（材料加工工程专业论文）纤维方向沿厚向分布的金属板拉深性能初步研究.pdf

摘要 摘要 纤维组织的存在，使金属材料力学性能具有明显的各向异性，对机械零件 的使用性能和加工工艺会产生不可忽视的影响。拉深效果受纤维组织取向的影 响非常明显，正确认识和利用材料的纤维方向，是材料加工工程需要研究的重 要问题之一。板料拉深变形中，重要的参数拉深系数就与纤维组织的方向性相 关。 本论文的主要工作有：设计制造了凹模直径为2 7 5 m m 带压边圈的拉深试验 模具；用q 2 3 5 钢和5 0 5 2 铝合金两种材料，制取了纤维方向在板面内与沿厚向 两种分布方式，范围为4 0 5 0 m m 共9 种直径的片状坯料，总数约2 0 0 片；参考 国家标准，采用直接试验的方法，在液压机上进行了无凸缘和有凸缘拉深试验， 获取了6 组实验数据。结果为：( 1 ) 无凸缘拉深时，q 2 3 5 钢纤维组织沿厚向分 布与纤维组织在板面内分布相比较，其最大拉深高度小了约2 5 ，而极限拉深 比约小1 0 。5 0 5 2 铝合金纤维组织沿厚向分布与纤维组织在板面内分布时的拉 深性能相当。( 2 ) 有凸缘拉深时，q 2 3 5 钢纤维组织沿厚向分布与纤维组织在板 面内分布相比较，最大相对高度h d 小了1 6 1 8 。5 0 5 2 铝合金纤维组织沿厚 向分布与对应的纤维组织在板面内分布相比较，最大相对高度h d 小了 1 6 1 8 。 本文首次获得了纤维方向沿厚向分布的极限拉深系数数据，并与q 2 3 5 钢片、 5 0 5 2 铝合金片纤维组织在板面内分布的资料数据进行了对比研究与分析，验证 了纤维组织方向与拉深凸耳的关系。研究表明，就极限拉深高度而言，纤维方 向沿厚向分布与纤维方向在板面内分布有明显差别。纤维组织沿厚向分布时拉 深性能差于在板面内分布时；材料纤维组织沿厚向分布时拉深难度更大；无凸 缘拉深时，与纤维组织在板面内分布的板料出现明显“凸耳”现象相比，纤维 组织沿厚向分布的板料零件的边缘未明显出现“凸耳”现象。 本研究得出的数据，初步定量回答了纤维方向沿厚向分布与在板面内分布 二者差别，丰富了金属板料拉深成形性能的内容，可为板料加工实践提供借鉴 和参考。 关键词：板料拉深；纤维方向；极限拉深高度；拉深最大相对高度；实验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x i s t e n c eo ff i b r o u st i s s u e ，t h em e t a lm a t e r i a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eh a s o b v i o u sa n i s o t r o p yo ft h eu s eo fm e c h a n i c a lp a r t s ，p r o p e r t i e sa n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yw i l lb ei g n o r e di n f l u e n c e d e e pd r a w i n gb yf i b r o u st i s s u eo r i e n t a t i o n e f f e c tc o l l o i d s ，c o n 鳅u n d e r s t a n d i n ga n du s i n gt h em a t e r i a lf i b e rd i r e c t i o n ，i s m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n gn e e dt os t u d yt h eo n eo fi m p o r t a n ti s s u e s s h e e t m e t a ld e 印d e f o r m a t i o n ，t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fd r a w i n gc o e f f i c i e n ta s s o c i a t e d w i t l lt h ed i r e c t i o n a l i t yo ft h ef i b r o u st i s s u e t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e s ：t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fd i e d i a m e t e r2 7 5 m m ，诹t l lab l a n kh o l d e rd r a w i n gt e s tm o l d ；u s e i n gt w om a t e r i a l ，q 2 3 5 s t e e la n d5 0 5 2a l u m i n u ma l l o y , p r o d u c i n gt h es h e e tb i l l e t 诵t ht h ed i r e c t i o no ff i b e r s i nt h ei n p l a n ea n da l o n gt h et h i c kd i s t r i b u t i o ni nt w ow a y s ，ar a n g eo f4 0 5 0 m m f r o mn i n ek i n d so fd i a m e t e r , at o t a lo fa b o u t2 0 0 r e f e r e n c et ot h en a t i o n a ls t a n d a r d ， u s i n gt h ed i r e c tm e t h o d ，i nh y d r a u l i cm a c h i n e sw a sc a r r i e do u tw i t h o u tf l a n g ea n dt h e f l a n g ed r a w i n gt e s t ，g e t6s e t so fe x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l ti s ：( 1 ) w i t h o u tf l a n g e d r a w i n g ，q 2 35s t e e lf i b e rt i s s u ea l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o no fd i s t r i b u t i o na n d f i b r o u st i s s u ei nt h ei n p l a n ed i s t r i b u t i o n sa r ec o m p a r e d ，t h em a x i m u md r a w i n g h e i g h ts m a la b o u t2 5 ，w h i l et h el i m i td r a w i n gr a t i os m a l l 10 5 0 5 2a l u m i n u m a l l o yf i b e rt i s s u ea l o n gt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n df i b r o u st i s s u e i nt h ei n - p l a n e d i s t r i b u t i o n ，t h ed r a w i n gp r o p e r t i e sa r eq u i t e ：( 2 ) w i t haf l a n g ed r a w i n g ，q 2 3 5s t e e l f i b e rt i s s u ea l o n gt h et h i c k n e s si nt h ep l a t es u r f a c et ot h ed i s t r i b u t i o no ft h ef i b r o u s t i s s u ed i s t r i b u t i o nc o m p a r e dt ot h em a x i m u mr e l a t i v eh e i g h th d16 - 18 s m a l l e r 5 0 5 2a l u m i n u ma l l o yf i b r o u st i s s u ea l o n gt h et h i c k n e s so ft h ef i b r o u st i s s u et ot h e d i s t r i b u t i o nw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gd i s t r i b u t i o ni nt h ep l a t es u r f a c e ，c o m p a r e dt ot h e m a x i m u mr e l a t i v eh e i g h th d16 一18 s m a l l e r t h i sf i r s t t i m ea c c e s st ot h ef i b e rd i r e c t i o na l o n gt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no f l i m i t d r a w i n gc o e f f i c i e n td a t a , a n dq 2 3 5s t e e l p l a t e ，5 ，0 5 2 a l u m i n u mp l a t e i n f o r m a t i o nf i b r o u s a n da n a l y s i s ，v e r i f y t i s s u ei ni n p l a n ed i s t r i b u t i o nd a t af o rt h ec o m p a r a t i v er e s e a r c h t h er e l a t i o n sb o t ho fd i r e c t i o no ff i b r o u st i s s u ea n dl u g s r e s e a r c h i i i a b s t r a c t s h o w st h a t ，o nl i m i td r a w i n gh e i g h t ，f i b e ro r i e n t a t i o na l o n gt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n a n df i b e ro r i e n t a t i o ni nt h ei n - p l a n ed i s t r i b u t i o nd i f f e r e n c e f i b r o u st i s s u ea l o n gt h e t h i c k n e s sd i r e c t i o nd i s t r i b u t i o n d r a w i n gp e r f o r m a n c e i s p o o r i nt h e i n - p l a n e d i s t r i b u t i o na l o n gt h et h i c k n e s so ff i b r o u st i s s u e ；m a t e r i a ld i s t r i b u t i o nd r a w i n gi s m o r ed i f f i c u l t ；w i t hn of l a n g ed r a w i n g ，a n df i b r o u st i s s u ei nt h ei n - p l a n ed i s t r i b u t i o n s h e e tm a r k e d ”l u g ”p h e n o m e n o n ，f i b r o u st i s s u ea l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n d i s t r i b u t i o ns h e e tt h ee d g e so fp a r t sw i t h o u ta p p a r e n t ”l u g ”p h e n o m e n o n t h ed a t af r o mt h i s s t u d v p r e l i m i n a r yq u a n t i t a t i v e a n s w e r st h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ef i b e rd i r e c t i o na l o n gt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n di nt h ep l a n e d i s t r i b u t i o n ，e n r i c ht h ec o n t e n to fs h e e tm e t a ld e e pd r a w i n gf o r m a b i l i t y , c a np r o v i d e r e f e r e n c ef o rs h e e tm e t a lp r o c e s s i n gp r a c t i c e k e y w o r d s ：s h e e tm e t a ld e e pd r a w i n g ；f i b e rd i r e c t i o n ；u l t i m a t et e n s i l ed e e ph e i g h t ； d r a w i n gm a x i m u m r e l a t i v eh e i g h t ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ； i v 第1 章概论 第1 章概论 1 1 拉深的定义与特点 拉深是指借助于设备的动力和模具直接作用，使金属板料外凸缘部分发生 切向压缩，径向伸长变形，成形为空心件的一种冲压成形工艺方法【1 1 。板料拉深 时的凸缘是变形部分，拉深件筒底部分未变形，起到传力作用，而板料拉深变 形的实质，就是在一拉一压的应力作用下，板料变为皿状零件的过程( 图1 1 ) 。 l c _ ) 拉潍戚堪 t c ) 拉搽蕊鹱瓣搁腿箍 袄辩 抽) | 盘壤对蓑孵盼照住鬣轴 圆一图 墨 c d 挣深件的罔捺壁纯 图1 1 拉深成形过程【5 】 拉深是冲压成形中最基本的工序，不仅可以加工旋转体零件，还可以加工 盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件。拉深工序应用相当广泛，可用于汽车、 电子、日用品、仪表、航空和航天等各种工业部门的产品生产中。 第1 章概论 拉深一般指变形后材料厚度基本不变的方式，有时称为不变薄拉深；还有 一种变薄拉深，与拉深前相比，零件的壁厚会有明显的变薄的变化，呈现底部 厚、侧壁薄的情况，通常在有特定要求才采用变薄拉深。在实际生产制造中， 不变薄拉深应用较广。 拉深的称呼较多，如拉延、压延、引伸与拉伸等，国外华人、港澳台出版 的书籍上还有拉杯、抽制及深压拉等称谓。欧美国家还习惯把拉深作为钣金成 形、冲压加工的总称。中国国家标准锻压术语( g b 8 5 4 1 ) 中称为拉深。 为分析拉深变形过程，现研究带压边圈的直壁圆筒形件的首次拉深情况， 如图1 2 所示为拉深过程中的某一时刻板料的受力变形变化情况。o l 、l 为板 料在板平面内的应力与应变；0 2 、2 为板料沿厚向的应力与应变；0 3 ，3 为板料 沿切向的应力与应变。 汀 菇! 图1 2 拉深过程中板料的受力变形示意【7 1 根据圆筒件各部位的受力和变形性质的不同，将变形板料分为5 个部分： ( 1 ) 平面凸缘部分 主要的变形在平面凸缘部分产生。拉深变形时，平面凸缘处材料被拉入凸 模与凹模之间的间隙，形成零件的直壁部分。这一部分变形材料承受的应力主 2 第1 章概论 要有0 3 和o l ，0 3 沿切向为压应力，o l 沿径向为拉应力，由压边力引起的压应力 眈作用在厚度方向。平面凸缘部分是二压一拉的三向应力状态。 ( 2 ) 凹模圆角部分 凹模圆角部分起到过渡凸缘和筒壁部分的作用。该部分材料的变形相对复 杂，受到径向拉应力o l 和切向压应力，厚度方向上还要受压应力作用。该部 分的状态是三向应变状态：主应变l ( 拉应变) ，压应变2 和3 。凹模圆角部 分厚度会变薄。 ( 3 ) 筒壁部分 平面凸缘部分材料持续拉入后形成。凸模的作用力通过筒壁部分传递给凸 缘变形区的材料，所以可称之为传力区。拉深过程中，筒壁部分切向应变3 为 零，0 2 也可视为零。o l 、0 3 均是拉应力，1 为拉应变，2 为压应变。因此筒壁部 分为平面状态的变形与应力。 ( 4 ) 凸模圆角部分 凸模圆角部分起到过渡筒壁和圆筒底部的作用。该部分材料承受拉应力0 1 、 压应力0 2 和切向拉应力0 3 。在这个部分稍上的位置，是拉深变形过程中的“危险 断面”位置。拉深开始时该处材料变薄，但材料变形的程度小，冷作硬化程度较 低，因此往往成为拉深件最薄弱的地方。 ( 5 ) 圆筒底部分 处于凸模下面的部分。由于凸模直接作用其上，筒底再传力给筒壁部分， 所以该部分也可称之为传力区。筒底部分在拉深过程中一直保持平面形状，如 同一个周边受均匀拉力的圆板。圆筒底的是三向应变和，拉应变l 和3 ，压应 变2 ，同时受两向拉应力g l 和0 3 作用。由于与凸模的摩擦使底部材料的流动受 到限制，圆筒底部分的变形只有1 3 ，可忽略不计。 1 2 材料纤维方向对拉深的影响 1 2 1 拉深件质量问题 拉深可把平的毛料改变成空。t b 的零件，或把空心件再次改变变形状和尺寸。 板料拉深变形的根本特征所致的拉深件质量问题，不能简单地从模具调整或注 意操作方面轻而易举地得到解决。这些特征质量问题【6 】有以下几方面： 3 第1 章概论 ( 1 ) 起皱与破裂：拉深时板料凸缘边上的材料产生皱折，板料起皱会会降 低拉深件的质量，同时使拉深力加大，若拉深力加大到一定程度，会导致拉深 件过早破裂。如果板料起皱严重，甚至会损坏模具或设备，因为即使是轻微的 起皱，虽然板料勉强挤过凹凸模间的间隙，仍会在零件的表面留下皱痕。 ( 2 ) 拉深凸耳：圆筒件拉深时在工件口端出现规律的高低不平现象，这就 是拉深凸耳。 ( 3 ) 弹复问题：回弹是板料在冲压成形过程中普遍现象。在浅拉深过程中 就有明显的回弹现象，如果回弹量超过允许的范围，就会形成缺陷，造成质量 问题，严重的造成冲压失败。厚向异性系数r 与回弹量成正比。 ( 4 ) 时效开裂：拉深件在冲压加工时，由于受到应力作用，金属组织内留 有残余应力之后，如果再受到撞击或震动，或者在存放了一段时间以后，残余 应力释放而导致零件破裂的现象。金属组织性能与残余应力是引起时效开裂的 主要原因。 因此，这些特征质量问题，有必要正确地认识、合理地分析、科学地控制， 加以消除。 1 2 2 材料纤维方向对拉深的影响 从拉深件质量问题中可以得出结论：拉深效果受纤维组织取向的影响非常 明显。 所谓纤维组织，是指金属锭料冷凝后，经过热变形加工，其内部的夹杂物 ( 如f e s 等，大多分布于晶界上) 和枝晶偏析沿金属的流动方向被拉长成连续 或断续的流线状的一种组织。在低倍显微镜下观察呈纤维状。 纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不 同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。 纤维组织对机械零件的使用性能和加工工艺产生不可忽视的影响。在机械 制造中，很多质量问题和和工艺技术问题与纤维组织有关，在生产实践中必须 注意正确利用材料的纤维方向。板料的机械性能与冲压成形性能有很紧密的关 系，可从不同角度反映板材的冲压成形性能。一般而言，板料的强度指标越高， 产生相同变形量的作用力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形 量就越大；刚度指标越高，成形时抵抗失稳起皱的能力就越大【7 1 。 4 第1 章概论 常规金属板的纤维方向在板平面内，沿轧制方向分布。由于纤维组织和形 变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显 高于垂直方向的。用有织构的板材冲制筒形零件时，即由于在不同方向上塑性 差别很大，零件的边缘出现“凸耳”( 图1 3 ) 。产生拉深凸耳的原因是板材轧制而 使其纤维组织具有方向性。 ( a )( b ) 图1 3 拉深制品的凸耳示意图 ( a ) 无凸耳；( b ) 有凸耳 总之，纤维组织的存在，使金属材料的平行纤维方向的强度、塑性及韧性 高于垂直纤维方向相应的性能，特别是塑性及韧性相差较大【9 】。 本文主要研究探索纤维方向沿厚度方向分布的金属板的拉深性能，在借鉴 分析软件模拟结果的同时，主要采用直接试验的方法，与纤维方向在板面内分 布的金属板的拉深性能进行比较，得出的数据，丰富金属板料拉深成形性能的 内容，为板料加工实践提供借鉴和参考。 1 3 选题意义与研究内容 本课题按导师思路提出，对纤维方向沿厚向分布的金属板的拉深性能进行 初步研究。 本课题的研究意义在于，首次通过实验研究，观察分析沿金属板厚度方向 分布的纤维组织在拉深变形时的变形行为和缺陷产生过程，得出相关数据，并 与常规金属板的拉深进行对比分析，初步探究其特殊性和规律性，丰富板料成 形性能研究内容。探讨和研究这些内容具有较大的理论价值。 本课题的研究对象是拉深工艺。研究内容是在了解拉深的发展历史和研究 现状的基础上，针对在拉深工艺中研究不够深入全面的地方开展有针对性的实 5 第1 章概论 验研究。通过实验室实验，得出相关数据，并与常规金属板的拉深进行对比分 析，探究纤维方向沿厚向分布的拉深性能。 具体内容有：选择q 2 3 5 钢与5 0 5 2 铝合金两种材料，实验分析纤维方向沿 厚度方向分布对金属板料拉深性能的影响。分析板料如何变形、出现哪些缺陷、 拉深系数等，与常规板数据对比。 6 第2 章拉深性能研究现状和发展趋势 第2 章拉深性能研究现状和发展趋势 2 1纤维组织方向影响的研究9 1 0 1 纤维组织影响拉深成形性能有以下几方面： 2 1 1 厚向异性系数r 由于板料在轧制时出现的纤维组织等原因，板料的塑性会因方向不同出现 差异。厚向异性系数r 是指板料试样单向拉伸时，真实宽度应变与真实厚度应变 之比( 又称塑性应变比) ，即 ，：垒：h l b b o ( 2 1 ) s ，i n t t o 、7 式中，b o ，b ，t o 与t 分别为变形前后试样的宽度与厚度。一般规定r 值按延 伸率为2 0 时试样测量的结果进行计算。 图2 1 拉深试验的三向应变示意 0 r 值的大小反映平面方向和厚度方向变形难易程度的比较，r 值愈大，则板 平面方向上愈容易变形，而厚度方向上较难变形，这对拉深成形是很有利的。 对于曲面零件，在进行拉深成形时，由于板料的中间部分直接作用在拉应力下， 因此板材在沿厚度方向上变形会较困难，与此同时，在与拉应力相垂直的方向 上的压缩变形就会比较容易，导致板料中间部分不易起皱，有利于顺利进行拉 深和提高工件的质量：同样，在用r 值大的板料进行筒形件拉深时，筒壁在拉 应力作用下不易变薄，不易拉破，而凸缘区的切向压缩变形容易，起皱趋势降 低，压料力减小，反过来又使筒壁拉应力减小，使筒形件的拉深极限变形程度 增大。 7 第2 章拉深性能研究现状和发展趋势 冲压加工所用板料，都是经过轧制的材料。因纤维组织的影响，其纵向与 横向上性能有明显差异，在不同方向上r 值也不相同，因此通常取其平均值。 = 华 ( 2 2 ) 式中，r o ，r 9 0 ，1 4 5 分别为板料在纵向、横向和4 5 。方向上的厚向异性系数。 图2 2 板平面各向异性系数测定 2 1 2 板平面各向异性系数 板料经轧制后其机械、物理性能在板平面内出现各向异性，称为板平面方 向性。方向性越明显，对冲压成形性能的影响就越大。例如弯曲，当弯曲件的 折弯线与板料的纤维方向垂直时，允许的极限变形程度就越大，而折弯线平行 于纤维方向时，允许的极限变形程度就小，方向性越明显，降低量越大。又如 筒形拉深件中，由于板平面方向性使拉深件口部不齐，出现“凸耳”，方向性越 明显，则“凸耳”的高度越大。 板平面方向性主要表现为机械性能在板面内不同方向上的差别，但在表示 板材机械性能的各项指标中，板厚方向性系数对冲压性能的影响比较明显，故 板平面方向性的大小一般用厚向异性系数r 在几个方向上( 图2 2 ) 的平均差值 r 来衡量，规定为 ，：尘堕也 ( 2 3 1 2 、。 8 第2 章拉深性能研究现状和发展趋势 2 1 工0 0 时，凸耳出现在o 。和9 0 。方向；当a r 1 ，说明板料内部纤维组织在沿平面方向较沿厚度方向更容易变形，也即 1 0 第2 章拉深性能研究现状和发展趋势 是板料不容易变薄。金属板料的r 值和金属板料的晶粒的择优取向相关，实质上 r 值就是板料各向异性的一个量度。 对板材冲压拉深成形性能的要求如下【1 4 j ： 为了有利于冲压变形和制件质量的提高，材料应具有良好的冲压拉深成形 性能。而冲压拉深成形性能与材料的机械性能密切相关，影响极限拉深系数的 因素有：材料的性能、板料的相对厚度，拉深工艺，拉深的变形程度大小等。 通常要求材料应具有：高塑性、屈服极限低，板厚方向性系数大，板平面方向 性系数小，弹性模量高，板料的屈强比g 。0 b 小。 由于纤维组织的存在对金属的力学性能有影响，特别是影响到材料的冲击 韧度，因此在实际设计和制造零件时，应尽量满足以下两条： ( 1 ) 零件工作所受到的正应力方向尽量与板料纤维组织方向应一致，而切 应力方向尽量与板料纤维组织方向垂直。 ( 2 ) 板料纤维组织的分布尽量做到与零件的外形轮廓相符合，避免板料纤 维设计成断开方式。 从上面的推断来看，纤维组织沿厚向( 沿受力方向) 分布的材料显然在拉 深成形性能等方面和纵向和横向( 纤维组织沿受力垂直方向) 是不同的，对极 限拉深系数的影响也是不同的。所以有必要进行深入的研究。 2 3 拉深技术的发展【1 5 l 当前，由于高新技术的应用，传统成形技术得到了改造，先进成形技术得 到了快速成长。而拉深成形技术也将向着科学化、数字化、可控化方向发展。 要得到一个优质的拉深成形产品，就应当能对零件拉深成形全过程及相关 的各项要求都可控制，才能保证质量、成本、效益等等；而要达到拉深成形可 控制程度至全局高度，需要科学的技术及数字化的手段，从产品设计开始，就 要对产品零件的可成形性、性能要求做出分析评估与优化，并一步一步伴随至 产品完成。数值模拟技术、人工智能技术、柔性制造技术在拉深成形中的使用 与发展，可很好地完成这一任务。未来，拉深成形产品既有单一品种大批量的 生产，也更多的将有小批量、多品种的生产要求，加上市场的快速变化，都需 要冲压成形技术具有更大的灵活性和柔性，而复合化成形技术的发展，将有助 于解决这一问题。 第3 章拉深成形的研究方法 第3 章拉深成形的研究方法 3 1 拉深试验方法 目前将板料冲压性能试验方法三种：力学试验、金属学试验以及工艺试验。 力学试验、金属学试验又称间接试验，工艺试验又称直接试验。力学试验用来 测定板料的力学性能指标，有简单拉伸与双向拉伸等；金属学试验用来测定金 属材料的化学成分、结晶方位与晶粒度、硬度、表面粗糙度等；工艺试验又称 模拟试验，它是用模拟实际的生产工艺的方法测量出相应的工艺参数。例如s w i f t 的拉深试验方法用来检测l d r ( 极限拉深比) ；锥杯试验方法用来检测c c v 值 ( 板料冲压性能) 等等。 具体而言有以下几种方法。 3 1 1 工艺实验法1 2 1 】 工艺实验法基本过程是：首先根据实验目的进行工艺设计，然后在工艺设 计的基础上设计并j hr , j j 造出模具，并用生产用实际坯料材料来进行实验，然 后根据实际情况，检验所要求的变形能否达到零件的设计要求，如果不能，则 需反复试验直至达到要求为止。另外，根据实验目的的不同，实验过程不尽相 同。该方法的优点是所得结果准确可靠，缺点是成本较高，且实验周期较长。 通常，工艺实验法是一种比较重要的研究方法，经常在科学研究工作中采 用，并且这种方法常用来检验其他方法所得结果是否合理。例如，对于拉深工 艺的研究，可以用工艺实验法来先行进行理论方面的研究，像板料展开设计计 算、拉深模具设计制造中的各种经验参数、拉深过程中应力应变的分析以及拉 深力的计算等等问题都可以通过工艺实验法来进行分析研究。 3 1 2 理论计算与分析法2 1 1 理论计算是塑性力学解析的最精确方法。这种方法是将平衡微分方程和塑 性条件进行联解，以求出物体塑性变形时的应力分布和变状态，进而求出变形 力。 1 2 第3 章拉深成形的研究方法 3 1 3 数值模拟法【2 1 】 在工程技术领域内，对于力学问题或其他场问题，已经得到了基本微分方 程和相应的边界条件。复杂工程问题的求解必须采用数值方法。 有限元法是一种新的现代数值方法。它将连续的求解域离散为有限个单元 组成的组合体。这样的组合体能用来模拟和逼近求解域。 板料成形有限元分析技术起源于2 0 世纪7 0 年代初期，由于计算机的发展， 使有限元分析技术计算功能更加强大，应用范围也得以不断扩大，有了飞速的 发展，现己应用于复杂三维板材成形的过程分析，包括分析成形缺陷，如常常 难以准确分析的破裂、起皱和回弹。不仅在模具设计阶段，在分析和解决实际 产品生产中出现的质量问题上，也得到了应用。板料成形有限元模拟技术是一 门综合了数值方法、力学、材料科学、计算机技术及塑性加工技术等多种学科 的技术，是当今模具的前沿技术之一。和国内软件刚刚起步相比，国外的板料 成形模拟软件已经进入了工程实用的阶段，获得较为广泛的应用，并且具有了 较大的经济效益。目前，较好的专业的板金成形数值模拟软件有o p t r i s 、 e t a d y n a f o r m 和s t a m p a c k & a c i r c 三种软件。这三种软件都是专为板金成形 数值模拟开发的软件，同时也是面向生产实际的板金成形仿真系统，具有强大 的操作功能，且易于掌握和操作。 近几年来，我国在板料成形有限元分析技术领域也开始起步，一些院校如 北京理工大学、北京航空航天大学等及部分企业如一汽集团、等也进行了这方 面的实际应用研究。 3 1 4 优化设计方法1 2 副 随着计算机科学技术的发展和应用，2 0 世纪5 0 年代发展起来的以线性规划 与非线性规划为主要内容的新的数学分支数学规划被应用于解决工程计问 题，形成了工程设计的新理论和新方法，即工程优化设计理论与方法。工程优 化设计研究与实践的不断深入，使传统的工程设计方法发生了根本性的变革， 从而把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变文为科学的、理性的、立足 于计算分析的设计方法。特别是近年来，随着有限元法、可靠性设计、计算机 辅助设计的理论与方法的发展及与优化设计方法的结合应用，使整个工程设计 过程逐步向自动化、集成化、智能化发展，其前景是令人鼓舞的。 1 3 第3 章拉深成形的研究方法 3 2 本文研究方法 目前国家相应的标准是g b t1 5 8 2 5 3 ( 金属薄板成形性能与试验方法拉深 与拉深载荷试验) 【2 3 1 ，标准规定了以极限拉深比为标志的金属薄板拉深成形试 验方法，即拉深试验与拉深载荷试验两种方法。适用于厚度0 4 5 2 5 0 m m 的金 属薄板。将试样压置于凹模与压边圈之间，通过凸模对其进行拉深成形。试验 需要采用不同的直径的试样，并按照逐级增大直径的操作程序进行拉深试验， 以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径 ( d o ) m 默，试验结束后用( d o ) m 驭计算极限拉深比l d r 。 本文主要采用工艺实验法，得出实验数据后进行理论分析与研究。 由于板料成形有限元分析技术对纤维组织沿厚向分布的材料没有设定，数 值模拟有困难。如常用的d y n a f o r m 软件，但该软件中板料并无纤维组织沿 厚向分布的材料，因此只能借用其板料纤维组织在面内分布的材料的分析结果 与纤维组织沿厚向分布的材料的实验结果进行比较分析。 首先，常用极限拉深l l , ( l i m i td r a w i n gr a t i o ，简称l d r ) 来研究拉深极限。 l d r 是指：拉深坯料无破裂而能全部拉入的最大毛坯直径d 与凸模直径d 之比， 即l d i pd d 。在参考国家标准g b t1 5 8 2 5 3 ( 金属薄板成形性能与试验方法拉 深与拉深载荷试验) 的基础上，设计制造模具，制备相应的材料进行实验，测 定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径( d o ) m 戤， 试验结束后用( d o ) m 舣计算极限拉深比l d r 后，进行材料拉深性能的分析研究。 其次，极限拉深比的确在某种程度上反映了拉深性能，但从其定义中我们 即可看出，它是以坯料完全拉入为前提的，而在不一定需要完全拉入的情况下， 对拉深极限的判断就显得无能为力了。另一方面，极限拉深比只对某些形状规 则的零件适用，对于不规则零件无法定义其极限拉深比。 而拉深极限高度( h m 强) 这个衡量标准避开了“完全拉入”的限制，并对任何 形状的零件均适用，因此应用范围也更加广泛。不过影响l d r 的因素，也同样 影响着拉深极限高度。材料性能、毛坯尺寸、凸模尺寸、凹凸模圆角半径、模 具间隙、压边力和摩擦几个方面都是拉深极限高度的影响因素。 例如材料性能中具有代表性的厚向异性系数r 。r 值随板的方向( 和轧制方向 形成的角度) 不同而异，通常用r o 、r 4 5 、r 9 0 三个方向的r 值来评价。所以还将进 行实验，测试得到纤维组织沿厚向分布的金属板的拉深极限高度( h m 戤) ，计算出 首次拉深最大相对高度h m d ，并与纤维组织在板面内分布的性能进行比较。 1 4 第3 章拉深成形的研究方法 为全面分析纤维组织沿厚向分布的金属板的拉深性能，进行拉深实验时， 拟定为无凸缘圆筒形件拉深实验与带凸缘圆筒形件拉深实验，因为圆筒形零件 是最典型的拉深件，掌握了它的拉深工艺性能后，其它零件的拉深工艺性能可 以借鉴其计算方法。 有凸缘筒形件的拉深变形原理与无凸缘圆筒形件是相同的，但由于带有凸 缘，其拉深方法及计算方法与无凸缘圆筒形件有一定的差别。区别在于前者将 毛坯拉深至某一时刻，达到了零件所要求的凸缘直径d t 时拉深结束；而不是将 凸缘变形区的材料全部拉入凹模内。所以，从变形区的应力和应变状态看两者 是相同的。 根据凸缘的相对直径d t d 比值的不同，带有凸缘简形件可分为窄凸缘筒形件 ( d t d = 1 1 1 4 ) 和宽凸缘筒形件( d t d 1 4 ) 。 窄凸缘件拉深时的工艺计算完全按一般圆筒形零件的计算方法；在拉深宽 凸缘圆筒形件时，由于凸缘材料并没有被全部拉入凹模，因此同无凸缘圆筒形 件相比，宽凸缘圆筒形件拉深具有自己的特点： 宽凸缘件的拉深变形程度不能仅用拉深系数的大小来衡量； 宽凸缘件的首次极限拉深系数比圆筒件要小； 宽凸缘件的首次极限拉深系数值与零件的相对凸缘直径d 柑有关。 1 5 第4 章厚向拉深试验研究基础 第4 章厚向拉深试验研究基础 4 1引言 工艺试验已经是众多学者们在研究中不可或缺的重要手段之一。理论的结 果加上数值模拟的分析，需要实践验证才能更加可靠。因此，必须通过试验获 得直观的数据，对试验数据加以分析，并用它来检验和评价理论分析结果及模 拟结果的优劣。总结出实际加工情况的规律，从而丰富金属塑性加工理论。 目前已有基于有限元数值模拟方法，对金属材料纤维在板面内分布的拉深 工艺进行了一定程度的分析，获得了最大拉深高度及极限拉深系数l d r 等数据； 也有对金属材料纤维在板面内分布、沿厚向分布的拉伸试验。这些数据由于条 件的不同只能提供参考，作为分析比较的基础数据，所以实验研究仍是关键。 4 2 板料纤维在板面内分布和厚向拉伸性能对比 在文献 3 6 】中，描述了在微机控制的型号为c m t 5 1 0 5 0 的电子万能试验机上 进行q 2 3 5 钢拉伸性能实验的结果，试验机白带记录的纤维厚向分布拉伸曲线、 纤维在板面内分布拉伸曲线、厚向纵向曲线对比如图4 1 ，得出了表4 1 的厚向 及在板面内分布拉伸实验数据对照表。 图4 1厚向纵向曲线对比【3 6 】 1 6 第4 章厚向拉深试验研究基础 从这些实验数据可以看出，金属材料纤维组织沿厚向分布和纤维组织在板 面内分布的塑性性能存在明显的差别。 表4 1q 2 3 5 钢厚向及在板面内分布拉伸实验数据对照表【3 6 】 4 3 厚向拉深试验准备 4 3 1 试样的工艺设计与制备 考虑材料的获得方式与代表性，本研究选取两种常见的金属材料：q 2 3 5 a 与5 0 5 2 铝合金。 尽管与0 8 钢相比塑性稍差，但q 2 3 5 a 钢综合性能比较好，焊接性好，使 用广泛。0 2 3 5 - a 钢的抗拉强度在3 7 5 - - 5 0 0 m p a 之间，屈服强度为2 3 5 m p a 左 右，延伸率在2 1 - 2 6 之间( 与材质的厚度或直径有关) 。q 2 3 5 钢延伸率较小， 且屈服强度比较大( 2 3 5 4 6 1 = 0 5 5 ) ，同0 8 钢( 延伸率3 2 ，屈服强度比为o 3 8 ) 相比，拉深性能较差。 5 0 5 2 铝合金中主要添加的微量元素为镁，含镁量在3 5 之间。又可以称 为铝镁合金。主要特点为密度低，抗拉强度高，与同类材质相比延伸率高。其 抗拉强度为17 5 m p a ，屈服强度为1 9 5 m p a 左右，延伸率为1 2 左右。 根据试验的用途及研究要求，实验用材料制备为板料，板厚度为lm m ，毛 坯直径为5 0 m m 。由于预设t = l m m ，d = 5 0 ，对于拉深性能较好的材料，如0 8 钢 1 7 第4 章厚向拉深试验研究基础 等，m 选0 4 8 - 0 5 0 ，对于拉深性能较差的q 2 3 5 钢及硬铝，m 可选大一点，本 文选m = o 5 3 ，则d 1 = 2 6 5 m m 。 为了研究探讨，毛坯直径按一定的尺寸变化，从0 5 0 开始，依次递减1 2 5 m m ， 至0 4 0 ，共有9 种直径。为得到所要求的纤维组织沿厚向分布的板料，决定从圆 棒料上线切割得到板料，线切割方案见图4 2 ，这样得到的板再打磨平，保证了 材料厚度均匀与表面粗糙度。 纤维组织沿厚向分布的板料见图4 3 a 。为进行比较与分析，同样，在同一棒 料上，再用线切割得到纤维组织在板面内分布的板料，见图4 5 b ；并且同时用 q 2 3 5 金属板制备了实验用材料( 纤维方向在板面内分布) ，见图4 5 c 。 线割方向 ( a ) 第一次线；l ? 取圆棒 i 一l 一一一l 1 、。一o 。 。1 一 二卜_ - d 1 - 一 ( b ) 图4 2用圆棒线切割板料纤维组织沿厚向( a ) 、在板面内分布( b ) 的方案 1 8 第4 章厚向拉深试验研究基础 ( a )( b ) ( d ) 图4 3 用线切割方法自圆棒上截取的纤维方向沿厚向分布的金属片 ( a ) 纤维组织沿厚向分布的q 2 3 5 钢片； ( c ) 纤维组织在板面内分布的铝合金片； 4 3 2 拉深方案的确定 ( b ) 纤维组织沿厚向分布的铝合金片； ( d ) 纤维方向在板面内分布的q 2 3 5 钢片 从经济性、技术性和实用性等方面考虑，试验尽量选择简单实用的拉深模 具，采用简易可行的实验方案。 国家标准g b t1 5 8 2 5 3 ( 金属薄板成形性能与试验方法拉深与拉深载荷试 验) ，规定了金属薄板拉深成形试验方法是以极限拉深比为实验结果标准，并 规定了拉深试验与拉深载荷试验两种方法。实验中采用厚度为0 4 5 - - - 2 5 0 m m 的 金属薄板，实验时，试样先放置于凹模与压边圈之间，起动模具压边，通过凸 模的运动，对试样进行拉深成形。 1 9 第4 章厚向拉深试验研究基础 根据上述国家关于拉深试验的标准资料，本拉深试验实验选取带压边装置 的单工序拉深模，采取倒装拉深方式。 第一种实验：无凸缘拉深，采用不同的直径的试样，并按照逐级增大直径 的操作程序进行拉深试验，以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时 允许使用的最大试样直径( d 0 ) m 觚，试验结束后用( d 0 ) m 默计算极限拉深比l d r 。 第二种实验：有凸缘拉深，因为当拉深材料一定，工件相对直径叭一定， 使最大单位拉深力等于失稳强度的相对凸缘直径d f d 及初始毛坯尺寸d 是唯一 的。当相对凸缘直径等于或小于该值，其极限拉深系数与圆筒件相同。实验中， 获取最大拉深高度h m 缸，再计算拉深最大相对高度h m 戤d 。 以上结果均与材料纤维方向在板面内分布时的数值相比较。 4 3 3 拉深模具 设计的拉深实验模具见图4 4 。 图4 4 拉深实验模具结构示意图 1 、凹模固定板2 、凹模3 、卸料板4 、凸模5 、凸模座板 6 、凸模座板7 、螺栓导柱8 、弹簧9 、压料板 模具设计时考虑材料强度，采用倒装法，凹模在上，凸模在下。由于考虑 获取材料方便，坯料直径从5 0 开始，设计拉深系数为m = 0 5 3 ，凹模直径为 2 0 第4 章厚向拉深试验研究基础 2 7 5 m m ，取单边间隙1 i m m ，凸模直径为2 5 3 m m ；拉深模的凸模圆角与凹模圆 角对拉深成形有较大影响，根据相关公式与经验选凸模