的最终报废。这样不仅造成了零部件生产成本的 增加还阻碍了拼焊扳的应用。特别是以差厚拼焊板成形中出现的问题最为典型。在整体压 边圈对板料施加压边力时，由于板料存在厚度差，薄厚两侧受力不同，这样会出现：薄 板受力不足，法兰部分严重起皱，致使拉深无法进行；两侧板料流入凹模速度不同，焊 缝移动量大：压力过大时，由于压边圈所受板料的反作用力不同，压边圈出现扭曲现象， 对模具造成损坏，减小了模具使用寿命。 除此之外，在板料成形过程中凹模与板料之间的间隙也是影响加工成形的一个重要因 素，但对差厚拼焊板来讲，因其两侧板料有一定的厚度差，所以很难对其进行间隙调整， 这样既影响加工精度又浪费时间。而在充液拉深工艺中，软凹模完全代替了原有的硬质凹 模，凹模腔里的液态物质会使板料紧紧贴在凸模上，所以就不会存在间隙问题。 由于拼焊板成形与充液拉深工艺的结合在国内还没有任何资料，在国外也是屈指可数 9 江苏大学硕+ 学位论文 的，所以本人经过查阅多方面的资料，通过理论分析研究，在确定拼焊板充液拉深确实具 有可研究性和实际应用价值的基础上，针对差厚板的上述问题，提出了拼焊板充液拉深课 题，即对拼焊板成形提出了两方面改进：拼焊板充液拉深工艺；薄厚两侧板料的压边 力采用分块式液压柔性压边方式。本课题的提出也基于光板充液拉深的优点和拼焊板、光 板的相似性。同时，本课题将常规整块压边方式改为分块压边方式，并且薄厚两侧板料的 压力通过油液进行加载。这种方法不仅解决了常规拉深过程中出现的缺陷，还提高了控制 板料压边力的精确度和灵活度。 拼焊板充液拉深成形技术最明显的应用优点表现在半球形件充液拉深过程中，它完全 改变了半球形件的成形机理，其中间变形区的悬空部分在凹模油腔油液作用下消失。由于 在国内还没有任何拼焊板充液拉深的资料，所以本课题以曲面形零件如半球形件和被广泛 研究的盒形件两大典型件为例，对拼焊板充液拉深过程做理论分析和数值模拟，并在此基 础上设计拉深装置，具体研究内容如下。 本课题以软钢作为研究材料，以板料尺寸分别为9 7 x 9 7 m 和直径为6 0 r a m ，板厚为 0 8 i o m 的激光拼焊板为研究对象，分别针对方盒形件和半球形件充液拉深技术做了研 究。就板料在拉深过程中的受力状态进行分析；分析、比较了常规拉深与充液拉深工艺的 差异：以成形质量( 焊缝移动、材料厚度变化) 为研究指标，借助有限元模拟方法，有效 地分析和研究充液拉深成形工艺：研究凹模油腔油液压强大小、压边力大小对圆形拼焊板 成形性的影响和压边力、凹模油腔油液压强大小的改变对拼焊板应力应变、板厚变化的影 响。 根据数值模拟结果，设计出了一套拼焊板充液拉深装置。其压边装置通过控制油液压 强分别实现加载到薄厚两侧的压边力，不仅能有效验证模拟过程中薄厚两侧压边力大小对 成形的影响，还减小了板料与装置之间的摩擦。该装置有完整的油液回路，其软凹模作用 解决了常规拉深过程中差厚拼焊板与凹模间隙的控制问题。 1 5 本课题研究的目标和意义 拼焊板技术具有很多优点，但同时也存在一些不足之处，如拉裂、焊缝移动、坯料厚 度不均匀、残余应力、回弹以及起皱等。本课题研究的主要目标就是针对拼焊板在常规拉 深过程中出现的不足，对拼焊板的成形采用一种新工艺即充液拉深，来减少拼焊板在拉深 过程中出现的起皱、拉裂等问题，改善拼焊板的成形性。同时，获得充液压强和压边力对 拼焊板成形性的影响规律；通过对拼焊板成形的数值模拟确定成形的最佳参