（机械设计及理论专业论文）变薄拉深铝罐的力学及摩擦润滑行为研究.pdf

摘要 本文对变薄拉深铝罐的力学和加工中的摩擦润滑行为进行了较 系统的理论上的研究。详细分析了应力应变和后拉力效应，确定了 变形特征。利用简便方法推导了最大变薄率的计算公式。在拉深力 求解方面，利用逐次单元分析法近似考虑加工硬化，利用在变形区 建立连续速度场，建立了上限解的模型，提高了计算精度。在变薄 拉深摩擦润滑这一国内空白领域，利用滑移线场理论，初步分析探 讨了变形区中的摩擦性质和类型、摩擦力及摩擦系数。借鉴拉拔研 究中的对开凹模方法，推导了求变薄拉深中摩擦系数的公式。考虑 实际加工中的环境特征影响，建立了变形区油膜厚度的计算模型。 通过以上研究，为工模具的优化设计和工艺润滑剂的开发提供了一 些有意义的理论依据。 关键词逐次单元分析法变薄拉深滑移线场 t nt h i sp a p e r as y s m m a t i cs t u d y t h et h e o r yo ft e c h n o l o g yi n d u d e d 髓c t i o n 衄dl u b r i c a t i o ni nb 锄【j 妪p r o c e s sw a sg i v e n s t r e s s 日d ds t r a i n a n d b a c kp u l le f f e c t 压t ea n a l y z e d b yas i m p l ea n dc c m v e n i e n t l e a 璐d e r i c a t e d c a l c u l a t ef o m m l a t k mf o rm a x k r s a mi m a i n gp m p o r t i a a 1 h ei 工衄姬踟ec u p w a l lf o r c ej s 蜘r e do u tw i t ht h es u c c e s s i v ee l e m e n tm e t h o d ( s 刚) a n da c o n t i i l u o l bv e l o c i t yf i e l dj se s t a b l i s h e da n da i lu p p e r b o u n da i m l y t i c a ls o l u - t i o ni so b t a i n e d 。t a k i n gw o r k h a r d e a h l gc a p a c i t yi n t oa e o u n t f r i c t i o na n d 1 u b r i c a t i o ni ni i 唧1 魄p r o c e s si nah l t e m a lb l a n ds p o t ，i nd i sa r i d eu s i n gs l i p 一1 h ef i e l dt h e o r ya n a l y s e da n di n q u i r e dt o 妇f r i c t i o n a lc h a r a c t e ra n dc a t e g d - r ya n df r i c t i c nc e f f i c i e n ti ns l i d i n gm e t a l l i cc c c i t a c tf o r c ea r e a ap r e c i s ef o r - m u l ah a sb e e ne s t a b l i s e df o rc a l u l i t t i n gt h el u b r i c a n tf i l mt h i c k n e s s ，t a k eh e a t e f f e c ti n t oa c c o u n t b a s e do i lal a r g eo fd a t e d i s s c u s s 。dt h e1 u b r i c a n t sa f f e c t t ot i n n i n gp s o c e s s a nt h i ss t u d i e sp r o v i d e df a v o n r a b l ec o i x t i t i o n sf o rd i eo p t - i n u md e s g aa n dl u h r i c a n c sp r e p a r i n g k e yw o r d s s u c c e s s i v ed e m e n tm e t l x di 瑚i n gs l i p l i n e 第一章文献综述 第一节变薄拉深加工技术概述 使拉深加工、冷锻加工成形的带底容器或管材等侧壁厚度减薄的加工方 法，称为变薄拉深加工，是一种传统的板金属成形工艺，属金属塑性加工中冲 压加工技术类。 变薄拉深加工分为同时变薄拉深和单独变薄拉深两种| l “。同时变薄拉深 加工如图1 一l ( a ) 所示，是在加工坯料时，先把问隙( c 州) ) 调至小于板厚 ( t o ) ，在拉深加工过程中同时进行变薄加工的方法。单独变薄拉深加工如图1 1 ( b ) 所示，是对一次拉深加工成形的杯形件，再通过负间隙凸凹模的拉挤， 成形为厚度减薄、长度增长而其内径不变的空心杯。 ( a ) 同时变薄拉深( b ) 单独变薄拉深 图l l 变薄拉深加工法 变薄拉深d l i - r 用模具，分为圆弧模和圆锥模两种。同时变薄拉深力u 上常用 圆锥模，单独变薄拉深加工则两种模具都适用。 进行变薄拉深加工时，用减薄率r 表示其变形的程度。r 值由下式算 出： r ：( 尘) 1 0 0 ：( 1 一) 1 0 0 ( 1 1 ) t o i 式中t o 一加工前的板材厚度 h 一加工后的板材厚度 变薄拉深加工与拉深加工一样，一次能够减薄的量是有限的，其最大值称 为临界减薄率。实际减薄率对拉深加工的板材而言，最大为2 5 3 5 。当大 于此值的减薄率迸行变薄拉深时，不能一次成形，而需要分成数次拉深。 单独变薄拉深分为单模变薄拉深和多模( 双模或双模以上) 变薄拉深两种。 本论文只研究单独变薄拉深。 单模变薄拉深的最大变形程度达到壁厚变薄比0 4 0 5 。当需要更大变 形程度时则用多模变薄拉深或多道次的单模拉深，从而需增加中问退火、酸洗 和润滑工字。也就是说，分次变薄拉深加工有两种方法：是分成不同工序， 依次进行变薄拉深加工；另一是如图1 2 所示，把若干内径依次减小的凹模 排列成复式拉深模，一个冲程即完成整个变薄拉深过程，需要冲压机行程足够 长，并需要较复杂的模具结构。 隅板 勒紧用圆环 图1 2 复式变薄拉深加工用模具 制造罐工业中，常将杯形毛坯的制造工序同后面的变薄拉深工序连在一 起，先用不需压边的锥形轨迹凹模拉深出杯形毛坯。紧接着，通过连串的有 阶梯尺寸的变薄凹模拉深出薄壁长筒厚度的零件。这种成形方式称“d i ”成形 法( d r a w i n ga n di r o n i n g ) ，如图1 3 所示。铝合金易拉罐的罐体就是靠d i 加工 制造的，是变薄拉深加工的典型产品，敝在国外常称其d i 罐。罔1 4 所示为 d i 罐成形加工流程图。 在d i 成形中，惯用边缘面积收缩率雪来表示其变形程度【13 | 。其定义为： 西+ ：登崾甄煞熹驴豳。1 0 0 ( 1 2 ) 一 毛料周边面积 “ 一 图1 3d i 成形法的过程 ( a ) 毛料( b ) 拉深件( c ) 变薄拉深件 若圆毛坯的直径为d ，厚度为t o ；制成杯件的长为1 ， d ，参照图1 3 所示。由变形前后体积不变得： 詈d 2 b = d 2 t o + d i t 所以t o = 4 1 z l t ( d 2 一d 2 ) 令r = o d ( r 为拉深成形的拉深比) 代入上式得 1 3 3 ： t ；4 1 t d ( r 2 1 ) 则 o = ( 1 一志) 1 0 0 或 圣= ( 1 一驾) 1 0 0 壁厚为t ，直径为 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 缘j 自信卷 圈厂磊酮 符丘端 畏讳 o ? 一 ：，压翱轼 山剀渺剪姻 d口斌子 菲拉鹋靖荆 i l 蕊 图l 一4d i 罐成形n - r 流程图 第二节国内外变薄拉深铝罐技术发展概况 变薄拉深加工，可以通过坯料的轻度减薄，使容器壁厚均匀，表面具有光 泽，并能同时保证制出的零件具有稳定的、较高的尺寸精度。通过变薄拉深还 能改善材料的机械性能：其深度减薄，则可使容器侧壁加工硬化，同时在轴向 充分延伸，从而制造出重量轻、强度高、深度大的产品。 早在2 0 0 年以前，人们已经能够利用变薄拉深技术制造枪炮了弹壳，后来 发展到高压气瓶、热交换器的散热片及各种薄壁管等机电产品的制造上。本世 纪六七十年代以来，更广泛应用于轻工业，如装饮料用的二片罐，自来水笔的 金属杆帽以及各种薄壁容器等。八十年代以来，国外已把变薄拉深加工技术应 用副电子光学元器件的制造上，如复印机光学磁鼓和光学磁盘。 铝易拉罐全称易开盖全铝二片罐，是由罐体和盖( e o e ) 两部分构成的，罐 体是罐底与罐壁成一体组成的，所以也叫二片罐( 区别于胶接、锡焊的三片 罐) 。铝易罐与其他容器相比有许多优点：密封性好，保鲜、不透光、不透气 ( 特别适于盛啤酒、碳酸饮料类) ，外形美观且印刷效果好，开启方便，不生 锈、重量轻、强度持久、损耗率低、便于携带，且可回收利用，节约能源。故 在国外，它与塑料、玻璃和马口铁的饮料瓶( 罐) 的销售竞争中早已居首位，成 为风靡世界的饮料包装容器。现代化的d i 罐生产线是在电子计算机控制下进 行的，制罐速度很高，每分钟可生产4 0 0 一1 6 0 0 个罐体，故适应于现代工业的 大批量、低成本要求。 铝d l 罐生产技术是1 9 6 4 年首先由美国人发明的。自问世以来，其发展速 度令人惊叹。1 9 7 0 年，美国生产铝d i 罐3 0 亿个；1 9 8 0 年达4 0 0 亿个；j 9 8 4 年 产6 0 0 4 l 个；到1 9 8 7 年已突破7 0 0 亿个。19 6 4 19 8 4 年的年平均增长率为 1 8 6 。日本的易拉罐生产线，是1 9 7 1 年开始从美国引进的，当年的销售量 是0 3 3 亿个；1 9 8 0 年达2 6 亿个；1 9 8 7 年已达到5 2 亿个。1 9 7 1 1 9 8 1 年的年 平均增长率为5 4 7 6 。我国自1 9 8 4 年开始先后从美、日、意大利等国引进生 产线，到1 9 8 9 年已有1 3 条生产线，设计能力年产达2 4 亿个。到1 9 9 6 年已达 到3 2 条生产线，设计能力达年产1 1 5 亿个。据1 9 9 1 年统计，全世界已有全铝 二片罐生产线3 5 0 条，其中美日两国就有2 6 5 条。全世界铝罐的需求量每年约 递增1 0 。到2 0 0 0 年，全世界软饮料的8 5 将采用全铝易拉罐包装。1 9 9 3 年，全球全铝易拉罐产量超过1 4 0 0 亿个，据预测2 0 0 0 年，全世界产量可达 2 4 0 0f l 个h 9 1 。 近3 0 年来，易拉罐之所以能在国内外获得如此迅猛的发展，除易拉罐本 身具有一系列优点外，主要是因为铝薄板技术和制罐技术的进步。 目前我国生产铝d i 罐所用铝特薄板材主要依靠进口，尽快技术国产化是 一个课题。我国九十年代初原有1 3 条铝罐生产线，设计能力年产2 4 亿个。因 市场需求限制及原材料供应困难，1 9 8 9 年我国仅生产6 亿个铝罐，其他靠从国 外进口8 2 8 亿只空铝d i 罐，1 9 9 3 年生产1 3 亿个，进口空罐7 亿个，花掉了 大量外汇。按我国原有罐生产能力2 2 亿个计算，每年需要进口特薄板材约5 6 万吨，需外汇近1 3 1 6 亿美元。我国重点铝加工与有关制罐厂，先后进 行了不同程度的研制开发。板材的质量关键在于保证有良好的冲罐工艺性，即 保证在正常生产中能连续冲刺。影响不能连续冲刺的主要原因是变薄拉深引起 的断罐。因此，我国在对现代变薄拉深技术掌握上是个有待发展的课题j 。 而我国目前的制罐生产线上易耗的冲头、再拉深模、变薄拉深模甚至冲杯 和变薄拉深用的润滑剂也依靠进口。若按原来1 3 条铝d i 罐生产线粗略计算， 大约每年需冲头2 0 0 0 多个，再拉深模约6 5 0 个，变薄拉深模约2 5 0 0 个，如果 全部依赖进口，势必每年花掉大量外汇。为了节约外汇，增加工厂效益，当务 之急是尽快实现模具国产化。为了解决模具国产化问题有色金属工业总公司组 织株洲硬质合金厂、青岛铝加工厂及漳州铝容器有限公司联合研制，已取得初 步成果。研制的模具用w 。m o c r 4 v 合金工具钢作冲头，g 1 0 埂质合金作再拉深 模及变薄拉深模。尽量保证变薄拉深机连续工作不断罐；模具外观、尺寸公差 符合要求，模具使用寿命接近进口产品， 第三节铝d i 罐的生产工艺及特点简介 1 9 9 5 年，美国凯萨公司开始把瑞士的j a k o bk e l l e r 开发的方法应用于铝罐 的制造方面。这种方法是从子弹弹壳的制造方法得到启示的。但真正实际应用 这种方法是1 9 6 4 年美国雷诺公司实现的。恰巧，1 9 6 3 年阿尔考公司已实现了 铝易拉盖( e o e ) 的商品化，因此铝d i 罐才真正开始出现了m j 。 易拉罐一般选用3 0 0 4 一h 1 9 、5 0 5 2 一h 1 9 ( 或用5 0 8 2 一h 1 9 、5 1 8 2 一h 1 9 ) 、 5 0 8 2 一h 1 9 ( 或5 1 8 2 一h 1 9 、5 0 4 2 一h 5 1 ) 铝合金分别作罐体、罐盖、拉环材料。 所用的铝材选铝合金，是由于在变薄拉深加工时其本身就起固体润滑剂的 作用，即使极度的延伸加工，也可以防止模具和毛料问的粘连，因此可进行良 好的成型。 由于易拉罐的罐体、罐盖及拉环使用三种不同合金，给制罐及底罐的回收 带来极大不便，故将d l 罐所用三种合金属为一种合金也是一项待解决的问题。 九十年代初，美国的铝罐回收再利用率为5 5 ，日本也达到4 1 2 。目前， 美国阿尔考公司已经开发了分离回收的废铝罐合金的生产工艺，这样就可实现 1 0 0 的回收率 2 4 j 。 易拉罐是罐体和罐盖经咬合加工而成的。一般罐高1 2 2 1 3 0 i r o n 、直径5 3 6 6 m m ，罐壁厚度0 1 3 m m 。罐重为1 8 6 克，其中罐体1 3 2 克，罐盖5 4 克。 罐体娃通过图1 5 、图1 6 所示的深冲、再拉深、变薄拉深工序制造的。 首先将3 0 0 4 一h 1 9 合金材料深冲成杯( 拉深比约为1 7 ) ，接着进行按闭1 6 所 示再拉深加工( 拉深比约为1 4 ) ，易拉罐变薄拉深加工分三段进行，可使壁厚 减少6 0 7 0 。 图1 5 深冲力n 2 2 t 序 再拉深凹模 图1 6 再拉深和变薄拉深过程 模 侧壁厚度的减薄是由于冲头和拉深模间隙小于罐侧壁厚度而产生的。精度 必须控制在l 弘m ，一次变薄拉深率( 惯5 壁厚的减薄率) 约为3 0 。经述上述加 工，就能得到易拉罐罐体。其厚度分布是不均匀的，罐体上部厚度比中部的厚 些，这是为了随后的罐缩颈和翻边的需要，因此设计模具时该部位冲头直径相 应调小一些。 罐体的成型工艺是，将3 0 0 4 一h 1 9 合金卷经开卷机开卷后，检查带材是否 合格，再将水基润滑剂( 9 0 嚷。水+ 1 0 矿物油与人工合成剂) 润滑高速冲床下料 与冲杯。 冲下的边角料。送到打包机，打包成快，重熔进行循环再利用。冲戒的冲 杯，通过风力输送机送到变薄拉深机中，进行拉深与减薄。罐体的生产工艺流 7 程图示于图1 7 。 园一匝堕垂口一，匮甄习一医亟习 圆，圃圈一 玉委垂耍口，匣垂圈巨重习 + 一一圈 二点 囤卜7 罐体生产工- 乙4 4 - 流程方框图 成型罐体的上口径经切口修整机切口后，送至清洗机清洗、烘干，然后再 进行罐体内外涂漆、干燥( 烘干温度为2 0 0 2 2 0 ) ，最后进行缩颈、翻边与光 检，合格者为成品罐体。 第四节变薄拉深工艺理论发展概况 变薄拉深工艺理论近几十年来，随着金属压力加工的现代金属学原理和金 属成型力学原理的进步而发展，采用的方法也是随着板料成型塑性理论的不断 进步而变化。 如何建立筒壁拉深应力的精确解是变薄拉深工艺理论研究的基本问题。对 此，1 9 4 4 年，美国s a c h s u j 发表了用主应力法解析的经典性论文。后来前苏联 学者在此方面也取得了不少成果，斯德洛日夫【2 j 也采用主应力法研究变薄拉 深3 。五、六十年代m j ，肖夫曼采用特征线法，列尼采用功平衡法分别对此 进行过研究。七十年代，a v i t z u r 【4 l j 根据斯捷潘斯基给出的球面速度场的假定推 导出上限解公式。八十年代以来，随着计算机应用于数值分析的有限元方法的 出现，也开始出现用刚塑性和弹塑性有限元法对变薄深成形过程进行数值模 拟瞄 ，得到了最接近真实值的解。这些方法都各有其侧重和局限性，故也各 有利弊。即使是有限元法，其运用的能萤守恒定律也还在机械能守恒范围内， 而事实上，还有其它形式的能量如热能等。为要得到真实解，都必须加以考 虑。下面讨论各种方法的利弊。主应力法就是长期以来在金属加工中一直起着 重要作用的目前仍广泛被采用的工程近似法( 平截面法) ，其认为变形是或多或 少均匀的，对于变形区内的应力不作仔细研究，用比较笼统的平衡条件去求外 力( 近似平衡方程和塑性条件联解) 。用初等解析法求得的外力，在经过一系列 修正后，还是可信的，它逼近真实解的情况也取决于假设，特别适合于变薄拉 深这样变形相对简单的问题，使用简便，计算速度快，故目前仍有重要价值。 上限法的优点只需进行几何和三解函数的运算，繁而不难，其精确程度取决于 速度均的设计与实际速度场的吻合程度。6 0 年代对变形区设定的速度场是一 个刚性块( 内部无应变) ，处理过于粗略，求得的力不太精确。后来发展了在变 形区设定连续速度场的方法，使汁算越来越精确，但不能求出力种变形的分布 规律。而有限元法可以较清晰描述应力和应变，看出金属的变形过程和流动规 律，但不能预见，即不能用于分析，对几何参数和材料性能参数的改变显得不 够灵活。 尽管变薄拉深的实践发展很快，但理论上的解释却还很不完善，特别是我 国在此方面仍有定距离。例如对于变薄拉深的极限变薄率问题、多模变薄拉 深各模变薄率的合理分配问题，特别是多变薄拉深提高极限变形的实质，及其 对工件性能的影响还不十分清楚。我国各类冷压手册上给出的各种材料的极限 变薄系数都与工艺条件无关，其可靠性仍值得研究。据清华大学吴伯杰- 51 1 9 9 0 年对纯铝作的单模变薄拉深试验表明，通过改变凹模和摩擦条件，使纯铝的锥 角变形程度超过目前生产的极限变形程度2 倍以上，说明优化工艺条件能极大 发挥材料的变形潜力。而问题的另一方面，即在生产条件下为提高极限变形能 力的改变工艺参数后，对模具强度和寿命的影响还缺乏定量分析。因此过去有 些研究者常以降低筒壁拉深应力作为优化目标应是片面的。 对多变薄拉深各模变薄率的合理分配问题目前主要依赖经验，缺乏统一理 论依据，就是按经验分配，方法意见也不统一。在现有的文献巾，有过完全办 法意见相反的方案设计，这主要是由于对变薄率分配对凹模侧壁挤压力干接触 面压应力的影响不甚了解，这是造成变薄率分配依据不足的主要原因。 优化工艺方案和工艺参数对提高材料的极限变形程度、模其使用寿命、降 低生产成本关系极大。目前国内结合我国实际情况，有人设计提出了一些变薄 拉深工艺技术方案，如正向充液变薄拉深、等压力作用下变薄拉深、改 j l 杯为 挤压成杯等，但国内的变薄拉深工艺的优化并没有进入实用阶段，能否 到承 认，有待实践。 9 第五节变薄拉深摩擦润滑技术发展概况 变薄拉深在金属的塑性加工范畴中较特殊，其所需要的变形力较大。为满 足现代工业的大批量生产，还需要很高的成形速度，救原料与模具问的摩擦条 件显得异常苛刻。若说变薄拉深工艺设计中最关键的是摩擦润滑设汁并未为 过。特别是对易拉罐这样薄壁的罐，一旦润滑不当，便容易发生烧结和卡咬。 在变薄拉深加工中润滑剂的质量及合理使用，亦是至关重要的，它关系到加工 工艺的成败及产品质量、模具寿命、生产效率和后序工序能否顺利进行等一系 列问题。在一定条件下，润滑和润滑刺往往决定着n 丁过程本身的成败，因而 研究变薄拉深的摩擦和润滑有重要的实用意义。 对于变薄拉深加工过程中的摩擦，传统一般只是理论分析，日本学者在对 变薄拉深铝罐中的摩擦现象和金属的破裂行为、破裂机理方面，做了一系列的 实际研究工作。铃术科技大学齐藤口刊等人，采用一套可分离的模具将加工过 程中的摩擦力分离出来，利用应变计实测冲头力及工具间的摩擦分力，然后求 摩擦系数，以此研究材料的破裂情况与摩擦状况之间的关系。我国清华大学吴 伯杰i 51 等人采用的实验研究也类似于此方法。名古层大学川口【为 采用一种的 实验装置，用不同粘度的润滑剂模拟变薄拉深加工过程进行研究。这些都对硬 质铝薄板材的变薄拉深性和制品表面品质提高有重要意义。特别是铝这样立方 晶格的金属，有着很强的粘者性，为了防止铝和模具间的烧粘性，减小凹模与 毛料间的摩擦力是提高拉深效率和产品质量的关键。 在设计方面，目前仍用实验法估计容器的设计和制罐中的合金变化。随着 计算机的应用，国外如加拿大铝业( 国际) 公司s e m a c e w a i l 【s 6 考虑了用计算机 模型代替实验法，用2 d 和3 d 的模型模拟罐成型及其行为。 日前对于变薄拉深润滑的深层机理还未见结论。但认为，大多数情况下， 其润滑状态包含着相当程度的边界润滑。典型的边界润滑剂如油、脂肪酸和皂 都是传统的变薄拉深用润滑剂。实验上已证明：单独变薄拉深和同时多模变薄 拉深两者的润滑机理是显著不同的。般认为其与深拉深也不等同，丽是同带 芯棒的拔管相似。界面压力可能超过材料的屈服强度，滑移很严重，但可通过 适当几何尺寸的模具减缓。冲头的摩擦允许以较大的压缩量来拉深。 在变薄拉深加工过程中，润滑剂不仅起润滑的作用，而且还能防止铝和模 具的烧粘，同时还能冷却因加工而过热的模具。在变薄拉深工艺润滑剂研制领 域，美国、日本都取得了世界领先水平的成果。美国在冲压和变薄拉深工艺润 滑剂发展初期( 1 9 6 4 1 9 7 0 年) ，采用了几种可乳化的工业油润滑剂，其根据是 全能润滑剂的原则。研制出的同一种润滑剂即可用于冲杯，又可用于变薄拉深 和液压系统。这样就很好地解决了生产过程中的油污染，残留油相容性的i 可 题。此外，润滑剂可以通过酸洗回收，重复使用，节约了成本，提高了效率。 这类油基润滑剂的主要特征是：含提供始终如一粘度的石油基油含使油膜具 一定强度的脂肪酸，提供油膜强度和湿润性能的酯及控制不稳定性的非离子乳 化剂，防腐剂等。到8 0 年代中期几乎全美9 0 制罐生产线采用了这些专利油 基润滑剂。因为拉深作业要求使用水包油乳状液，同时起冷却和润滑两种作 用。一般采用浓度为4 1 2 的润滑剂，用喷射液流的环形结构循环供给，以 形成流体动压润滑，由摩擦表面形成收敛浊楔和相对运动，由椭性流体产生油 膜压力以平衡外载。 近些年来合成物基润滑剂得到了较广泛的承认，其特点是不含石油。随着 石油工业不稳定及其前途不可预测，合成润滑剂被引起注意。目前有两种基本 类型：合成碳氢基的( 聚异丁烯) 和聚醚基的( 聚氧烯属烃乙二酵，乙二醇醚和 乙二醇酯) 及提供特殊要求的添加剂，如胺、酯和脂肪酸。由于成本偏高，目 前尚未在制罐工业中大量使用。 近些年来，随着世界范围的环境要求的日益严格，以及节约能源和低成本 化的趋势，对变薄拉深加工用润滑剂提出了更高要求。需求油品性质要求：低 粘度化、提高拉延性、改善脱脂性( 减少极压剂量、方便清洗) 、水溶性化、低 臭气化。这就需要在基础油的选择和添加剂的复配方面下功夫。另外，在油品 种类上应当发展水溶性加工油、生物降解型润滑剂，向这些方向深化是减少污 染、降低成本的重要途径。我国目前已有几个厂家开发出了易拉罐变薄拉深用 润滑剂，如洛阳石化公司的r d 一4 0 型，主要是根据对国外同类产品成分剖 析、配方研究出来的，要完全替代国外进口油品仍需进一步努力，特别要对变 薄拉深铝罐中的摩擦润滑进行专门的研究。 第六节本论文的研究意义和目标 近三十多年来，变薄拉深铝d i 罐技术在世界范围内获得了色速惊人的发 展。我国自引进国外生产线后，对其技术的消化吸收至目前仍处于初级阶段， 不仅仍需进口部分空罐，对原料板材、加工模具、工艺润滑剂仍j i 要依赖国外 产品。究其原因是我国在对变薄拉深铝罐的工艺和摩擦润滑理论研究上远远落 后于世界先进水平。国内目前仅见对变薄拉深工艺理论开始有些初步探讨，对 其摩擦润滑理论的研究，国内各种文献鲜见，既使偶尔提及，关于此部分内容 基本来自不多的国外研究结果。这相对于我国制罐工业的蓬勃发展是极不适应 的，与现代变薄拉深加工的高效率、高品质要求更不适应。长期以来在这一领 域缺乏系统深入研究，成为制约我国制罐工业国产化水平提高的根本原困。 本论文旨在对变薄拉深的工艺及摩擦润滑进行理论上的分析研究，为进一 步的实际应用技术国产化，开发相关配套产品，全面提高制罐生产技术赶上 世界先进水平积累、提供一些理论i 二的参考和依据。 本论文研究目标： 1 系统、详细分析变薄拉深过程中的应力和应变，确定其变形特征，分析 加工中的后拉力效应。 2 推导筒壁拉深力的理论计算公式，提高解析精度，为实际中台理选择冲 压设备、优化工艺参数和工艺方案、降低成本提供理论依据。 3 推导变薄拉深最大变薄率的理论计算公式，探讨提高最大变薄率的途 径，为模具设计选择变薄率提供理论依据。 4 运用现代摩擦学理论，确定变薄拉深中的摩擦性质、区分摩擦类型，分 析加工中的摩擦力、摩擦系数，为其摩擦学设计和产品质量控制服务。 5 考虑实际加工中的环境特征影响建立变形逐油膜厚度新的计算模型， 为设备工模具设计和工艺润滑剂的开发提供理论依据。 第二章变薄拉深工艺理论研究 第一节变薄拉深的变形力学性质的确定 对冲压类工序而言。其变形力学性质是指其变形方式属伸长类，还是属压 缩类。变薄拉深究竟属何类变形，尚未见有论述，本节分析此间题。 一般主要根据变形区的主应力值来确定冲压工序的变形力学性质。在变薄 拉深应力分析推导中，一般都忽略其切向压应力，即认为变形区只受到轴向拉 应力d 1 和径向压应力q 两主应力。因此只要比较两个主应力的绝对值，即可 确定属何类变形。若f 6 l i f q f ，属伸长类变形，若i 口】，为压缩类变形；当t 。 ， ， “一 r 一口t a c j j 以l l ； p 一一p o x 一1 图一应力及几何状态 d+ + ( 弘1 一 心) 杀d z 一 = v j 式中r 变薄区杯体壁厚 口一变薄区壁部的拉应力 p 一一变薄区壁部的侧压力 。一凹模半锥角p 1 一凹模与杯壁的剪切摩擦系数 址，一凸模与杯壁的剪切摩擦系数 d ：一材料平均屈服强度 将塑性条件 p + 盯= 及d z = 一 代一) 式 1 得缸= ( b _ 2 ) 秀出 式中 b = ( p l 一脚) c t 铲 如图2 5 所示，为提高计算精度，将整个变薄区分为m 块，设其中第j ( j = 1 ，2 ，m ) 块的屈服应力为，然后将( 2 1 2 ) 式在此块上积分求解。 图2 5 分块情况 得町= 啊+ ( 6 - 2 ) 艿l n 老 ( 2 _ 1 4 ) 当计算出变形区各块上的拉应力和压应力后，凸模承受截荷按下式计算 3 0 。 j ；= 2 1 吒+ 2 ：i 脓+ 2 耵m j ：o 胁( 2 1 5 ) 式中气= q 一吉( 心一脚) + f p d x 3 一凸模半径 t 1 一变薄后的杯件壁厚p 一杯壁上的压应力 a 。一杯壁上的拉应力 对单道次变薄拉深，初始应力印为零。在多道次变薄时，可将后拉力转化 为初始应力印，再代人( 2 一1 4 ) 式递推求解。 2 0 跞， 降扯 由分析可知，变薄区第j 块的等效应变可用下式计算 旷隽畴 ( 2 - 1 6 ) t o 一杯体初始厚度 已知应变强度j 后，可根据下述应变关系式求得该单元的屈服应力霸。 式中一初始屈服应力 3 计算模型与结果分析 。；= 8 + a ； 图2 一j 拉深力计算程序框图 f 2 1 7 ) 因试验条件限制的原因，本文计算结果与文献 5 得到的实验结果和其它解 法进行比较。其采用对开凹模实验装置和测力传感器对纯铝试样精确测定了不 同模角、摩擦条件下，冲头顶推力和分模力，获得各种条件下的条件系数、拉深应 力、模具接触面平均压应力等可靠的试验数据，试验筒坯外径7 0 m m ，壁厚1 0 r a m 。 简高 2 0 n u n 。凹模半锥角分别为7 。、1 2 。、1 7 。凹模定径带直径6 0 m m ，宽4 m m 。 冲头直径5 0 r a m 。通过不同的冲头粗糙度和分别采用皂化液、m o s 等润滑剂改 变摩擦条件。纯铝试样的等效应力应变关系为d = 1 2 4 2 t o 卦。极限伸长应变 t e 。= 1 1 8 。实际应变= 如 = 0 6 9 3 ，d 。= 8 9 m p a ，k = 5 1 4 m p a 。 表2 一l筒壁拉深应力实验值与各理论值的比较 试件号n o l23456789 模们a 771 21 21 21 71 71 71 7 p 10 1 3 10 1 4 6 0 0 9o 1 101 6 300 30 0 3 600 500 9 m 0 0 9 30 0 9 601 0 801 2 60 ，2 3 600 60 0 9 0 1 40 1 7 3 i ”l0 1 30 1 4 8 o 1 20 1 4 50 2 3 40 0 4 4o 0 5 3o 0 8oi 鼻 n b 0 1 1 80 1 2 30 1 8 20 2 0 9o 4 4 20 1 1 20 1 6 702 8 20 3 7 1 。实测值 8 28 6 77 567 475 578 437 77 4 57 】 胁 本文解8 5 68 9 37 5 87 5 95 5 38 0 87 526 5i6 62 相对误差 44 3 0 3 16 一0 7 一4 2 一23 一1 20 6 8 立应力法解8 3 98 7 46 726 765 2 86 6 56 245 5 85 71 相对误差23 0 8 一1 1 一9 5 一5 一2 1 一1 9 一2 5 一2 0 功平衡法解1 0 2 81 0 7 88 248 538 867 6 47 5 87 547 91 相对误差2 5 2 4 9 1 42 5 9 一9 4 一15 l2 1 2 a v i , z u r 解8 619 0 67 5 97 645 5 17 997 456 4 86 5 7 相对误差5 45 04 23 一1 9 一5 2 3 3 一1 3 一74 从实验值和理论值的对比可以看出计算结果比末考虑硬化的结果更接近实 验值，但相比实验值偏低，这主要是由于选取的摩擦系数值较低所致。 第三节利用连续速度场求变薄拉深力的上限解 f ：限法是一种常用的塑性茄工过程力学分析方法。它南理论基础是极值原 理中的一1 - 限定理。上限法的应用是从估算塑性加工过程所需载荷开始的。由于 2 2 用这种方法确定的载荷总是大于或等于实际所需的载荷，因此称为上限法。至 今，上限法的应用已远远超出估算靼性加工过程力能参数的范围，成为分析和 研究塑性加工过程的一种有效工具。 1 运动学容许的速度场 用上限法分析塑性加工过程时，首先要建立变形体内的速度场。为了方便 起见，可将变形体分为若干区域。在每个区域内，建立的速度场及其导数必须 是连续的。各区的速度场的表达式可以不一样，但是，为了满足体积不变条 件，相邻两区边界上的速度的法向分量必须相等。到于相邻两区的速度沿边界 切向的速度分量，可以不连续。具体讲，对于相邻两区边界r 上一点p ，根据 区域i 的速度场的表达式，其速度为u ；根据区域的速度场的表达式，其速 度为u 2 ( 图2 7 ) 。如设u i 和u 2 沿法向的分量分别为u 。t 和u n 2 ，切向的分量分别 区 图2 7 速度间断面 u f l 和吣，则o n l 必须与啦相等，而u 。l 和u t 7 可以不相等，其差 a b = u t 2 一u t ! 称为速度间断值。切向速度分量可以不连续的边界，称为速度间断面。 速度间断面上切向速度不连续，导致变形体沿速度间断面发生剪切。所引 起的剪切应力等于材料的屈服剪切强度。对于服从米赛斯屈服准则的材料，屈 服剪切强度为 k = 丧2 1 8 ) v j 式中k 为屈服剪切强度；d 。为屈服强度。 沿速度间断面剪切消耗的功率可按下式计算： 2 3 职= i 篙f u f 出 ( 2 一f ，j 式中 w 。为沿速度间断面剪切消耗的功率；r 8 为速度间断面的面积。 工件的部分外表面可能与模具接触，而模具的速度是规定的。因此，为了 保证工件与模具接触，在接触面上工件与模具速度的法向分量必须相等，即必 须满足速度边界条件。 如所建立的速度场满足速度边界条件，但连续性方面只满足法向速度分量 连续，以保证体积不变条件，则这种速度场称为运动学容许的速度场。显然， 实际速度场一定是运动学容许的速度场，而运动学容许的速度场并不一定就是 实际速度场。 2 摩擦消耗的功率 在第五章已经指出，在用上限法分析塑性加工过程时，工件与模具接触面 上的肇擦力通常根据常摩擦力假定确定。即对于服从米赛斯屈服准则的材料， 以 3 沿工件与模具接触面摩擦消耗的功率可按下式计算： 孵= im 睾i ui 出 。 。o3 式中w f 为摩擦消耗的功率；f f 为工件与模具接触的表面积；出为工件与模 具速度沿接触面切向分量之差。 3 上限定理 上限定理指出，在所有运动学容许的速度场中，实际速度使下列表达式取 得最小值： ，= 去a j ，吉e “e 。a v + 。r v a s 一。；，j v i a s 式中 五2 ，吉e 乒q d v 金属内部变形功率，其中为金属屈服极限； f 小v d r 速度不连续面上的功率 j 、；1 jv l d s 外力功率 变薄拉深为轴对称变形。将变形区分成三部分，即减径区、减径减壁区和 定径j 嚣。其运动许可速度场如由2 1 0 所示。v o 、v f 分期为人口、出| j 速度 ( 即拉深速度) ；民、r 曲和风别为工件拉深前、减径区m 口和拉深后外径； r 、r i f 分别为筒形件拉深前、后内径；r l 、t 2 、l 3 、 c 4 分别为速度不连续面；a 为模角；吨为减径区筒形件内表面倾角；口mg x 2 、t t x 3 分别为碱径区、减径减 壁区和定径区应力；e 为参数。垂直于q 和色面的速度分量是连续的，而平 行予q 和面的速度分量间断。各速度不连续面的速度不连续量为： 沿1 面x v = v f s i n 0( 2 2 0 ) 沿q 面v = v o s i n 0( 2 2 d 沿功面a v ：罟c o s e ( 2 2 2 ) 沿t 4 面a v = v t l 2 2 ，j 在r 5 面上，工件与凸模运动速度一致，故v = 0 。 图2 8 李薄拉深运动许可速度场 1 一减径区；h 一减径减壁区；一定径区 釜二茎凳蒿文献资螽，】减径区出口断面拉应力嘶：磊。a ，式中 根据已有的文献资料，减径区出口断面拉应力d 。，= 丧o 。a ，式中 a l 2 f 可汤再 陋c r 刚+ o s ( 彘鑫一铲+ 鬻挚协婶孙) ) 其中，i t i 为摩擦圈子 ( 2 ) 减径减壁区 柱坐标系( r ，0 ，z ) t ，应变速率分量是速度分量的函数，应变速率分量 如下：i z = c ( 常数) 言= 号毒= 赛 ( 2 _ 2 4 ) 其中u 为变形区内径向速度，且有体积不变条件 z + 。+ 。= 0 ( 2 2 5 ) 将式( 2 2 4 ) 代入式( 2 2 5 ) 可得运动许可的应变速率场 。- o s 【( 警) 2 + c 】 私一o - s f ( 警卜c 】 z = c 式中c l - - 3 9 径区出口外径，等于2 ro f 金属内部变形功率为 w = 素a j 。圭；乒“d v = 百如- c ，l a z ( z 一2 7 ) 式中卜减径减壁区长度 如：届孺厩。磊+ 焘z n 幽盎：娅蛰 一小磊 一。 硝 一 一 厄 如 上撕 d 一2 h 甜式 8 b 圆筒减径减壁区人口壁厚。由体积不变条件可得 高糍警器=c(2-28,goz d l g a ) ， f a ，+ 丌( z 2 + 2 一u 7 式串a 厂定径区出口圆筒断面积，z = 号害。 沿口面剪切功率 w = 晕小_ 瑶f ( a a 。+ s i n a i c o s a i s i n a c o s a ) s i n 2 a ( 2 2 9 ) q j 式中取：粤。 3 沿勺面摩擦功率 吼= 历2 。”v r c t 静“甓 ( 2 3 。) 沿r s 面摩擦功率 嘲= ir , v d s = 0 ( 2 3 1 ) js t 减径减壁区出口拉应力纰相应功率 宙p 1 _ 罟 d 2 一( d 一6 ) 2 k v f ( 2 3 2 ) 减径减壁区后张应力o x l b 相应功率 w b l = 手 魄一( d b 一阮) 2o x l b v ( 2 3 3 ) 式中b n b = 。“， 卜成品圆筒壁厚 根据上限定律，由式( 2 2 7 ) 、( 2 2 9 ) 、( 2 3 0 ) 、( 2 3 1 ) 、( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 可得到减径减壁区出口断面拉应力 一o i ci 焉“砒? 篙产+ 知警c t 曲( 鼍) ( 2 - 3 4 ) ( 3 ) 定径区 定径区金属内部变形功率w t 3 应变速率分量 e z = o = 謇；e q = u r ( 2 3 5 ) 将式( 2 3 5 ) 代人式( 2 2 5 ) 可得到 u = 0 ( 2 3 6 ) 因此，定径区主应变速率分量为 t z = ，= e 。= o( 2 3 7 ) 金属内部变形功率 宙d = 去a ，f p l 向j d 、k 0 ( 2 3 8 ) 沿h 面摩擦功率 w 4 = lr x d s = 丧r o d 7 f l 1( 2 3 9 ) 式中l 。一定径区长度。 沿h 面摩擦功率 礴r ：= l r a v d s = 0 ( 2 4 0 ) 定径区出口拉应力相应功率 p t l 2 = r r 8 ( d 一6 ) 口) 【3 v f( 2 4 1 ) 定径区入口后张应力。心相应功率 。 宙b 2 = 7 c 6 ( d 一6 ) 。x 2 v f( 2 4 2 ) 根据上限定律，由式( 2 3 8 ) ( 2 4 2 ) 可得 一m 。o 赢 q 一4 3 ) 因此。拉深力p 为 p = ”s ( d 刊a d = 烈d - 8 ) 。x 2 + n s ( d 一) m o o 五嚣b ( 2 一“) 式( 2 4 4 ) 即为筒形工件变薄拉深的拉深力上限解。 4 实验验证及结果分析 根据文献 6 j 的实验条件，将( 5 6 + 2 t i ) p i 圆筒拉深成乖6 4 9 5 4 4 7 5 的 圆筒，其中1 、i 是筒形件拉深前的壁厚。t i = 5 4 、5 8 、6 3 、6 8 和7 2 ，山式 ( 2 4 4 ) 计算拉深力，并把计算结果与拉深力的实测值进行比较。 拉深时凹模锥角a = 1 0 2 。，定径带长度l ，= 6 m m 。试件材质为铝。应力 2 8 应变关系为 。 ；= 1 5 0 3 5 6 4 ( 0 0 1 + p 4 1 6 2 8 k g f m n r l 2 式中 壁厚平均压下率。 摩擦因子m 取o ，0 3 0 1 。 计算与实测结果如图2 一1 1 所示。 p c 崎f j 图2 9 拉深力计算与实测结果比较 从图2 一曩可看出，筒形件变薄拉深的拉深力理论计算值略高于实测值， 为上隈解，且两者相近。因此，在变薄拉深圆筒中，可以根据( 2 4 4 ) 计算拉 深力，选择合适的冲压设备。 第四节变薄拉深最大壁变薄率的计算 变薄拉深的最大壁变薄率通常是通过对变薄拉深力的分析、计算得出的。 本节在合理简化的基础上利用功平衡法求解最大壁变薄率： 1 基本假设及简化 直力d z 。 、。q 弋。 l c 吵 图2 一l o 囤2 - l l 变形区的受力和变形 嚣 由塑性条件靠+ o z = 吼，变薄率达到最大值的瞬间，在t = t 1 的出口处，眈 2 d s ，d n = 0 。 根据功平衡原理有下列关系： w 。= w p + w 。+ w 。，+ 1 瞩。+ w 。i ( 2 4 5 ) 式中阢一外力功； w 。 一塑性变形功； 砜。一a b 面上的摩擦功； w 。，一c d 面上摩擦功； 瓢。一入口处剪切功； w “一出口处剪切功； 式中o z l 一出口处拉应力 w p 。t 1 d z l 一o s i 式中平均屈服应力 q 2 忑怕百 根据压应力o 。线性分布的简化，有 2 再 d w , 。= p 2 d l d z c 。= 心i ( 1 一 ) t l d z l ：d t 静。c 。s 2 q w 一胁翟 卜喜岫叫 d