（材料加工工程专业论文）不锈钢自救器筒体拉深工艺研究.pdf

摘要 不锈钢制件由于其美观的外表和良好的使用性能，在国民经济各 行各业被广泛使用，但不锈钢在拉深过程中硬化严重，易出现粘模、 起皱、破裂现象，使成品率降低。本文研究了3 0 4 奥氏体不锈钢自救 器筒体制造工艺中的拉深工艺及摩擦润滑情况。主要研究内容与结论 如下： ( 1 ) 根据拉深成形工艺的原理、方法和设备及热处理情况，分析了 不锈钢自救器下外壳成形过程中的开裂、起皱和残余应力问题，以降 低成形过程中的不均匀变形程度，为实际工艺的制定提供指导。 ( 2 ) 分析了不锈钢化学氧自救器拉深成形过程中的摩擦情况，选择 并配制了新的不锈钢冲压成形润滑剂，应用塑性成形模拟试验机测试 r 几种润滑剂的拉深润滑性能，并确定了一种优良的润滑剂以适于拉 深成形。 ( 3 ) 运用a b a q u s 有限元软件，模拟了四种摩擦系数条件下的拉 深成形过程，分析了3 0 4 不锈钢在拉深成形过程中摩擦系数对拉深成 形的影响情况。 ( 4 ) 通过对工艺方案和拉深成形模具的改进，针对拉深时容易起皱 现象，改用无凸缘拉深，并在第二次拉深模具中增设外压边圈有效防 止起皱，同时添加储油槽，改善润滑效果，并通过现场的试冲压调试， 模具的几次调整，最终拉深出了合格的零件，使产品成品率得到明显 提高。 关键词3 0 4 奥氏体不锈钢，板料成形，拉深模具，摩擦，润滑剂 a b s t r a c t t h es t a i n l e s ss t e e la r ew i d e l vu s e di ne v e r yn e l d h o w e v e r f l a c t u r ea n dw r i n k l n gi nd e e p d r a w i n ga r ec o m m o nd e f e c t sc a u s e d b yi t ss t r o n g l yw o r kh a r d e n i n ga n d t h a tl e a dt ot h ep r o d u c t i o ny i e l d l o w i nt h i s p a p e ri n v e s t i g a t e d t h e d e e p d r a w i n gp r o c e s s o f30 4 a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls h e e ta n dt h ef i c t i o na n dl u b r i c a t i o ni nt h e d e f b r m i n gp r o c e s so f t h es h e l lo f p e r m i s s i b l er e s p i r a t o rs e l fr e s c u e f r o mc a r b o nm o n o x i d e i ti sf b l l o w e da s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fd r a w i n gt h e o r y ，a n a l y z i e dm ep r i n c i p l e ，m e t h o d ， m m i s h m e n ta 1 1 dh e a tt r e a t m e n t i nm ed e e p d r a w i n g p r o c e s s a n d e x p i a i n e d m e c r a c k i n gf a i l u r e ，w r i n k l i n ga 1 1 dr e s i d u a ls t r e s si nt h ep r o c e s s o ff o m l i n gt h i sm a n u f a c t u r ei no r d e rt od e d u c et h ed e g r e eo f a s y m m e t “c t r a n s m u t a t i o na n dg u i d et om a k et h ep r a c t i c a lp r o c e s s ( 2 ) a n a l y s i n g t h e 衔c t i o no ft h e f o r m i n g t h i sm a n u f a c t u r ea n d s e l e c t i n g a n d c o n f e c t i n g t h en e wl u b r i c a n t ，a n d g e t t i n g a ne x c e l l e n t l u b r i c a n tt od r a wt h es t a i n l e s ss t e e l p r o d u c t a a e rt e s t i n g p r o p e n y o f s e v e r a lk i n d so fl u b r i c a i 】t ( 3 ) m o d e 儿i n g t h e d r a w i n g d e f - o n n p r o c e s s u n d e rf o u rk i n d so f f r i c t i o nc o e f h c i e n tb yu s i n gt h ea b a q u sf e m s o r w a r e a n a l y s i n g t h e i n f l u e n c eo f 行i c t i o nc o e f f l c i e n tt o3 0 4s t a i n l e s ss t e e li nt h e d r a w i n g p r o c e s s ( 4 ) b yi m p m v i n gp r o c e s ss c h e m ea n dd r a w i n gd e f o n n i n gd i e ，u s i n g n ob l a n kd r a w i n gi n s t e a do ft h e0 1 d st oa v o i dt h ew r i n k l i n g a n da d d i n g a no u tb l a n kh o i d e ri nt h es e c o n dc a s ed r a w i n gp r o c e s sa n da d d i n ga g r o o v e t os t o r e1 u b r i c a n to i li nt h e d i e ，i m p r o v i n gt h e l u b r i c a n ta f 诧c t 1 a r g e l ya n dg e t t i n gt h eg o o dp r o d u c t ，a n dt h ep r o d u c t i o ny i e l di se x p e c t e d t oi m p r o v e g r e a t l y k e yw o r d s ：3 0 4a u s t e n i t i cs t a i n i e s ss t e e l ，s h e e tm e t a if o r m i n g ， d r a w i n 2d i e ，f r i c t i o n ，h l b r i c a n t 原 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 论文中特别加以 标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证 书而使用过的材料。 与 我共同上 作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 作者签名字戎武 。 期 : 卫 0 9 q 年 土月 工: 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保留学位论 文， 允许学位论文被查阅和借阅; 学校 1 以公布学位论文的全部或部分内容， 可以 采用复印、 缩印或其它手段保存学位论文; 学校可根据国家或湖南省有关部门规定 送交学位论文。 作者签名:了 刊 匆导师签名 a n 皇 年 立月 中南大学硕十学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 . 1拉深成形简介 拉深是一种非稳定变形过程， 并包括有多种变形方式， 但能代表拉深概念的 只是凸缘部分的变形。 其他如: 凹模圆角区为拉力下的弯曲与反弯曲; 杯壁上的 大部分为传力区， 下端接近凸模圆角段为双向拉伸， 上端接近凹模圆角段为单向 拉 仲; 凸 模圆 角区 为 弯曲 与 反 弯曲 ， 但当 凸 模圆 角半 径r p 较 大时 则 为 局 部 胀形; 杯底区根据凸模圆角的大小和润滑情况可视为弹性范围的双向拉伸， 或看作是塑 性范围的拉胀。 此外，如果凸、凹模间隙选得较小， 在拉深后期，当变厚了的凸 缘滑过间隙时， 还会出现变薄拉深(l l 拉深件的形状很多， 圆筒形件乃是其中最简单最典型的代表。 所以可通过分 析圆筒形件的拉深过程的特点，来了解拉深变形的一些基本特点。 如图1 - 1 所示为圆筒件拉深 成形情形。圆形平板坯料置于拉 深凹模之上，拉深凸模和凹模分 别装在压力机的可动部分 ( 即冲 头)与固定部分 ( 即台面)上。 当凸模向下运动时，凸模的平底 首先压住圆形坯料中间部分;凸 模继续下行，将圆形坯料的环形 部分 ( 凸缘)逐步拉入凹模模腔 内，凸缘材料便不断转化为零件 ( 自 径为d )的筒壁。由此可见， 拉深成形的实质就在于凸缘部分 的变形，拉深成形过程就是使凸 缘逐步收缩形成为零件筒壁的过 程(2 1 a区的应力和应变 分，多与 图 1 - 1拉深过程示意图 从图1 - 1 能明显看出: 坯料可分三部分，第一部分是凸缘部分， 塑性变形在这 里发生， 故称为变形区 ( n 区)。该区径向受拉应力， 切向受压应力作用，如图之 右边的小立方体示出了变形区的应力、 应变状态。 第二部分是筒壁部分， 是已 经 过塑性变形阶段的己变形区， 它由 平板毛坯部分转化而成。 在后来的拉深过程中， 这个已变形部分也起力的传递作用， 它把凸模的作用力传到平面法兰部分并使其 中南大学硕士 学位论文第一章文献综述 内 部产生足以引 起拉深变形的径向 拉应力6 r ， 该部分受单向拉应力作用，称为传 力区 ( b 区)。第三部分是凸模与坯料始终接触的底部， 它承受着凸模的作用力 并将力传给筒壁， 起着传力作用。在整个拉深过程中该部分基本上不产生或仅产 生很小的塑性变形， 故称为不变形区或弹性变形区( d 区) 。 该部分在板面方向受双 向拉深应力作用 ， 而垂直板面方向的应力可忽略不计。 由 图1 - 1 还 可 看出， 拉 深 成形 所用 冲 头 与 凹 模有 r p -与 r d 的圆 角， 并 非 尖刃; 拉 深间隙c 一般稍大于原始材料厚度t o 如果圆板毛坯的直径为d o ， 拉深后筒形件的平均直径为d ， 通常均以 筒形件 直 径与毛坯的比 值m表示拉深变形程度的大小囚 : ( 1 一 1 ) m 称为拉深系数，显然，m 的数值越小，拉深时，板料的变形程度越大。 1 . 2材料力学性能及模具参数对拉深成形过程的影响 2 . 1材料性能对拉深成形的影响 板料拉深成形的力学性能参数主要包括r 值、 n 值、s 以及。 s / 6 b 等。屈服强 度6 s 决定了薄板材料成形时开始产生塑性变形时所需的载荷， 6 5 大， 则所需要的 成 形力也 大。 但相对来 讲， 屈 服强度 6 5 对板材的 成形性能 影响 较小 闪 。 应变强化指数n 和材料的应力一应变本构关系密切相关。一般板料的应力一 应变本构关系可用幂次式近似表示为: 6 =k s ，其中幂指数n 被称为应变强化指 数5 1 。 n 值在数量上还等于 ( 或近似等于)单向拉伸时材料刚要出现颈缩时的实 际应变。一般说来，n 值大的材料，成形零件厚度分布均匀，表面质量好，应变 均化能力强，在危险断面的承载能力得以强化。 各向异性指数: ( 或称塑性应变比)是薄板试件的宽向实际应变与厚向实际 应变之比 困 。 : 值是金属薄板冲压成形中的极重要参数，与 n 值一起可以 作为评价 薄板成形性能好坏的不可忽视的指标。己 有的 研究结果表明， : 值与许多模拟成 形性能实验指标具有相关性。总的来说，r 值的大小反映了薄板成形时厚向变形 发展的难易程度， : 值愈大， 材料愈不易在厚向发生变形，即愈不易变薄或增厚。 r 值愈小，村料厚向变形愈容易，即愈易变薄或增厚。 r 值和n 值对拉深成形过程影响的一般规律如下: ( ! ) : 值对拉深成形过程的影响 般来说， 板材的塑性好， 组织均匀、品粒度大小适当， 屈强比小， 板料面 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述、 内各向异性小而板料厚向各向异性系数r 值大时， 板料的拉深性能好， 即l d r( 极 限成形比)大。其中r 值对拉深性能的影响最强。各向异性系数r 值大的材料，在 复杂形状的曲 面零件拉深成形时， 毛坯的中间部分在拉应力作用下， 厚度方向上 变形比 较困难， 即变簿量小。 而在板料平面内与拉应力相垂直的方向上的压缩变 形比较容易， 结果使毛坯中间部分起皱的趋向性降低， 有利于冲压加工的进行和 产品 质 量 的 提 高 7 7 ( 2 ) n 值对拉深成形过程的影响 硬化指数n 值表示在塑性变形中材料硬化的剧烈程度，是评定板材冲压性能 ( 成形极限、变形均匀性)的重要指标。n 值大的材料，在同样的变形程度下， 真实应力增加的要多。n 值大时，在伸长类变形过程中可以起到使变形均匀化， 减少毛坯的局部变薄和增大极限变形参数等作用。 尤其对于复杂形状曲面零件的 拉深成形工艺，当毛坯中间部分的胀形成分较大时，n 值的上述作用对成形性能 的影响更为显著。 与r 值相比较， 实际生产当中 n 值的影响常常可以忽略不计。 只 是在拉深比高干l d r 的拉深中， n 值的影响才会显示出来，在r 值相同的情况下， n 值越大， 在断裂极限时的凸缘收缩率 ( 即拉深深度) 就大。 这也是常见的n 值增 加时， 拉深力增加，凸 模行程也变大的 原因(8 1 ( 3 ) 屈强比对拉深成形过程的影响 6 5 / 6 b 称为屈强比。 较小的屈强比几乎对所有的冲压成形都是有利的。 拉伸时， 如果板材的屈服点6 y 低， 则变形区的切向 压应力较小， 材料起皱的趋势也小， 所 以防止起皱所必须的压边力和摩擦损失都相应地降低，对提高极限变形程度有 利。 在很多标准中， 都对冲压用板料的屈强比有一定的要求。 例如我国冶金标准 规定: 用于复杂形状零件的深拉伸用2 f 级钢板的屈强比不大于0 .6 6 9 1 o ( 4 ) 材料参数的综合考虑 以往， 材料成形性主要用抗拉强度6 b 和总伸长率s( 板村的6 大， 说明其在 单向拉应力下，塑性变形的能力比较强) 来衡量。 这两个性能指标不仅不能反映 板材的 抗起皱性能和抗弹复性能， 而且对于破裂问 题也是不够完整的。 崔令汪d a l 从板材的抗破裂性能、 抗起皱性能和抗弹复性能三个方面， 总结并综合分析了板 材的 成形性。文中指出:衡量冲压板材抗强 度破裂的性能指标主要有屈服点6 s . 抗拉强度。 b 和屈强比o s / 6 b 等;衡量冲压板材抗塑性破裂的性能指标主要有:板 材硬化指数 n 值、总伸长率 s 和成形极限图 f l d等;衡量冲压板材抗压应力起 皱的性能指标主要有:屈服点。 。 、剪应力t 、 材料硬化指数n 值等;衡量冲压板 材抗弹性回复的 性能指标主要有: 板材的弹性模量e和屈服点。 ， 等。 文中较为 详细地分析了各种参数之间的相互制约关系， 并进一步把材料参数对板材成形性 能的综合影响结果应用于选材。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 2 . 2模具参数对拉深成形的影响 模具参数( 包 括凹 模圆角半 径r d , 凸 模圆 角半 径 r p 、 转角 半径r . 、 凸 凹 模间隙、 模具总体尺寸等) 对拉深成形过程压边力数值的合理确定有着很大的影响。 从前 人以 往的研究中 川，我们可以 得到如下规律; ( 1 ) 凹模圆角半径r d 的影响 通常凹模圆角半径r d 取值大时较易拉深， 这是因为圆角半径部分受到的弯曲 变形力小， 从而拉深力减小， 但易引 起起皱。凹模圆角半径r ,取值小时弯曲变形 力增大，拉深难度较大。 当凹模圆角半径r d / t 2 时， 拉深件的极限拉深比几乎直线上升且变化率极小。 由此可知， 凹模圆角半径r e 对拉深成形影响很大。 ( 2 ) 凸模圆角半径r p 的影响 当 凸 模圆 角半 径 r p 过 小时， 与凸 模圆 角 接 触的 坯料 会因 弯曲 变形 而 变薄， 有 破 裂的 危险， 而当 凸 模圆 角 半 径 r . 太大 时， 在 坯 料还 没有 完全 包住圆 角 部分 时 压 力己经达到最大值， 造成坯料承受冲压力部分横截面积减小， 也易发生破裂。 并 且 凸 模圆 角与 料 厚( t 为 板料 厚度) 之比 也 很 重要，当 凸 模圆 角半 径 r p /t 2 0 时 工 件 往 往发 生 起皱， 而当 凸 模圆 角 半 径 r p / t 1 2 % 后才使钢 具有小锈性， 因此， 不锈钢的铬含量一般均在1 2 %以上， 这是这类钢的一个共同 特 点 12 1 本课题所用材料为3 0 4 奥氏体不锈钢。 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢 类， 其生产和使用量约占不锈钢总产量及用量的7 0 %。 这种不锈钢具有优秀的耐 蚀性，并且综合力学性能良 好， 可焊性、 深冲性等工艺性能优良，因而在化学化 工及轻工等领域获得广泛应用。 本课题研究所用材料为3 0 4奥氏体不锈钢， 其塑性、 韧性和冷加工性能均良 好， 在氧化酸和大气、 水、 蒸汽等介质中耐蚀性亦佳， 适于制造深冲成形的零部 件以及输酸管道和容器等。 2 . 4 3 0 4 奥氏体不锈钢薄板的冲压特点 3 0 4 奥氏体不锈钢是一种难冲压的材料，其特点是: ( 1 ) 拉深成形比 较困难，因为 3 0 4不锈钢的屈强比 高，冷变形时的冷作硬化 显著， 所需变形力大， 拉深系数较小， 且拉深时容易起皱，起皱后， 金属流动更 加困难，易发生拉深破裂现象。 ( 2 ) 不易得到符合要求的形状。 尽管 3 0 4不锈钢具有良 好的冲压性，但它在 塑性变形时剧烈硬化， 板材在凸模圆角处的弯曲和反向弯曲引起的反弹， 通常会 在产品侧壁形成凹陷变形， 使得尺寸精度和形状要求较高的产品需要通过整形工 序来达到，凹陷变形严重的就根本无法校正。 ( 3 ) 3 0 4 奥氏 体不锈钢拉深过程中 容易出 现高 温粘结现象。由 于拉深过程中， 压边力较大， 使其凸缘部分成为高压接触区， 而且面积大， 又由于拉伸表面不断 发生变化， 油厚度也因此变薄， 强度降低， 板料拉深过程中的切向运动更加速了 油膜的破裂，增加了板料对模具的摩擦作用，动能变为热能，使得接触面升温， 温度的升高使得润滑油的粘度下降，造成了产品与模具表面直接接触的机会增 多， 这不仅影响了润滑效果， 而且使与原子运动有关的再结晶， 原子定向扩散动 力学过程得以充分进行， 从而改变了 模具表面与不锈钢表面的接触性能， 使其在 拉深过程中必然发生金属粘结在模具表面上 1 3 1 (#)一股冲压加工模具 材料采用的是合金模具 钢， 而3 0 4 不锈钢与合金模具钢 具有相溶性， 粘结层和模具表面结合强度将会很高， 容易在拉深模上形成粘结瘤， 而拉深模上粘结瘤一旦形成就很难脱落， 且越粘越大， 最终导致小锈钢板料表面 留 有严重的 擦伤，这也是 3 0 4 不锈钢拉深中的技术难题所在0 4 1 中南大学硕上学位论文 第一章文献综述 13 拉深成形件常见缺陷 拉深成形常见的成形件缺陷主要有【l m ： f 1 1 破裂：在冲压成形中，希望材料无限制的拉深变形以及承受无限大的外 力是不可能的，成形中超过破裂限度时，村料就会在某处发生破裂。 f 2 1 起皱：拉深过程中，材料局部出现较大压缩力或剪切力就产生纵弯，纵 弯残留到最后一道工序即形成起皱。 f 3 ) 形状缺陷：例如用平底凸模在拉深开始阶段产生的鼓胀，有时到最终工 序仍未消除；由于反拉深后侧壁的弹性变形，使制品底部不平整。此外，由于存 在回弹等缺陷，拉深成形的制品不会完全和模具的形状一样，与检验标准相比， 制品的形状尺寸精度不能够达标。 h ) 表面状态缺陷：村料产生塑性变形，其表面状态必然发生变化。在与模 具直接接触的地方，村料容易产生划痕和烧伤，并且由于板坯塑性变形量和变形 方式的不同，材料的光洁度就要发生变化。表面状念缺陷程度土要取决于模具的 材料、表面加工精度、板料晶粒度引起的缺陷：这类缺陷在制品的设计阶段就要 从刚性、强度、磨损、应力腐蚀等方面作充分地研究。但是，如果成形后还存在 问题的话，那么，往往需要对几乎所有的成形极限进行探讨。例如，残余应力因 素所造成的制品力学性能缺陷，就必须主要从成形工艺角度着手解决。 图1 23 0 4 不锈钢拉深缺陷 中南人学硕一l 学位论文 第一章文献综述 图卜2 所示为3 0 4 小锈钢在拉深时出现的缺陷。由于3 0 4 不锈钢拉深过程 中主要缺陷为起皱和破裂，下面主要分析拉深过程中的起皱和破裂缺陷。 13 ，1 起皱缺陷 根据拉深成形基本理论【1 3 】，凸缘部分、凹模圆角部分、筒壁部分、凸模圆角 部分以及筒底部分是圆简件零件的五个基本区域( 见图卜1 ) 。拉深开始时，凸 缘部分的材料在凸模拉深力的作用下不断被拉入凹模模腔，圆形坯料外缘直径不 断缩小。由于该区域的应力状态是径向受拉、切向受压，因此在径向和切向分别 产生伸长和压缩变形，坯料厚度略有增加且在凸缘外边沿处增厚程度最大。坯料 的凸缘部分材料在切向压应力的作用下，可能因受压失稳而产生起皱现象( 见图 卜3 ) 。坯料起皱严重后，由于不能通过凸模与凹模之间的间隙而使筒壁或凹模圆 角处被拉裂，造成废品。即使轻微起皱的坯料勉强通过了模具间隙，也会在零件 的筒壁上留下皱痕，影响零件的表面质量。因此，一般来说，拉深过程中的起皱 现象是不允许的，必须设法加以消除。 图卜3 拉深时凸缘失稳起皱 拉深成形时，坯料凸缘起皱不仅与凸缘变形区的切向压应力大小有关，向 且与材料的力学性能和凸缘变形区的相对厚度= i ( d o 为坯料外缘直径；d l u o d l 为凸模直径；l 为坯料厚度) 有关。 一方面，凸缘变形区的切向压应力最大值随拉深过程的进行而不断增大， 因此凸缘失稳起皱的趋势也是不断增大的。另一方面，随凸缘变形区不断减小， 凸缘材料厚度增大，凸缘变形区的相对厚度也不断增大，从而使材料抵抗失稳起 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 皱的能力增强。 这两个相反作用的因素相互制约的结果， 使凸缘发生起皱的趋势， 在拉深成形过程的中间阶段最为强烈， 这一时刻通常比凸缘变形区凹模口处最大 拉应力出现的时刻为晚， 也即比拉深成形力达到最大的时刻为晚， 这样便可能利 用压边力的合理控制来提高拉深成形效率。 在设计拉深成形零件工艺过程时，必须对零件在成形过程中是否起皱作出 判断，以便采用合适的工艺过程和模具。 如果拉深成形过程中， 坯料不会发生起 皱， 则采用无压边圈的模具， 其判断条件是 1 6 . d-d a c d ,最大拉深力相应减小， 可见粘度对油基润滑剂性能 有很大影响。 这是由于润滑油的粘度较高时， 润滑膜在一定的负荷下仍能保持完整性， 维 持其在金属表面的粘附能力， 故而能起到更好的润滑作用， 本文中各润滑油的粘 度差别虽不很大，但仍然有比较明显的效果。 表2 - 5不同润滑剂测得的最大拉深力k n( 单位压边力 3 . o m p a ) 谕 丈 缨 、 ab cd l2 7 5 . 5 7 2 5 8 . 2 92 8 3 . 5 7 2 9 4 . 7 1 2 2 7 1 . 6 22 6 1 . 7 6 2 7 9 . 4 62 9 0 . 3 7 32 7 7 . 1 3 2 6 5 . 3 52 8 1 . 4 3 2 8 7 . 4 8 42 6 8 . 9 32 6 0 . 4 5 2 8 0 . 9 2 2 9 5 . 6 3 52 7 4 . 2 5 2 6 3 . 3 7 2 8 4 . 3 6 2 9 2 . 2 7 平均2 7 3 . 5 02 6 1 . 8 4 2 8 1 . 9 32 9 2 . 0 9 2 . 2 . 2不同润滑剂的摩擦系数 各种润滑剂在不同压边力下拉深变形区间的摩擦系数如表2 - 6 所示。 中南大学硕上学位论文第_ _ 章冲压过程中的摩擦与润滑实验及分析 表2 - 6不同 润滑剂在不同 压边力下的平均摩擦系 数 稿 4i t 11+7i;i9 2 . 1 mp a2 amp a2 . 7 mp a3 . o mp a a0 . 1 5 40 . 1 5 50 . 1 5 30 . 1 5 4 b0 . 1 3 50 . 1 3 40 . 1 3 40 . 1 3 2 c0 . 1 8 80 . 1 8 70 . 1 8 90 . 1 8 6 d0 . 1 9 20 . 1 9 60 . 1 9 4 0 . 1 9 5 由表2 - 6 可知，四种润滑剂在不同压边力作用下，b 号润滑剂摩擦系数最小， 而d 号润滑剂摩擦系数最大。 四种润滑剂中， a , b 两种润滑剂氯化石蜡含量含量 相同， 而且 都高于 c , d 两种润滑剂， 可 见摩擦系数与润滑剂中氯化石蜡含量有很 大关系: 而a , b 两种润滑剂的差别只在于b 号润滑剂在a 号润滑剂的基础上增加了 固体粉末成分二硫化钥，可见对于3 0 4 不锈钢拉深润滑剂而言，添加适当固体润 滑成分，能起到更好的润滑效果。 表2 - 6 也说明了 压边力对润滑性能没有多大影响。 如图2 - 4 所示， 每一种润滑 剂在不同压边力 ， 其摩擦系数变化并不明显。 这是因为油基润滑剂山于油的成 分较多， 其混合润滑状态中流体润滑的比 例较多， 特别是粘度值较大的油基润滑 剂， 润滑剂膜容易覆盖拉深坯料的新生面， 相对其他润滑剂而言， 润滑状态的转 化随压边力大小变化相对困难些即油基润滑剂一般较难从混合润滑状态转化为 边界润滑状态，因而，压边力对摩擦系数的影响并不大。 v-一一 一一一一一一一 ? - -v 杏 - - a _一 =一 一 =一 一一 瓜 - o - a 一 。 一 日 一。 一 c v - d 口 - 一一一一_ 口 一 一口 0- -一 . 。 -0 - 2a 2 . 6 压边 力mp a . 一 一一 4 2 . 8 3 . 0 leslesee卜.月卜t卜卜lesro 98765432 住000000 彭卫羁舞坷答 图2 - 4不同 压边力下四 种润滑剂 的平均摩擦系数 中南大学硕十学位论文 第_章冲压过程中的摩擦与 润滑实验及分析 2 . 2 . 3同种润滑剂与压边力的关系 表2 - 7 所示为b 号润滑剂在不同压边力下拉深变形区间的摩擦系数。 由表2 - 7 可知，对于不锈钢油基拉深润滑油而言，压边力确实对润滑剂的润 滑性能无多大影响口 表2 - 7 b 号润滑剂在不同 压边力下测 得的 摩擦系 数 履 豪 4i aztj77 c 2 . 1 mp a 2 . 4 mp a2 刀 mp a3 . 0 mp a 10 . 1 3 6 0 . 1 3 40 . 1 3 40 . 1 3 2 2 0 . 1 3 50 . 1 3 50 . 1 3 40 . 1 3 1 3 0 . 1 3 50 . 1 3 40 . 1 3 30 . 1 3 2 40 . 1 3 40 . 1 3 30 . 1 3 50. 1 3 3 50 . 1 3 50. 1 3 40 . 1 3 40. 1 3 2 平均 0 . 1 3 50 . 1 3 40 . 1 3 40. 1 3 2 2 . 2 . 4润滑剂的单双面润滑情况 表2 - 8 及2 - 9 分别是b 号润滑剂在不同压边力下测得的最大拉深力及摩擦系数 隋况。 表 2 - 8不同压边力下最大 拉深力k n 疏至 ii7 竺 单面润滑双面润滑 2 . 1 mp a2 5 2 . 5 72 4 7 . 6 2 2 amp a2 5 6 .4 3 2 5 0 . 1 7 2 . 7 mp a2 5 8 . 3 6 2 5 2 . 2 1 3 . o mp a2 6 1 . 8 4 2 5 6 . 3 4 表 2 - 9不同 压边力下摩擦系数 赢 ilf7 黔 单面润滑双面润滑 2 . i m p a 0 . 1 3 50 . 1 2 2 2 amp a0 . 1 3 4 0 . 1 2 1 2 . 7 mp a0 . 1 3 4 0 . 1 2 2 3 . o mp a0 . 1 3 2 0 . 1 2 4 中南大学硕上 学位论文 第二章冲压过程中的摩擦与润滑实验及分析 由 表2 - 8 及表2 - 9 可知， 同种润滑剂双面润滑效果优于单面润滑， 表现为更低 的最大拉深力和较小的摩擦系数。如图2 - 5 , 2 - 6 所示。 xsa 、 荆 三 巨三 ._ - 一 一 一 一 . 盆 一! 之 4之7 单月 抓 边 1 i 护a ia j - s r号 润涪 a 4 人不 同压 功 力下 的 帚 女j . i v为 0， 3 5卜._一 一 一 一 一 e s . 一一 单面 润滑 一一 双面 润滑 翻服葵逛 . - 一- - - - 一_ . _ - - - - - - - - 一 2耳27 单4 7 1边力m p a 图2 - 6 b 号润滑剂单双面润滑条件下的摩擦系数 2 . 3分析与讨论 在拉深实验中， 采用探针和传感器这一方法， 可直接实测拉深件在变形过程 中的摩擦力和正压力， 进而得出变形过程中每一点的摩擦系数， 同时可以 通过训 算机对变形区间内所采集到的数据进行数据处理和数据统计， 获得在拉深变形过 程中给定的变形区间内的最大拉深力和动摩擦系数w 。采用这种测试方法是比较 真实可靠的、 与实际工况基本相符。 实验中 采用的计算机辅助测试系统使得整个 测试精度得到了提高， 也使实验后的数据处理更加方便。 通过对四种润滑剂的实 验，可总结出如下结论: ( 1 ) 油基润滑剂的润滑性能与 压边力基本无关系:根据实验得到结果，油基 润滑剂的实验数据，从低压边力到较高压边力的情况下 ( 见表2 一 6 ,2 一 了 ， 2 - 8 , 中南大学硕上学位论文 第二章冲压过程中的摩擦与润滑实验及分析 由表2 8 及表2 9 u j 知，同种润滑剂双面润滑效果优于单面润滑，表现为更低 的最大拉深力和较小的摩擦系数。如图25 ，2 6 所示。 2 3 分析与讨论 2 1 2 427& o 单位匝边， ，8 闲，一er 鲁润滑瞎i 在不同压- 力卉下竹帚士蛀澡力 蒸 糍 世 图2 6b 号润滑剂单双面润滑条件下的摩擦系数 在拉深实验中，采用探针和传感器这一方法，可直接实测拉深件在变形过程 中的摩擦力和正压力，进而得出变形过程中每一点的摩擦系数，同时可以通过训 算机对变形区间内所采集到的数据进行数据处理和数据统计，获得在拉深变形过 程中给定的变形区间内的最大拉深力和动摩擦系数“。采用这种测试方法是比较 真实可靠的、与实际工况基本相符。实验中采用的计算机辅助测试系统使得整个 测试精度得到了提高，也使实验后的数据处理更加方便。通过对四种润滑剂的实 验，可总结出如f 结论： ( 1 ) 油基润滑剂的润滑性能与压边力基本无关系：根据实验得到结果，油基 润滑剂的实验数据，从低压边力到较高压边力的情况下( 见表2 6 ，2 7 ，2 8 ， 中南大学硕士学位论文 第一章 冲压过程中的摩擦与润滑实验驶分析 2 9 及图24 ) ，摩擦系数基本无变化。 ( 2 ) 四种润滑剂中b 号润滑剂的基础油粘度最大( 见表2 5 ) ，摩擦系数最小， 这说明油基润滑剂摩擦系数和基础油的粘度有定的关系，随粘度增加，摩擦系 数减小。 ( 3 ) 实验表明，b 号润滑剂具有最优良的拉深润滑性能，这说明b 号润滑油的 配方最具科学性，其油性剂( 硬脂酸) 成分、极压剂( 氯化石蜡) 成分以及固 体润滑剂( 二硫化钼) 的科学搭配为其润滑性能提供了根本保证。其配方如下： 工业白油( 1 5 号) 4 0 + 氯化石蜡油4 0 + 硬脂酸1 0 + 二硫化钼l o ( 4 ) 通过工厂实际使用，反映效果良好，在使用b 号润滑油后，比用原来所使 用的润滑油拉深3 0 4 不锈钢化学氧自救器下外壳时的成品率要高出很多。如图2 7 所示，即拉深成功的下外壳零件。 图2 7 使用b 号润滑油拉深出来的3 0 4 不锈钢零什 中南大学硕士学位论义第三章拉神成形过程的有限元分析 第三章拉深过程的有限元模拟 拉深成形是一种非常复杂的力学过程，它包含几何非线性、材料非线性、接 触非线性的强非线性问题1 3 。用传统的解析方法求解是很难或根本不可能解决 的。故传统成形理论是建市在初等解析计算方法和经验的基础卜的，误差较大。 随着计算机技术的不断进步以及有限元技术的不断发展，使得定量的分析板 料成形问题成为可能。特别是有限元方法经过几十年的发展已较为成熟，但在板 料成形模拟中的应用还开始不久。本文应用有限元软件中功能强大的a b a o u s 有限元软件模拟了不同摩擦条件下的拉深成形过程。 3 1 a b a q u s 有限元软件介绍 a b a q u s 被广泛地认为是功能最强的有限元软件之，可以分析复杂的固 体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问 题。a b a q u s 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系 统级的分析和研究。a b a q u s 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说 是独一无二的。由于a b a q u s 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得 a b a q u s 被各国的工业和研究中所广泛的采用。a b a q u s 产品在大量的高科技 产品研究中都发挥着巨大的作用。 a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂 问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题 的模拟是通过把定义每一构件的j l 何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结 合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些1 程数据， 像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一一个非线性分析中， a b a q u s 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而 且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义 参数就能很好的控制数值汁算结果。 a b a q u s 软件在材料模型，单元，载荷、约束及连接等方面功能强大并具 有如下特点： ( 】) 材料模型 定义了多种材料本构关系及失效准则模型，包括： 弹性： 线弹性，可以定义材料的模量、泊松比等弹性特性： 中南大学硕士学位论文 第三章拉神成形过程的有限元分析 正交各向异性，具有多种典型失效理论，用于复合t | ! 才料结构分析； 多孔结构弹性，用于模拟t 壤和可挤压泡沫的弹性行为： 业弹性，可以考虑应变对模量的影m 超弹性，可以模拟橡胶类材料的大应变影响； 粘弹性，时域和频域的粘弹性材料模型。 塑性： 金属塑性，符合m i s e s 屈服准则【4 1 】的各向同性和遵循h i u 准则【4 2 】的各向异 性塑性模型；铸铁塑性，拉仲为r a n k i n e 屈服准则，压缩为m i s e s 屈服准则； 蠕变，考虑时间硬化和应变硬化定律的各向同性和各向异性蠕变模型； 扩展的d r u l ( e r - p r a g e r 模型，适合于沙土等粒状材料的不相关流动的模拟； c a p p e dd m c k e 卜p r a g e r 模型，适合于地质、隧道挖掘等领域； c a m c l a y 模型，适合于粘七类土壤材料的模拟； m o n c o u l o m b 模型，这种模型与c 印p e dd m k e 卜p r a g e r 模型类似，但可以考 虑不光滑小表面情况； 泡沫材料模型，可以模拟高度挤压材料，可应用于消费品包装、及车辆安全 装置等领域； 混凝土材料模型，这种模型包含了混凝土弹塑性破坏理论； 渗透性材料模型，提供了依赖于孔隙比率、饱和度和流速的各向同性和各向 异性材料的渗透性模型。 其它材料特性： 包括密度、热膨胀特性、热传导率和导电率、比热、压电特性、阻尼以及用 户自定义材料特性等。 ( 2 ) 单元库 a b a q u s 包括内容丰富的单元库，单元种类多达4 3 3 种。它们可以分为8 个大类，称为单元族，包括：实体单元、壳单元、薄膜单元、梁单元、杆单元、 刚体元、连接元、无限元。 a b a q u s 还包括其中针对特殊问题构建的特种单元如针对钢筋混凝土结构 或轮胎结构的加强筋单元( + r e b a r ) 、针对海洋工程结构的土壤管柱连接单元 ( + p i p e - s o i l ) 和锚链单元( + d r a g c h a i n ) 等，这些单元对解决各行业领域的具体问 题非常有效。 另外，用户还可以通过用户子程序自定义单元种类。 ( 3 ) 载荷、约束及连接 载荷 载荷包括均匀体力、不均匀体力、均匀压力、不均匀压力、静水压力、旋转 中南大学硕士学逝论文 第三章拉神成彤过程的有限元分析 加速度、离心载荷、弹性基础，伴随力效应，集中力和弯矩，温度和其他场变量， 速度和加速度等。 约束 除常规的约束外，还提供线性和非线性的多点约束( m p c ) ，包括刚性链、刚 性梁、壳体固体连接、循环对称约束和运动耦合等。 连接 a b a 0 u s 强大的接触对定义与分析功能为管接头接触密封分析，铰链连接 分析，壳体密封分析等带来极大的便利。 3 ，2a 队q u s 的模拟分析步骤 本文借助a b a q u s 有限元软件，对圆筒件的拉深过程进行了数值模拟。数 值模拟的条件和第二章中物理模拟相对应，材料为3 0 4 奥氏体不锈钢，坯料为书 4 1 的薄圆片，料厚f o | 8 m m 。材料力学性能参数如下：抗拉强度ob = 7 1 6 8 m p a ， 屈服强度o ；= 2 5 3 4 m p a ，弹性模量e = 2 3 0 0 0 0 m p a ，流动应力方程为 口= 2 5 34 + 7 6 5 s o4 ”，由于奥氏体不锈钢各向异性不很明显，模拟时不考虑材 料的各向异性。模拟时的边界条件及模具尺寸如下：压边力耿f = l o k n ，拉深力 为5 0 k n ，拉深凸模半径为r 1 9 ，凸模圆角半径取r 1 5 ，单边间隙取1 2 t ( o 9 6 m m ) ， 凹模圆角半径取r 3 ，摩擦系数p 分别取o 0 8 、 o 1 5 、 o 2 0 、o 3 0 。由于圆筒件 拉深是辅对称的，故模拟时取四分之一部分即可。 模拟时，冲头、夹具及凹模可看作是刚性表面，因为它们比毛坯硬很多。如 图3 1 所示，示意性的描述了毛坯与工模具问的相互位置关系。 图3 一l 模拟成形示意图 中南大学硕十学位论文第三章拉神成形过程的有限元分析 3 2 1 网格设计 在本模拟中，网格可以划分为町变形的毛坯和不变形的刚性工模具( 冲头、 央具、凹模) 。 3 2 1 1 毛坯 毛坯采用的网格包括两排1 1 2 2 个c 3 d 8 r 单元，采用两排单元，共18 1 2 节点，如图3 2 ，3 3 所示。对于沿毛坯厚度的变形将获得较好的结果。 图3 2 毛坯的单元 j 奎j3 3 网格划分情况 3 2 1 2 工模具 将工模具模拟为刚性表面。用解析刚性表面模拟冲头和毛坯夹具。用r 3 d 4 刚性单元模拟凹模。凹模的网格见图3 4 。模拟圆角仅用两个单元：这是a b a o u s 对用刚体单元建立的表面进行光滑处理的重要问题所采取的较为审慎的做法。在 正常情况下，需要用更多的单元模拟这条曲线。建立3 个刚体参考点，每个工具 一个，把它们大致放在每个r 具的中心。 中南人学硕士学位论文 第三章拉神成彤过程的有限元分析 图3 4 凹模的节点和单元编号 图3 5 所示为拉深模拟过程的工模具及毛坯组合的单元网格示意图。 图3 5 拄深过程撑拟示蠹图 3 0 中南人学硕士学位论文第三章拉神成形过程的有限元分析 3 2 2 前处理一一建立模型 应用前处理器生成毛坯和刚性凹模的网格。模拟冲头和毛坯夹具的解析刚 性表面不能用前处理器来定义，需从a b a o u s c a e 输入。 如果前处理器不能直接支持刚性单元，可以应用二节点梁单元如b 2 1 来划 分凹模的网格。如果已经建立了a b a q u s 的输入文件，改变+ e l e m e n t 选项中 的t y p e 参数从b 2 l 到r 3 d 4 ，同时删去已经定义了的有关梁断面的选项。 3 2 3 模型数据 在本模拟中，定义毛坯和模拟凹模的单元集名为b l a n k 和d i e 。为使得模 型的部分可以方便地被约束和移动，建立了节点集合，把位于毛坯中心线和有对 称约束的节点集称为c e n t e r ：把沿着毛坯的中心并朝向模型右侧的节点，即 毛坯位于夹具和凹模之间的节点集称为m i d r j g h t ；把沿着薄板的中心并朝向 模型左侧的节点，即在冲头下面的节点集称为m i d l e f t ；定义毛坯下、上两排 单元分别为单元集b l a n k b 和b l a n k t 。 定义了毛坯单元和材料性质，还定义了毛坯顶面与冲头之间，毛坯顶而与夹 具之间，以及毛坯底面与凹模之间的接触。 关于接触，模拟过程中定义了刚性表面、变形表面和接触对。在这个模型中 所有的刚性表面延伸超过了变形的毛坯，以保证从属点不可能滑落在任何刚性表 面的后面【4 。这些表面的初始