（材料加工工程专业论文）拼焊板无模充液拉伸成形性研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 拼焊板成形技术，特别是差厚拼焊板成形技术，是汽车轻量化的一个重 要发展方向。在差厚拼焊板汽车覆盖件的拉深成形过程中使用传统拉深工艺， 经常出现激光焊缝的移动和成形性能下降等问题，导致无法获得所需要的形 状尺寸和性能的产品。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无模 充液拉深( 又称软凹模拉深) 技术日益发展起来。无模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，与传统拉深工艺相比较，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。 本论文就拼焊板盒形件成形中采用的无模充液拉深工艺进行理论分析，基 于d y n a f o r m 软件，对差厚拼焊板无模充液拉深过程进行数值仿真。研究的主 要内容有：1 比较拼焊板盒形件在无模充液拉深工艺和传统拉深工艺过程中的 成形性；2 材料参数，凸模圆角半径等对成形性的影响；3 预胀形压力和液体 工作压边力大小对成形性的影响；如何确定这些参数，是本文研究的关键所 在。研究这些工艺参数对实际生产有着现实的指导意义。 研究发现：1 采用无模充液拉深技术拉深拼焊板盒形件时，不同区域的 焊缝有不同的移动趋势，它们都有一个分界点，且该点都是在侧壁。2 预胀 形时间和液体工作压力大小与底部焊缝移动成正比，但随着液体工作压力的 增加，板料厚度减薄量增加。3 数值模拟实验表明，与传统拉深相比，合理 的工艺参数可以提高拼焊板盒形件的成形质量，特别是降低了底部焊缝移动 量和厚度减薄量。4 加载在板料周边上的径向压力降低了其在成形过程中的减 薄量，提高了板料的成形性。5 合理的控制无模充液拉深液压加载路径可以 江苏大学硕士学位论文 有效地提高盒形件的成形质量，在液体压力所带来的摩擦保持效应下一次拉 深的最大相对高度h 。r 可达n 4 2 5 。 本文的研究对拼焊板成形技术的实际生产具有重大的指导意义，对拼焊 板成形工艺的研究也提出了一个新方向，并对后续的实验设计和更全面的拼 焊板无模充液拉深过程的分析奠定了基础。 关键词：无模充液拉深，拼焊板，数值模拟，盒形件 a b s 劂c t 删。卜w e l d e d b l a n kf r w s ) w i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s sr a t j o p j a y sa n 竺n a m 叫吨m e l l g h t w e i g h t i n g t e c h n 。1 0 9 y 。f a u t o m o b i l ei 1 1 蛐哆蒜l e m s ， 舳曲a s w e 1 小脚v e m e n t a n dt h i c k n e s sr e d u 咖n 。f i 蛐嘞b j l j t a r ea l w a y 三 = 玎e d mm ea p p n c a 石o na n dp r o d u c t i 蚰o ft w b s d u f i n gt h ec o n v e n t i 。二 d r a 、| ：= 竺，c e s s a n 叭h e s e p r o b l e m sr e s u l ti nt h eb a d q u a l i t ya n dp e 惋a n c e0 f t h e ? p r o d 埘s s o ，h o w t 0s o l v et h e s e p r o b i e l l l si st h e k e l yp o ： a p p j l c a t j 。na n dd e v e l 叩m e n to f t h en e w s k n l m e a n w h i l e ，w i t l lt h ed e v e l 。p m e n t0 f t ，h es p e c i a l m 州n gp r o c e s s t e c h n 。l 嚼，n 。w a d a y s ，h y d r o - m e c h 砌二d e e p d r a 啤岍m o u td r a wd i ew h i c hi sa na d v a n c e d t e c h n o j 。g y0 fs h e e tf o m 血gh a ： b e e nl a r g e l y 撇p t e d b yi n d u 刚e sd a yb y d a y n e s i m p l i f i e d d i ei sae x p 二。n ：t h c e c o n 。m y o fm e h y d r o 。m e c h a n i c a l d e e pd r a w i n gw j t h 。u td 二w d i e 兰m ? a 1 1 n g 州m t 1 1 e c o n v e n t i o n a l d e e pd r a w i n g , t h e h y d r 。- m e c h a n j c a ld e p n 岫w l n gw i t h 。u td r a wd i eh a sm a n ym e r i t ss u e h 弱l 。w c o s t ，h i g hd e 甜e e - 。i f t 三= 瑚”n d c a nr a 括汕ed r a w i n gr a t i o0 f t h ep a n s i t i ss u i l a b j ef o r 函u c e u 1 e r e n tp a n s ，e s p e c i a l l yf o rc o m p l e x p r o d u c t i o n si no n ep r o c e s s 一一 啪 江苏大学硕士学位论文 t h es t u d ys h o wt h a t ：f i r s t ，t h e r ea r ed i f f e r e n tw e l d e d l i n em o v e m e n t t r e n d so nt h ed i f f e r e n tb l a n ka r e ad u r i n gh y d r o - m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n gw i t h o u t d r a wd i ef o rt a i l o r - w e l d e db l a n k ss q u a r eb o xw h i c ha l w a y sh a sad i v i n gp o i n ta t t h es i d e w a l l s e c o n d , t h ep r e b u l g i n gt i m ea n dt h em a g n i t u d eo ft h ew o r k i n gp r e s s a r e p r o p o r t i o n a lt ow e l d - l i n em o v e m e n ta t t h eb o t t o m t h eb l a n kt h i c k n e s s r e d u c t i o nw i l lb ei n c r e a s e dw i t ht h ee n h a n c e m e n to fw o r k i n gp r e s s t h i r d ， c o m p a r eh y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n gw i t h o u td r a wd i ew i t hc o n v e n t i o n a l d r a w i n g ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tp r o p e rc o n t r o lo ft h ep r o c e s s p a r a m e t e r sw i l lh e l pt oi m p r o v et h ef o r m a b i l i t y , e s p e c i a l l yt h ew e l d - l i n em o v e m e n t a n dt h et h i c k n e s sr e d u c t i o na tt h eb o t t o m f o r t h ，t h ep e r i p h e r a lp r e s sw h i c hi sl o a d o nt h eb l a n ke d g ec a nh e l pt od e c r e a s et h eb l a n kt h i c k n e s sr e d u c t i o na n di n c r e a s e t h e f o r m a b i l i t yd u r i n gh y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n gw i t h o u td r a wd i e f o r t a i l o r - w e l d e db l a n k ss q u a r eb o x f i f t h ，p r o p e rc o n t r o lo ft h e l i q u i dp r e s s u r e l o a d i n gp a t h si nt h ed i ec a v i t yw i l lh e l pt oi m p r o v et h ef o r m i n gq u a l i t ye f f e c t i v e l y a n dt h er e l a t i v eh e i g h tc a nb ea c h i e v e d4 2 5a to n e - s t e pf o r m i n gu n d e rt h ef r i c t i o n m a i n t a i ne f f e c to fl i q u i dp r e s s u r e 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 f t h et a i l o r w e l d e db 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 t h e s t u d yl a y s a ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o rt h e s u c c e e d i n gm u l t i - p a r a m e t e r e x p e r i m e n td e s i g na n dt h es t u d yo ft h eh y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n gw i t h o u t d r a wd i e k e yw o r d s ：h y d r o - m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n gw i t h o u td r a wd i e ，t a i l o r - w e l d e d b l a n k s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s q u a r eb o x i v 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 位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 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密口。 学位论文作者签名：嗣旁 听r 年矽6 其? d 日 指导教师签名：弘窆丕互 勿矿年月加日 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。除文中己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，均己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：嗣瘟 日期：m 产，月 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出 减轻汽车质量、降低燃料消耗和减少汽车尾气排放、提高汽车安全性是汽车发展的三 大主要方向。而实现汽车的轻量化，既可以降低生产成本，又可以节约燃料和改善风阻系 数。在实现汽车轻量化的过程中，除采用许多复合材料如金属基复合材料中的铝基复合材 料、聚合物基的玻璃钢材料外还可以采用先进的工艺及制造技术如拼焊板【1 - 2 1 及其成形 ( t a i l o rw e l d e d b l a n k st w b s ) 。应用拼焊板成形的最大特点是：( 1 ) 降低部件重量，节约 材料成本；( 2 ) 提高部件整体精度和质量；( 3 ) 改善部件抗冲击的能力；( 4 ) 零部件易于 整体成形，减少了工、模具数量和装配工作量，使安装程序得到最大的简化1 3 羽。由于产品 的不同部位，其性能要求不同，采用拼焊板成形技术不仅可以满足这一性能的要求，而且 大大地减少资源浪费，得到了性价比高的产品，所以这一成形技术被广泛地应用于各大型 企业尤其是汽车行业。据相关研究报道：每减少1 的车身重量，就会减少0 6 - - 1 的耗 油量嗍。 拼焊板成形采用传统的拉深工艺，会带来诸如变形不均、焊缝移动、破裂、起皱和表 面质量差等许多技术问题，使得拼焊板成形工艺难以控制，限制了拼焊板技术的应用。为 解决这一工艺难题，本文提出了采用无模充液拉深技术( h y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n g w i t h o u td r a wd i e ) 。拉深时当凹模完全由受压的液体介质所取代，就构成了无模充液拉深， 而型腔中受压液体的压力由液压泵和压力阀进行控制。目前拼焊板无模充液拉深技术还处 于研究的初始阶段，在实际生产中虽还没有得到应用，但随着研究的深入，这一先进的成 形技术必将得到广泛的关注。在国内，朗利辉等人在文献1 7 】中分析板液压成形的工艺发展 趋势时提到了拼焊板无模充液拉深成形技术，但是到目前为止相关数据资料还很少。本文 基于这样的研究背景，提出了应用无模充液拉深技术对拼焊板进行拉深成形，并应用数值 仿真技术就拼焊板盒形件在无模充液拉深过程中各参数对成形性能的影响做初步研究，皆 在对拼焊板在实际无模充液拉深过程中的应用提出理论指导或建议。所得研究成果与国外 研究的研究成果基本一致，证实了拼焊板无模充液拉深工艺的可行性。与此同时通过与传 统拉深工艺进行比较，无模充液拉深由于液体压力的作用可以得到高拉深比、表面质量精 度高的成形件i 蹦o l ，由于液体凹模的使用大大减少了模具数量，使得模具制造周期短、生 江苏大学硕士学位论文 产成本低，尤其适合拉深复杂件及小批量成形件的生产。同时凹模型腔中液体介质的摩擦 保持效应和流体润滑作用【1 1 1 可改善拼焊板在传统拉深过程中出现的问题。 1 2 拼焊板 1 2 1 拼焊板技术 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。拼焊板既可 以是非等厚拼焊板，即由厚度不同的同材质材料焊接而成，也可以由不同材料构成，例如 两种不同性能的铝板，以及普通钢板和央层板，还可由不同表面涂层的板料焊成，例如镀 锌版和普通钢板。由于现在对零件不同部位的厚度、材质的要求不同，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，所以它被广泛的应用在各大企业尤其是 在汽车行业。如汽车覆盖件采用拼焊板技术具有以下几个方面的优势1 1 2 1 。 1 、对最终车身重量的减轻。在汽车结构件的应用中，使用激光拼焊板，消除了使用多余 加强件的需要，从而带来整体车身重量的降低。通过在一块钢板中，不同材料和厚度的组 合可以大大简化整体车身的结构。 2 、减少汽车零部件的数量。轿车车体的结构精度可以得到大大提高，许多冲压设备和加 工工序可以得到缩减。以门内板的应用为例，通过使用激光拼焊技术，在冲压工序前就连 接成一件门内板，再冲压成一件整体件，从而完全消除了使用加强件的必要性。 3 、原材料利用率大大提高，废料大大减少。通过在结构件的特定部位有选择性的使用高 强、厚材料，从而使材料的利用率大大提高。通过在落料工序中采用排料技术，将各种各 样的钢板得到合理组合从而大大降低材料工程废料率。 4 、结构功能得到大大提高，促进了车身结构件的一体化设计。通过使用激光拼焊技术， 由于将材料的强度、厚度得到合理组合，使结构的刚度得到大大改善。结构的抗腐蚀性能 也得到提高。使用拼焊技术更加重要的作用便是通过厚度与强度的组合，使结构件的抗碰 撞性能得到大大提高。与传统点焊工艺相比，使用激光拼焊板的冲压件，其尺寸和形状精 度也大大提高。从而使车身的装配精度得到改善。这将带来汽车噪声的降低和更少的整体 装配缺陷。 5 、为生产宽体车提供可能。由于受钢厂轧机宽度的限制，钢厂提供的板宽是有一定限度 的，而随着汽车工业的发展，汽车对宽板的需求日趋紧迫，采用激光拼焊不失为一种有效 而经济的工艺方法。 6 、促进了车身结构件的一体化设计与制造技术。这样既可以减少零件数目，节省原材料， 又可以显著减少所用冲压成形模具，从而降低生产成本。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 拼焊板的国内外应用现状 拼焊板的应用历史可以追溯到1 9 6 0 年，日本本田汽车采用拼焊板冲压件做侧板。但 其后的二十多年间拼焊板技术并没有得到广泛推广，直到1 9 8 5 年，由于社会对汽车的性 能和功能要求如节能、减少环境污染、驾驶安全等越来越高，拼焊板技术才得到越来越多 的关注，九十年代开始逐渐在先进国家的汽车制造业和飞机制造业中得到普遍应用，些 成功事例已有报道。德国t h y s s e ns t a h l a g 公司从1 9 8 5 年开始使用拼焊板生产轿车零 件和卡车车头覆盖件。日本的本田( h o n d a ) 、日产( n i s s a n ) 、丰田( t o y o t a ) 等汽车公司 已开始将部分部件应用拼焊板成形；德国大众汽车公司( v o l k s w a g e n ) 从1 9 8 5 年开始在其 a u d i l 0 0 车型上采用拼焊板生产汽车前地板；1 9 9 5 年，宝马公司开始大规模地使用拼焊板， 使德国的拼焊板产量骤升至1 0 0 万张。美国通用汽车公司( g m ) 是北美最大的拼焊板用 户，已经成功地将拼焊板应用于几条汽车生产线底盘上层覆盖件的生产之中，其中包括 b u i c k ，c a d i l l a c 和o l d s m o b i l e 等车型。瑞典v o l v o 汽车公司采用拼焊板已有十年的历史； 1 9 9 9 年一汽一大众公司( f a w - v w ) 的a u d ia 6 的前地板等三种零件使用了从德国 v o l k s w a g e n 原厂进口的拼焊板冲压成形件，2 0 0 1 年的宝来轿车( b o r a ) 更是在车身上多处 采用了德国进口的非等厚拼焊板冲压件，如前地板、前纵梁、后纵梁、轮罩、车门内板等 零件。 前纵粱 前地扳 图1 1 拼焊板在轿车车身中的应用 f i g1 1t h ea p p l i c a t i o n so ft h et a i l o r - w e l d e db l a n k so nt h ea u t o m o b i l eb o d yc o v e rp a n e l 图1 1 描述了拼焊板在轿车领域的应用。依据u i s a b ( 世界轻质钢制车身协会) 的最 新研究结果：最新型的钢制车身结构中5 0 采用了拼焊板制造。在日内瓦汽车展览会上展 出了新超轻型钢车身( u s i s a b ) 结构计划。u l s a b 采用大型计算机辅助有限元分析技术， 并通过试验确认采用薄低合金钢板以及由不同等级和厚度钢板制成的拼焊板可以得到更 轻更峰固、更便宜的车身结构。这些车身质量与当前四门中型轿车平均设计水平相比，重 3 姐田学 江苏大学硕士学位论文 量降低超过2 5 ，抗扭刚度提高了6 5 ，振动特性改善了3 5 ，并且增强了弯曲刚度。近 几年来拼焊板的发展势头迅猛。据统计，1 9 9 9 年，在北美制造的车体结构中几乎都采用了 部分拼焊板，这种比例近年在继续增加。例如，2 0 0 0 l i n c o l nl s 的振塔( s h o c kt o w e r ) ， 1 9 9 9 f o r df o c u s 的b 立柱( b p i l l a r s ) 。欧洲1 9 9 3 年拼焊板的产量为3 0 0 万件；到2 0 0 0 年， 拼焊板的产量为5 0 0 万件；2 0 0 4 年，全球的激光拼焊板产量为1 8 亿张，到2 0 0 5 年，全 球激光拼焊板产量已达2 5 亿张。仅蒂森克虏伯公司计划到2 0 0 7 年该拼焊板公司全球的总 产量就将达到6 4 0 万吨。 我国的部分汽车生产企业也在开始采用拼焊板成形技术，长春一汽a u d i a 6 的前地板 使用了德国大众原厂进口的拼焊板冲压成形件。一汽大众最早使用拼焊板是为了获得宽度 较大的薄板，目前已经发展到了使用非等厚拼焊板和非均质拼焊板。上海大众的p a s s a t 、 p o l o 等系列轿车的覆盖件零件也都采用德国t h y s s e n 公司原厂出口的拼焊板材料。上海 通用的b u i c k 等车型的前门内板，广州本田的o d y s s e y 多功能轿车的前门内板等使用了 从国外进口的拼焊板进行冲压。上海宝山钢铁股份有限公司已经开展这方面的研究，2 0 0 0 年由上海宝山钢铁股份有限公司试制的激光拼焊板试冲了小红旗底板零件获得成功，填补 了国内汽车用激光拼焊板的空白。目前，由拼焊板生产的汽车零部件已被成功用于车身骨 架件、外覆盖件、内覆盖件、车门两侧的a 、b 立柱，车门内板，纵梁，底板，轮罩，内 后挡板，横梁，缓冲器等，如图1 1 所示。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 3 】。 1 2 3 拼焊板成形技术的国内外研究现状 拼焊板冲压成形首先要对拼焊板的不均匀变形规律和变形机理进行充分研究，然后研 制有效的方法控制板料在冲压过程中的变形，获得优质的拼焊板冲压零件。一些对于成形 均质板件有效的工艺方法不一定能适合于拼焊板的成形，例如圆板自由液压胀形引起薄侧 金属过早局部减薄，而采取橡胶垫辅助成形则起到较好效果。 s h i 等人【1 4 】研究了拼焊板的成形性，发现焊缝移动距离主要取决于焊缝两侧材料强度 比和焊缝位置，与焊接方式和焊缝宽度关系不大。s a u n d e r s i ”】等人认为拼焊板的成形性能 主要取决于焊缝移动距离，焊缝移动影响变形方式、应变和破坏位置，焊缝移动主要取决 于母材性能和边界约束力。n i nf o r g e 和d a w a n c e l l 6 1 采用多缸局部压边的自适应控制压边装 置，各个部位的压边力可以不同，焊缝移动可以减少到原来的近1 3 ，成形能力明显提高， 但花费较大。m u n z e n l l 7 l 用凹模垫夹紧焊缝，当板料刚进入凹模型腔时，凹模挚就丌始支撑 焊缝，也就是说在板料变形之前或刚变形时就与凹模垫接触，这样就可以阻止成形过程中 4 江苏人学硕士学位论文 的焊缝移动。然而，这个过程需要焊缝在冲压件的最高点，以便能成功央紧。k i n s e y 等【1 8 】 把液压缸嵌入凸模和凹模，在拉深过程中夹紧焊缝，可以用多套液压缸，使焊缝可以有各 种形状，不一定必须是直线，而且焊缝没有必要一定与凸模顶点相对。通过对焊缝的夹紧， 使拼焊板在成形过程中的失效大大延缓，薄、厚两侧母材的应变分布更加均匀，焊缝移动 距离明显减小。 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，但最终总归为一点 就是成形性能的研究。国内关于拼焊板成形性的研究主要涉及焊接工艺、典型拼焊板冲压 件的不均匀变形规律、拼焊板冲压成形的计算机模拟和拼焊板冲压件不均匀变形的控制。 焊接工艺的研究包括激光焊接和氩弧焊接工艺以及与其它焊接工艺的比较。进行了拼焊板 试件的单向拉深试验，考察了焊缝及焊接工艺对冲压变形的影响规律。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。 随着拼焊板越来越受到汽车、环保、和能源等组织的青睐，此项技术已经在我国的一 汽大众、上海大众、上海通用、广州本田等大型汽车公司中得到广泛地应用。而且，对于 拼焊板成形的研究也在各大高校和研究所中进行。上海交通大学模具c a d 国家研究中心为 了提高板料冲压的质量，提出了板料成形前形状优化设计方案【1 9 1 。上海交通大学焊接研究 所的俞宁峰和宝钢的阎启【刎通过研究提出：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。哈尔滨工业大学和中国材料研究所的张士 宏、程欣等人率先对不等厚拼焊板的成形变形能力进行了试验研究，研究表明在单向拉深 试验中焊缝的布置方向对板料的成形影响比较明显，在方盒件拉深试验中，焊缝在成形底 部的移动大，造成薄板成形减薄加剧【2 1 】。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德【2 2 】通过比较了不同焊接工艺对拼焊板塑性变形的 影响，并总结出了拼焊板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 的张福祥、陈炜等人研究了在方盒件成形试验中不同焊缝位置对焊缝移动的影响，并且通 过试验验证了有限元分析的准确性【2 3 i 。江苏大学的陈炜、上海交通大学的林忠钦【2 4 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，厚度 减少为2 2 8 7 ，而靠近焊缝附近薄侧母材的厚度减少为4 一1 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。另外，上海交通大学和宝钢集团也利用有限元法 研究了拉深筋控制焊缝移动的方法。上海宝钢研究院用户技术研究中心的曹能【2 5 l 通过做极 5 江苏大学硕士学位论文 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。攀支花钢铁研究院的邱晓刚【2 6 】针对拼焊板 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。 拼焊板也给冲压成形工艺带来了一些难度。板厚不同或材质不同引起板料发生不均匀 变形，给冲压工序带来一系列问题，如焊缝发生不均匀移动或扭曲起皱条件改变、材料弯 曲不均匀、零件减薄趋势增加、焊缝处成形极限降低、凸模磨损、压边圈需要改型、压边 力需要控制等等【”圆】。板料的面积增大，所需的模具表面积也会成倍增加，模具的设计制 造及对设备的要求也相应提高。只有解决了这些问题才有可能广泛推广拼焊板的应用。 1 3 充液拉深技术的分类 如今拉深技术已经广泛应用于金属板料的成形过程中。拉深工艺能用于生产圆筒形 件、阶梯圆筒形件、锥形件、球面零件等各种复杂的曲面零件。对于普通的盒形件，人们 甚至已经依据经验和理论研究得出了极限拉深比、拉深成形所需的次数等。然而，由于传 统的拉深工艺采用刚性模具，容易引起起皱、拉裂等缺陷。以前广泛采用在反复试验的基 础上控制压边力【雏蚓，调节摩擦的相关输入参数，比如润滑剂、润滑量和改变板料金属的 表面微结构，修改模具等方法来避免这些缺陷。这些措施延长了产品的开发周期，增加了 生产成本。 充液拉深成形( 又称液压成形【3 5 1 ，本文统称充液拉深) 是一种特殊的拉深工艺，它克 服了传统拉深的刚性模具带来的缺点。在充液拉深中用弹性体代替了刚性模具。因此，除 了可以大大降低摩擦力外，还可以避免因制造非对称的、几何形状复杂的模具带来的困难。 研究结果表明充液拉深成形可获得更高的拉深比( l d r ) 。此外，沿筒壁的应力分布也更 加均匀，a 惭a rk 加d i l 通过实验的方法，对拉深的主要影响因素，如初始压力、板料厚度、 板材材料属性、凸模几何形状、凸模载荷和拉深比进行了研究，进一步从实验证明了通过 充液拉深可以获得比普通拉深工艺更大的l d r p 6 1 。 现在国际上流行用液力成形来替代原先的液压成形的说法，因为液力成形更能精确地 描述加工过程的实质，即通过液体介质传递的液体压力，作用在一定的加工表面，最终以 液力的形式加工工件，使工件达到所要求的尺寸和形状。根据使用板料的不同，液力成形 ( h y d r o f o r m i n g ) 一般分为三种：壳液力成形( s h e l lh y d r o f o r m i n g ) ：板液力成形( s h e e t h y d r o f o r m i n g ) ，无模充液拉深是板液力成形中的一种；液力成形( h y d r o f o r m i n g ) ，一般 特指美国的管子液力成形( 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不同，可以分 为：液体静态成形( h y d r o - s m i l ed e e pd r a w i n g ) 和液体动态成( h y d r od y n a m i cd e e p d r a w i n g ) 。按液体压力的高低可以分为：低压和内高压工艺，内高压工艺又有内高压成形、 江苏大学硕士学位论文 内高压切割和内高压连接工艺之分t 3 7 - 3 8 1 。 1 3 1 无模充液拉深技术 图1 2 所示是无模充液拉深工艺( h y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n gw i t h o u td r a wd i e ) 的 示意图，当凹模完全由受压的液体介质所取代时就构成了无模充液拉深。型腔中的初始液 体压力和拉深时的工作压力完全由液压泵和压力阀来控制，在成形过程中，型腔中的受压 液体不但均匀地施加在板料的下表面，同时也施加在板料的径向，以协助板料成形，这样 可以极大地提高板料的成形性【1 1 。液体压力是决定板料能否顺利成形的主要工艺参数，当 液体压力不足时，板料将会出现起皱，当液体压力过大时，板料又会出现破裂。与传统拉 深工艺相比无模充液拉深成形极限比可提高n 3 1 1 3 9 4 2 ，由于板料与模具之间不存在相对 运动，对于低硬度尤其是有镀层的板料，成形时不会造成零件表面划伤，成形件精度高、 表面质量好，模具寿命长 4 3 4 5 1 。 溢流阀 r 一1 图1 2 无模充液拉深 f i g1 2h y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n gw i t h o u td r a wd i e 拉深时基本的工艺流程为：1 ) 将板料正确地放置在模具型腔上；2 ) 模具型腔通过 液压泵及控制系统对板料施加一定大小的初始预胀压力，使板料产生反向胀形，形成一定 大小和高度的凸起，而凸起的大小是与压边圈内边缘的圆角半径有关，压边圈内边缘的圆 角半径越大，越有利于凸起的形成；3 ) 凸模下行，模具型腔中的液体受到凸模运动而压 力增大，由压力控制阀控制拉深时的液体压力以完成板料成形。在数值仿真时，设压边圈 的压边力均匀地加载到板料凸缘上并且使压边力等于液体作用在模具型腔上的压力，采用 这种“纯”的边界条件更加容易对无模充液拉深进行数值仿真1 。 型腔内的液体压力既可以通过被动增压产生，也可以通过主动增压产生。所谓被动增 7 江苏大学硕十学位论文 压主要是指液体压力的产生依靠凸模的下行运动压迫密封型腔内的液体产生内部压力，通 过液压阀来控制压力的大小，该种方法的主要作用在于提供产生摩擦保持效应的压力；主 动增压指的是将凹模型腔与液压泵连接，通过液压泵的增压作用，在凸模接触板料以前先 产生一个预胀形效果，将板料的几何中心胀成一凸包形状，此时通过凸模的加载，将板料 反向拉深成形，该种方法的好处在于一方面在板料的几何中心产生了金属的硬化效果，另 一方面先将板料均匀地拉入一部分，产生反拉深的效果，对成形有很好的作用h7 | 。本文使 用主动增压模拟。 1 ) 工艺特点 无模充液拉深成形技术的原理如图1 2 所示。在板料成形过程中，型腔中的液体压力均匀 地加载在板料的下表面，同时，液体压力也加载在板料的径向，协助板料成形，从而可以 极大地提高板料的成形性。此技术综合了橡皮囊成形、充液拉深成形和径向液压成形等技 术的优点，使之具有以下优点m 1 ： 1 ) 加载在凸缘上的压力是均匀的且等于液体的作用在模具型腔上的压力。这种“纯 的边界条件使得更加容易对无模充液拉深( h d d ) 进行模拟。 2 ) 通过对溢流阀的调节能很容易精确地控制作用于模具型腔的液体压力。 3 ) 随着凸模位置的变化选择适当的液体压力，可以成形零件而不让板料和拉深模具有 接触( 拉深过程中零件外表面没有任何刮痕) 。 4 ) 对板料径向的液体压力等于模具型腔内的液体压力。这个径向液体压力增加了最大 拉深比。 5 ) 模具简单不需要特殊的密封装置。 6 ) 没有橡皮膜参与成形，消除了由于橡皮膜受损而造成的模具寿命问题。并且对于低 硬度材料或镀层板的成形，不会造成成形零件的表面划伤。 7 ) 可以加工形状复杂的零件，成形极限高，减少了工件的成形次数及配套模具的数 量，减低了生产成本。 8 ) 大幅降低由于摩擦带来的附加应力，使板料变形均匀，成形零件的回弹小，工件 表面质量和尺寸精度高。 9 ) 模具制造精度要求较低，结构简单，通用性好，非常适合小批量、多品种的柔性 加工。 l o ) 静水压力大，改善了材料的塑性，室温下可以成形一些难成形的材料，如镁合金、 铝合金、钛合金、高温合金以及复杂结构拼焊板等。 8 江苏大学硕士学位论文 2 ) 缺点 同时无模充液拉深工艺也有以下不足之处，阻碍了其发展： 1 ) 与传统拉深技术相比，由于凹模中存在液体，所以凸模受的反作用力较大，需要 大吨位的板成形设备。 2 ) 由于成形时需要液体，所以必须考虑相应的密封装置，这也限制了这项技术的进 一步推广应用。 3 ) 液压拉深专用设备价格十分昂贵，这极大地影响了无模充液拉深技术的推广应用。 1 3 2 无模充液拉深技术的国内、外研究现状 许多学者和研究人员利用有限元法从理论上对无模充液拉深工艺进行了研究，试图发 现一种规律，从而可以很容易地找到任何一种零件的最佳成形工艺参数。a a l b o r g 大学已 经对此项技术进行了大量的研究，并拉制出拉深比稳定达2 8 6 的a 1 - 1 0 5 0 h o 筒形件，最 大拉深比达到了3 0 ；用a 1 m g s i 系列铝合金拉深时，其拉深比达2 4 6 。 除此之外，a a l b o r g 大学还利用数值模拟技术深入研究了板料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 t8 9 屈服准则对铝合金零件的成形过程进行模拟时，模拟 结果与实验结果较为接近，证明b a r l a r t8 9 可以很好地表达铝合金板料的成形( 符合 f c c 晶体材料结构) 。 国内相关的研究有北京航空航天大学的郎利辉教授研究了无模充液拉深工艺中预胀 形( 预胀形压力大小和预胀形高度) 对板料成形性的影响。通过有限元模拟得出预胀形对 板料成形的初始阶段影响很大，产生的弯曲和反弯曲作用可以阻止板料在拉深初始阶段的 破裂。哈工大的刘晓晶教授利用有限元对铝镁合金做了双路径向加载充液拉深的数值模 拟，讨论液体压力变化对零件成形性的影响，采用合理的液压加载曲线可是使拉深比达到 3 1 。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实验研究，结果表明， 采用充液拉深工艺可以有效的提高塑性差、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，拉深比由普通拉深的2 0 提高到了 3 3 。他们通过拉深不同的成形件，得到了筒形件的l d r 值可达到2 ：6 1 ，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。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 产生侧壁破裂和凸模肩部破裂的上限液池压力行程曲线，并通过研究薄板锥形件充液拉深 9 江苏大学硕士学位论文 过程中的凸缘变形区失稳起皱的临界条件，提出了克服的措施。华南理工大学研究了自然 增压的充液拉深方法，并就拉深形状如抛物线形、半球形、锥体、筒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，成功地制出了抛物线形零件。 无模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 公司以及同本 的a m i n o 等公司。美国、日本和德国的汽车公司均己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、同本等) 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 究中心利用一台1 0 0 m n 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。 国外所专用的无模充液成形设备价格昂贵，根据我国企业的实际情况，设计制造了适 合我国生产水平的充液拉深装置。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 0 k n 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，如康达昌等人研制出了用计算机控制 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。 1 4 本课题的提出 为提高板料利用率，减轻产品质量以及降低能源消耗，拼焊板被广泛的应用在工业生 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，拼焊板因其独到的优点 而被广泛的应用，以及它给国民生产带来的经济效益是毋庸置疑的，但在实际的拼焊板成 形过程中还有很多问题需要解决。所以，尽管国内外为提高拼焊板的成形性通过各种方法 对其作了大量研究，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 造成了零部件生产的成本增加还阻碍了拼焊板的应用。其中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，薄厚两侧所受力 不同，这样会出现：1 薄板受力不足，凸缘部分严重起皱，致使拉深无法进行；2 两侧板 料流入凹模速度不同，焊缝移动量大；3 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 1 0 江苏火学硕j ：学位论文 素，但对差厚拼焊板来讲，因其两侧板料厚度不一样，加工时将很难对其进行间隙调整， 这样既影响加工精度又浪费时间。而在无模充液拉深工艺中，软凹模完全代替了原有的硬 质凹模，凹模型腔里的液体介质会使板料紧紧贴在凸模上，所以就不会存在间隙问题了。 由于拼焊板成形与无模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，在确定拼焊板无模充液拉 深确实具有可研性和实际应用价值的基础上，针对差厚板的上述问题，提出了拼焊板无模 充液拉深课题，即对拼焊板成形提出了两方面改进：1 拼焊板无模充液拉深工艺；2 通过 液体介质对拼焊板施加压边力。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。在国内还没有任何拼焊板无模充液拉深的资料，所以本课题以被广泛研究的盒 形件为例，对拼焊板充液拉深过程做了理论分析和数值模拟。 本课题以软钢为材料，以两块板料尺寸分别为1 6 0 x1 6 0 r a m 和圆角半径为5 0 r a m ，板厚 为0 8 1 o m m 的激光拼焊板为研究对象，对方盒形件无模充液拉深技术做研究。对板料在 拉深过程中的受力做理论分析；分析和比较了传统拉深与无模充液拉深技术的差异；研究 了凹模型腔液体工作压力大小、预胀形压力大小和摩擦系数等一系列工艺参数对拼焊板成 形性的影响。 1 5 本课题研究内容及意义 拼焊板无模充液拉深目前在国内还没有被提及，所以本课题无论在科研方面还是在实 际生产方面都将具有重要意义。拼焊板无模充液拉深的提出为