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摘要 摘要 拉深是板料冲压加工中一种重要的工艺方法,在汽车、飞机、拖拉机、钟表、 电器、仪表、轻工、和民用产品中,均有广泛的应用。拉深技术在一定程度上反 应出一个国家或地区的工业现代化水平。而成形极限是拉深领域研究的热点问题 之一,对于拉深工艺极限拉深系数l n c 的确定是一个很重要的问题。坯料的极限拉 深系数是一种重要的冲压性能指标,它是决定拉深工艺方法的基本依据。 圆筒形件虽是一种简单的板料成形方式,但是从变形力学上看,由毛坯成形 为成品是一个复杂过程。目前,圆筒形件的拉深工艺计算大多利用极限拉深系数 1 m c ( 极限拉深比的倒数,即i i l c = 7 羔) 来判定实际需要的拉深次数。而极限拉伸系 l l 上, 数是在某一特定的实验条件下实验出来的经验数据。这些实验条件包括:工件及 坯料尺寸、材质、模具圆角半径、润滑状况及压边情况。在圆筒形件的实际拉深 实践中,虽然理论分析与经验积累已为方案的制订提供了依据与原则,但这仅规 定了选择参数的大致范围。在可行域内,参数的选择仍靠经验。 目前,国内外对简形件极限拉深系数研究较多,详细地总结了板料成形中圆 筒形件拉伸系数的若干影响因素,并基于最大承载原则提出了一些计算圆筒形件 拉深系数的公式。但当前主要研究的是计算出拉伸件的极限拉深系数,而很少研 究如何改善圆筒形件的极限拉深性能。 本文在总结了目前板料成形研究现状和研究方法及详细阐述了拉深成形理 论、板料成形数值仿真理论。运用等面积法,结合有限元分析法和实验,对带预 制孔成形件的极限拉深系数进行研究。针对带预制孔圆筒形件的拉深特点,通过 模拟分析并结合实验推导出了带预制孔板料成形极限拉深系数的计算新方法。并 采用正交实验法及0 6 1 8 优选法,结合实验本身制定合理的试验方案,重点考虑 因子及水平的选择。选择合理的试验参数,并由实验验证。 关键词:预制孔、拉深、等面积法、极限拉深系数n l c 、筒形件、正交试验法 广东t 业人学硕卜论文 a b s t r a c t d r a w i n gi sa l li m p o r t a n ts h e e tm e t a lf o r m i n gt e c h n i q u e i ti su s e de x t e n s i v e l yi n m a n yp r o d u c t s ,s u c ha sa u t o m o b i l e s 、t r a c t o r s 、a i r p l a n e s 、w a t c h e s 、e l e e t r i c s 、 i n s t r u m e n t sa n do t h e rc o n s u m e rg o o d s t h et e c h n i c a ll e v e lo fd r a w i n g , i naw a y , r e f l e c t st h ei n d u s t r ym o d e r n i z a t i o no fan a t i o no r z o n e f o r m i n gl i m i ti so n eh o t q u e s t i o n si nt h ed r a w i n gr e s e a r c hf i e l d a sf o rd r a w i n gp r o c e s s ,i ti sv e r yi m p o r t a n tt o c o n f i r mt h el d r ( 1 i m i t i n gd r a w i n gr a t i o ) t h el r di sai m p o r t a n ti n d e xo fb l a n k s p r e s s i n g i ti st h eb a s i cg u i d et od e c i d et h et e c h n i q u eo fd r a w i n g c y l i n d r i c a lc u pi sas i m p l ef o r m i n gp r o c e s s b u ta sf r o md e f o r m a t i o nm e c h a n i c s , c u p d r a w i n go fac y l i n d r i c a lc u pi sac o m p l e xp r o c e s s n o wt h ep l a s t i ci n s t a b i l i t yo f c u pd r a w i n go fac y l i n d r i c a lc u pi su s u a l l ym e a s u r e db yl i m i t i n gd r a w i n gr a t i o y e tt h e l i m i t i n gd r a w i n gr a t i oi se x p e r i e n c ed a t ab a s e do ns p e c i a le x p e r i m e n tc o n d i t i o n i ti s i n c l u d e :d i m e n s i o no f w o r k p i e c ea n db l a n k 、m a t e r i a l 、f i l l e tr a d i u so f t o o l i n g 、l u b r i c a t e a n dp r e s s a st oc y l i n d r i c a lc u pd r a w i n gi n p r a c t i c e ,a l t h o u g ht h e o r ya n a l y z ea n d e x p e r i e n c ea c c u m u l a t i o nh a v ep r o v i d e dp r o o fa n dp r i n c i p l ef o rm a k i n gp l a n b u ti tw a s j u s tp r e s c r i b e dt h er a n g eo fc h o o s i n gp a r a m e t e r i nt h i sr a n g e ,t h ec h o i c eo fp a r a m e t e r i ss t i l ld e p e n do ne x p e r i e n c e a tp r e s e n t ,t h e r ea r em a n yr e s e a r c ho nc y l i n d r i c a lc u pd r a w i n gn o to n l yi nh o m e b u ta l s oa b r o a d a n ds u m m a r i z e dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fc u p - d r a w i n go fa c y l i n d r i c a lc u pd e t a i l e d b a s e d0 1 1m a x i m u mb e a rp r i n c i p l e , t h e yp r o p o s e ds e v e r a l c o m p u t i n gf o r m u l a so fh o wt oc a l c u l a t et h el d ro fc y l i n d r i c a lc u p b u tm o s to ft h e m r e s e a r c h e da b o u th o wt oc a l c u l a t et h el d r , s e l d o mr e s e a r c h e da b o u th o w t oi m p m v e t h ed r a w i n ga b i l i t yo f c y l i n d r i c a lc u p t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t u sa n dr e s e a r c hm e t h o do fb l a n k - f o r m i n g , e x p o u n dt h ep r i n c i p l eo fd r a w i n gf o r m i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r i n c i p l eo fb l a n k f o r m i n g a n di n t r o d u c et h es i m u l a t i o ns o f t w a r ed y n a f o r mb r i e f l y w ew i l lr e s e a r c h t h el d ro fp r e h o l eb l a n kb ye q u a l a r e aw a y 、f i n i t ee l e m e n ta n dt e s t i n g w ea i ma t c y l i n d r i c a l - c u po fh o l e ,t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i tw i l lp u t f o r w a r dan e ww a yt oc a l c u l a t et h el i m i td r a w i n gr a t i oo f h o l e c u pb l a n k 1w i l lw o r k i l a b s t r a c t o u tt h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a mt h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co f t h i s e x p e r i m e n t w em a k eac h o i c eo fe x p e r i m e n t a lf a c t o ra n dl e v e lo fe x p e r i m e n t a tl a s t w ew i l lc h o o s et h es u i t a b l ee x p e r i m e n t p a r a m e t e r k e y w o r d s :p r e f a b r i c a t e - h o l e s 、d r a w i n g 、e q u a l a r e aw a y 、l i m i td r a w i n gr a t i o 、 c y l i n d r i c a lc u p 、o r t h o g o n a le x p e r i m e n t i i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以 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,不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明,并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的,论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任,特此声明。 指导教师签字: 论文作者签字: 毋年6 月斗日 | 5 9 蟹满 以蟹杨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于企业合作项目“汽车零件精密成形工艺与模具设计”( 项目编号: 2 0 0 7 2 8 1 ) 。 1 1 2 课题研究的目的和意义 板料的拉深成形是板料冲压加工中一种典型而非常重要的工艺方法n r 3 1 。 拉深工艺在生产中应用非常广泛,可以说拉深变形是冲压板料成形工艺中最典型、 最复杂的一种成形工艺,也是应用最广的一种冲压工艺。 对于拉深工艺而言,极限拉深系数【i i l c 】的确定是一个非常重要的问题“1 。 毛坯料的极限拉深系数是一种重要的冲压性能指标,它是决定拉深工艺方法的基 本依据。根据毛坯料的极限拉深系数制定合理、正确的拉深工艺可以减少拉深成 形工序,大大减低生产成本,提高生产效率。另一方面,极限拉深系数的确定能 保证和提高成形件的生产质量。因此,国内外许多研究机构和人员都在围绕该问 题进行研究。筒形件虽是典型的轴对称拉伸件,在拉深过程中材料的变形相对简 单,但是在实际生产过程中,由于影响因素很多( 包括毛坯材料本身性能及相关 工艺参数的设置) ,且各因素间又相互制约,故如何准确的计算圆筒形件的极限拉 深系数成为一个非常复杂的非线性多因子的问题。故要准确的预测极限拉深系数 也是一个复杂的课题。 极限拉深系数的确定及计算过去使用的方法主要集中在查表和使用经验公 式、数值计算等方法,现在也出现了模糊信息优化技术等新的求解方法。我们对 一般的筒形件的工艺制定中采用查表和经验公式法来确定极限拉深系数,这种方 法简单易行,对于简单常见的筒形件拉深也很实用,给工程应用带来了很大的方 便。但是采用这种方法所得的值由于没有考虑太多的影响因素,往往带有很大的 近似性和随机性,并没有反应变形的本质。当在某些生产条件改变的情况下( 如 润滑改善和加工特种材料) ,我们往往无法通过查表和经验公式。因而,只能根据 设计人员的经验来设计,这样不仅增加了工序,提高成本,增加试模次数加大模 广东t 业大学硕t 论文 具的损耗。 在实际生产中大量的筒形件中都有孔系存在,拉深成形后零件就成立体形状, 冲孔困难很大璐。如果在平板毛坯上预先冲孔后再拉深,则可使模具结构和工艺 过程简单化。但是,孔的存在会使后续拉深变形过程中变形性质发生变化,产生拉 深、翻孔等多种变形趋向。在一定条件下可能以某种变形为主;当条件改变时,可 能是几种变形同时发生或几种变形交替进行。带孔板料拉深变形过程中的变形趋 向不确定性随板材外形复杂程度、材料性质、模具参数、工艺参数而异。如何控 制板材的变形,使有利的变形趋势得到发展,不利的变形趋势得到抑制,对于提高 冲压件的质量和精度都具有十分重要的意义。 因而,本课题主要讨论对带预制孔板料成形极限的研究。由上文可知,板料 带预制孔后在拉深过程中其变形性质将发生改变。综上所述,由于带预制孔筒形 件拉深是一项影响因素多、复杂程度高对一些给定零件的成型过程通常会受到以 下因素的影响如1 :材料、几何形状、加工设备、加工条件等。而这些因素之间又 存在的相互影响只有到实际生产中才会发现这样那样的问题,然后修改设计,这 样势必严重损害效率并造成极大浪费。随着我国工业的现代化,要求制造商不断 推出新产品,努力减少产品更新换代周期,以提高企业和产品的竞争力,这就要 求他们努力提高工艺设计效率。因而,传统的手工工艺设计方法必然面临一场根 本上的变革,这便要求我们找到一种更加先进的方法:该方法能准确,迅速地确 定出带预制孔板料极限拉深变形程度。并能相应有针对性地优化模具设计。因此 本课题非常具有实际意义和指导意义。 1 2 课题主要研究内容及目的 本课题在对不带预制孔圆筒形件极限拉深分析总结的基础上,对带预制孔筒 形件拉深过程进行分析,并建立有限元分析模型,利用d y n a f o r m 分析软件进行仿 模拟研究。首次,采用模拟仿真、正交试验及0 6 1 8 优选法相结合的方法对带预 制孔板料极限拉深进行研究。通过筛选拉深过程中的影响因子,即而可知:凹模 圆角半径、压边力、板料相对厚度为三个影响最大的因子7 1 ,并分析该三个参数 对带预制孔板料在成形过程中的影响。故本课题研究的主要内容如下: 1 2 1 主要研究内容 ( 1 ) 采用理论分析和仿真实验相结合的方法,分析带预制孔毛坯的拉深成形 2 第一章绪论 过程中的影响因素6 1 :材料属性、毛坯直径、凸、凹模圆角半径、毛坯厚度、模 具间隙、压边力及润滑情况等。而由于外部条件制约及影响因子的重要程度,筛 选出凹模圆角半径、压边力和板料厚度为研究对象。 ( 2 ) 采用等面积法,并结合现有极限拉深系数的计算公式。对现有计算公式 进行修正,使之能反应拉深系数与带预制孔面积之间的关系。 ( 3 ) 以正交实验法为基础,根据自身实际情况,筛选实验因子,制定符合课 题本身的实验方案。这样既能减少试验次数,又能更加全面的得到实验数据,更 好的反应实验本身。 ( 4 ) 使用d y n a f o r m 软件对建立的有限元模型进行仿真模拟,分析过程参数 对变形区的应力、应变分布的影响规律。 ( 5 ) 由仿真结果及极限拉深系数公式的修正,及在实际操作实验中的验证。 可知,带预制孔对提高圆板料的极限拉深成形性能的有效性和可行性。 本课题通过对带预$ 1 j 孑l 圆板料的极限拉伸系数的计算。可知,由正交试验法、 有限元模拟法及等面积三者结合用于提高圆板料的极限成形性能是行之有效的。 该方法不仅可以应用在简单的圆筒形件中,还可以应用在其他类型的拉伸件中。 1 3 国内外对板料拉深成形的研究概况 目前,国内外对板料极限拉深系数研究较多。但是,其研究的主要针对的是 极限拉深系数的影响因素和近似计算极限拉深系数i i l c 的公式上。但是由外部条件 的变化,提高板料的变形程度,降低板料的极限拉深系数的研究还是比较少的。 w h i t e l e yn 1 首先说明了各向异性在对称件拉深中的重要性。在一些实验研究 中也得到了同样的结论9 1 4 1 :平均各向异性系数值f 对极限拉深系数起着很大 的影响作用而应变强化指数n 对极限拉深系数的影响要小一些。m o o r e 和 w a ll a c en 5 1 认为平均各向异性系数值f 的升高会导致拉深过程的极限拉深系数减 小。w p e t z o l d 和m o t t on 通过增加径向压缩压力降低l d r 。 邓陟和陈鹤峥m 1 对平底杯形件拉深成形的承载能力和极限拉深系数的近似 计算进行了分析讨论,给出了各因素的影响程度,给出了承载能力和极限拉深系 数的两个经验公式。文献n 盯为各种应力应变关系导出了硬化指数n 值与极限拉 深系数的关系式。文献钉给出了计算厚向异性材料在加工硬化条件下的拉深应 力与危险断面失稳强度的计算公式,并预测了圆筒及带凸缘圆筒的首次拉深的极 广东t 业大学硕l j 论文 限拉深系数,文献伽1 基于塑性流动的最大承载原则,利用积分方法推导了一个 估算圆筒件拉深时极限拉深系数的实用新方程。杜华平乜1 1 采用的种新的拉深凹模 型腔曲面( 等切面曲线凹模) 降低凹模圆角半径造成的摩擦阻力和弯曲变形阻力, 凹模曲面对毛坯变形区的作用力也有助于使它产生切向压缩变形,从而可以采用 相对厚度较小的毛坯而不致起皱,达到减小极限拉深系数。 如上述的这些研究主要集中表明了材料性能:如平均各向异性系数值f 和应 变强化指数n 对极限拉深系数的影响及外部因素对极限拉深性能的影响。本课题 将在总结前人的基础上,由等面法结合数值仿真达到降低极限拉伸系数、减少生 产工序,降低生产成本。 1 4 板料拉深成形过程 圆筒形件的拉深过程如图( 1 1 ) 所示。在凸模作用下原始直径为d o 的毛坯, 在凹模端面压边圈之间的间隙中变形,并被拉进凸模与凹模之间的间隙里形成空 间零件的直壁。零件上高度为h 的直壁部分是由毛坯的环形部分( 外径d o ,内 径为d ) 转化而成的兹1 。由此可见毛坯的主要变形集中在凹模表面的凸模上,拉 深过程就是使凸缘部分逐渐收缩,转化为筒壁的过程。其中,拉深是毛坯的外部 环形部分是变形区,而底部通常是不参加变形的不变形区。 0 蠢j li a 一 ; v 申 i z l 工 2躲研哪譬尤 图l 一1 圆筒形件的拉深 f i g 1 1d r a w i n go fc y l i n d r i c a l 1 4 1 板料拉深过程中的主要缺陷 1 4 1 。1 起皱问题及防皱措施 拉深成形过程中,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。坯料起皱严重后,由于不能通过凸模与凹模之间的间隙而被拉 4 第一章绪论 裂,造成废品。即使轻微起皱的坯料可勉强通过模具间隙。但也会在零件的筒壁上 留下皱痕,影响零件的表面质量2 3 1 弋捌。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。 起皱是由于切向压应力使凸缘材料失去稳定所造成的在凸缘的外边 缘为最大,故起皱也首先在最外缘出现。拉深成形时坯料凸缘起皱与材料力学中 的杆件受压失稳现象有些类似。它不仅与凸缘变形区的切向压应力大小有关 而且与凸缘变形区的相对厚度五考f ( d 为坯料外缘直径;以为凸模直径;t 为坯料厚度有关) 。在拉深过程中一是随着拉深的进行而不断增加的,但凸缘 变形区却不断地缩小,厚度也不断增大。亦即击不断增加前者增加失稳起皱 u n p 的趋势,后者却提高抵抗失稳起皱的能力。两个作用相反的因素在拉深中互相消 长。它的变化规律与q 一的变化规律也很相似。凸缘起皱最强烈的时刻基本上也 就是矿慧出现的时刻。 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会起皱作出 判断。以便采用合理的工艺过程和模具,如果该零件拉深成形时,坯料不会发生 起皱;则应采用结构简单的不带压边装置的模具。也可考虑采用较小的拉深系数 否则,便应采取防皱措施。以保证获得良好质量的零件如上所述。凸缘发生起皱 的趋势在拉深过程中是变化的。与此相适应,由压边装置施加于坯料凸缘部分的 压边力也应是变化的很显然。在实际生产中,要提供满足变化规律的压边力是非 常困难的,由于压边力的大小是影响拉深成形过程顺利进行的重要因素之一。因 此,在生产中,通常只对零件坯料凸缘部分施加必要的,最低限度的压边力。压 边圈是生产中应用最为广泛而且行之有效地防止坯料凸缘起皱的措施如下图 ( 1 2 )。 5 广东t 业人学硕i j 论文 :,7 i a ) 带固定压边圈的模具结构b ) 不同形式的固定压边圈 1 4 1 2 拉裂问题及措施 圆筒形零件拉深成形过程中。由于坯料各部分所处部位,变形性质及其变形 历史的不同。成形后零件各部位的壁厚变化也是不等的。变化规律为,外部凸缘 材料厚度增加,进入到r 0 6 1 r t 的内部板厚由增加转为减薄。在凸、凹模间 隙之间的悬空区域。板厚减薄严重,在凸模的底部。由于凸模与底部的摩擦作用, 板厚减薄不多当拉深成形过程继续进行时,凸缘材料逐步收缩转化为筒壁。最后 转化为筒壁的材料保持增厚状况,而最早转化为筒壁的悬空区域下端材料。由于 其受拉变薄的变形时间最长。因而就成为筒壁中拉伸变薄最为严重的部位2 2 瑚瑚1 。 通常,圆筒形拉深成形零件壁厚变薄最为严重的部位是筒壁直段与凸模圆角 相切处:即危险断面,这是由于该处材料利用凸模有利摩擦效应最少。甚至材料 与凸模脱离接触的缘故。如果在拉深成形中筒壁材料所承受的最大拉应力超过了 其承载能力,则将在危险断面处发生拉裂现象,筒壁拉裂一般发生在最大拉深成 形力出现之前的拉深成形初始阶段,造成筒壁材料拉裂的原因。可能是由于凸缘 起皱,坯料不能通过凸、凹模间隙,使筒壁拉应力增大,或是由于压边力过大, 使筒壁拉应力增大,或是因坯料变形程度太大的原因。 因此,保证拉深成形过程顺利进行的必要条件是,筒壁传力区所承受的最大 拉应力应当小于其危险断面的抗拉强度,或称承载能力。 1 4 2 板料成形极限研究 材料在一定拉深成形条件下,其筒壁传力区的最大拉应力的数值,取决于拉 深秉性程度的大小一即拉深系数m ,m 值越小,筒壁的最大拉应力越大。当最大 6 第一章绪论 拉应力之值增加到筒壁危险断面的抗拉强度,使筒壁的承载能力达到极限,危险 端面濒临拉裂时,这一极限变形状态下的拉深系数称之为筒形件极限拉伸系数, 以r a 耐。表示,即薄板材料拉延成形时极限变形程度大小的重要参数,也是板料拉 深成形性能好坏的重要指标之一。则由最大拉深力和危险断面的最大承载力 已计算公式可计算极限拉深系数的理论计算公式3 : 尸眦的计算公式:= 5 d t o c r bi i l 二 ( 1 - 1 ) 式中:d 一凸模直径( m m ) ;气一为坯料的原始厚度( n u n ) ;一为材料的 抗拉强度( a ) ;m 一拉深系数 巴的计算斌p 仃= 2 n r o t o c l 吒( 浩厂 ( 1 - 2 ) 式中: 一凸模半径( m m ) ;岛一为坯料的原始厚度( i 砌) :吒一为材料 的抗拉强度( a ) ;艮一材料厚向异性指数;n - 硬化指数;q 一弱化系数,其 值一般介于0 9 o 9 4 之间。 令式( 1 - 1 ) 等于( 1 2 ) ,即可以得到极限拉深系数的理论计算公式: h 班曲= 号( 丽1 + rj 1 + 8 m 3 , 当生产中遇到新材料或较为特殊的拉深成形条件,不能从现有的手册中查到 对应的极限拉延系数时,可利用上述公式进行理论估算,这样能较少工作中的盲 目性。从前面的讨论中已经知道,极限拉深系数m 删。的大小,取决于筒壁传力区 的最大拉应力和危险断面的抗拉强度。一般来说,凡是能够是筒壁传力区的最大 拉应力减小,使危险断面的抗拉强度增加的因素,都有利于极限拉深系数的降低。 因此,一般提高板料极限拉深都是从这两方面入手的。 下面从理论上分析筒壁危险断面的承载能力问题,如上所述,筒壁传力区的危 险断面位于筒壁和凸模圆角相切处,因此,其变形应同时满足筒壁和凸模圆角两 部分的变形条件,既要考虑筒壁受凸模的制约作用切向收缩受阻,为平面应变状 态,又要顾及凸模圆角部分的三维应力应变状态对其产生的影响。危险断面的受 力状况如图( 1 3 ) 7 广东工业人学硕 :论文 图1 3 凸模圆角处材料受力分析 f i 9 1 3f o r c ea n a l y s i so f p u n c h - n o s e r a d i u s 设材料的应力应变关系符合幂次式: q 刊岛,且令詈硝,詈啪则式( )o to t ( 1 4 ) 可改写为:q = k i q = k i a 掣 ( 1 5 ) 舯:k = 忙万考褊 这里的分析中考虑材料的各向异性性质对变形的影响,因而在公式中引入厚向异 性指数r 值。筒壁的承载能力即为: 皇= 2 万吒f q = 2 r c r l t o e “q ( 1 6 ) 上式表明:筒壁传力区的承载能力p ,不仅与材料性能参数有关,而且与材料和 模具的尺寸也有很大关系。 8 第一章绪论 1 5 本章小结 本章明确了选择本课题的目的和意义,确定论文要研究的主要内容和研究方 法,指出目前研究圆筒形件成形极限的主要方法和手段及研究现状,为下一步的 研究工作打下坚实的基础。 9 广东t 业人学硕j :论文 第二章筒形件带预制孑l 拉深成形理论 2 1 筒形件拉深时的变形特点 2 1 1 筒形件拉深过程的分析 在拉深过程中毛坯各部分的受力情况与变形情况都是不同的而且随着拉深 过程的进展也在变化假想从拉深前平板毛坯上取出一个扇形部分( 见图2 1 ( a ) 部分) ,分析其在拉深过程中的变形特点。 在凸模作用下,平板毛坯逐渐地被压入凹模并形成圆筒的形状。此时直径为 d 并与凸模端面相接触的部分毛坯:即扇形毛坯d g d 0 部分,在全部拉深过程中 始终保持其平面形状。而且这部分毛坯基本上不产生或者只产生不大的塑性变形 在筒形件拉深时,这部分毛坯起力的传递作用由它把接受到的凸模作用力传给毛 坯的圆筒形侧壁,使其中产生轴向的拉应力。而本身的受力情况相当于周边受均 匀拉应力的圆板,是双向受拉的应力状态n 1 。( 如图2 2 ) 在拉深时形成的圆筒形的侧壁部分c l d l e l r l f( 图2 1b 部 分) ,是已经结束了塑性变形阶段的已变形区,由平板毛坯的c o d o f o 部分转化 而成。在以后的拉深过程中,它也起力的传递作用,把凸模的作用力传到平面法 兰部分a i b i e i f l 并使其内部产生足以引起拉深变形的径向拉应力q 图2 2 平 面法兰部分a 1 b l e l f l 是拉深时的变形区,在径向拉应力的作用下产生塑性变形并 向中心移动,逐渐地进入凸模与凹模形成的间隙里,最终形成零件的圆筒形侧壁, 即图2 l ( c ) 中的a b c d 部分 图2 一l 拉深毛坯变形特点 f i g 2 - 1d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fd r a w i n gb l a n k l o 割钠一稳 第_ 二章筒形件带预制孔拉深成形理论 拉深变形区在向冲模中心移动由于其圆周方向上的尺寸也随着减小,分析这 时它受到相邻部分金属的相互作用,不难得知在圆周方向产生了切向压应力吒从 上面的分析可知拉深变形区处于径向受拉和切向受压的应力状态又从图( 2 1 ) 可以看出,拉深后毛坯在圆周方向上( 即切向) 产生压缩变形,其外边缘由初始长度 r o a 缩小成为d a 2 ;而在径向则产生伸长变形,由毛坯的初始尺寸r 0 - d 2 变成 为产品零件的高度h r 0 - d 2 图2 2 拉深时毛坯内各部分的内应力 f i g 2 2i n n e rs t r e s so f e a c hp a r td u r i n gd r a w i n g 在拉深时板料的厚度也发生变化厚度方向上的变形取决于径向拉应q 和 切向压应力巳之间的比例关系在拉深变形区内各点上q 和吒之间的比例是变 化的而且q 和吒又受到许多因素如变形程度材料性能、模具的几何形状、 润滑等的影响所以对厚度方向的分析是相当复 杂的。不过在一般情况下拉深零件厚度变化的 大致规律。可以从图( 2 3 ) 中看出:在圆筒形件 的侧壁上部厚度增加的最多,约为1 8 而在靠 近底部园角部位上板料厚度最小,厚度减小了 近9 所以这里是拉深时最容易被拉断的危险 网2 - 3 衙形件照朦的变化( ) f ir 2 - 3 c h a n g eo fc u pt h i c k n e s s 部位。 2 1 2 筒形件拉深过程各分区的应力和应变状态 图( 2 4 ) 显示了圆筒件拉深时各区的应力应变状态,根据应力应变状态及在拉 深时所起的作用不同,可将毛坯划分为5 个区域n 柏: 1 ) 法兰部分这是拉深时的主要变形区,受径向拉应力c 和切向压应力 的作用。如果数值太大,则在变形过程中法兰会失稳起皱,为防止起皱, 常采用压边圈对法兰施加压边力,此时,板厚方向上有压应力q 。其应变状态为 广东t 业大学硕士论文 径向拉应变和切向压应变岛,由于法兰部分的最大主应变是切向压应变,的 绝对值最大,因此板厚方向产生拉应变毋,板厚稍有增大,在法兰外缘,厚度增 加最大。 2 ) 凹模圆角部分这是由法兰进入筒壁部分的过渡变形区,材料的变形比 较复杂。除有与法兰部分相同的特点外,还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用 而产生压应力q 。在该区域,拉应力q 的数值最大,相应的径向拉应变t 数值 也最大。因此板厚方向产生压应变e 。板料厚度略有减薄,材料离开凹模圆角后, 产生反向弯曲( 校直) 3 ) 简壁部分这是已变形区,这部分材料已经形成筒形,基本不再发生塑 性变形。但它又是传力区,受单向拉应力作用,在此拉应力作用下,产生相应的 径向拉应变、切向压应变岛和厚向压应变q 。 4 )凸模圆角部分这是筒壁与筒底的过渡变形区,它承受径向拉应力t 和切向拉应力的作用,同时在厚度方向由于凸模的压力和弯曲作用而受到压应 力q 的作用,其应变状态与筒壁部分相同,但是其压应变q 所引起的变薄现象比 筒壁要严重得多。 图2 _ 4 圆筒形件拉深各区的应力应变状态 f i g 2 - 4t h es t r e s s & s t r a i ns t a t eo fc u pd r a w i n g 2 2 带预制孑l 板料拉深成形探讨 2 2 1 带预制孑l 板料拉深的特点 大量的冲压件中都有孔系存在,拉深成形后零件就成立体形状,冲孔困难很 1 2 第二:章筒形件带颅制孔拉深成形理论 大。如果在平板毛坯上预先冲孔后再拉深,则可使模具结构和工艺过程简单化。 但是,孔的存在会使后续拉深变形过程中变形性质发生变化,产生拉深、翻孔等多 种变形趋向。 拉延的同时孔是否会发生变形? 如果发生变形,其变形量究竟有多大? 在可 能遇到的不同润滑剂的条件下,上述结果会有怎么样的变化? 如此众多的问题如 果得到解决,在编制工艺方案及模具设计时就可以根据有关判据及变形量的计算 决定工序的复合问题、毛坯及预冲孔的大小问题等等。从而可以避免设计的盲目 性及模具套数,减少生产浪费现象。拉延时由于孔的变形,可以增加成形高度, 是一次无法成形的零件有可能通过预冲孔的变形达到零件高度,故可以提高零件 的成形极限降低毛坯的极限拉深系数。从这种意义上讲,对提高生产效率及降低 产品成本都有好处5 1 。 2 2 2 带预制孑l 板料拉深变形区应力应变分析 根据圆筒形零件拉深时毛坯内各部分的受力情况与应力状态的不同,可以把 毛坯分为如图( 2 5 ) - - 个部分。毛坯的变形区,即法兰部分受径向拉应力仃,和切向 压应力的作用。直壁部分处于只有轴向拉压力作用的线性状态。毛坯的底部受 双向拉应力的作用,相当于四周受径向拉应力作用的圆板。 i 户 图2 - 5 拉深毛坯的应力状态 f i g 2 5s t r e s sc o n d i t i o no fd r a w i n gb l a n k 广东t 业大学硕1 :论文 由凸模作用力p 引起的毛坯侧壁内的拉应力= p 沿周围的分布是均匀的, 其数值大小应能引起拉深毛坯变形区一毛坯的法兰部分发生塑形变形。拉应力的 数值,除应克服变形区的变形阻力瓯变形区上下表面与压边圈表面和凹模表面之 间摩擦阻力外,还必须克服毛坯在凹模圆角区域内弯曲变形所形成的弯曲阻力。 为克服上述阻力所必须的拉应力p 为3 3 1 : p业 p = 南= ( 盯r + 仃声) p2 +仃w ( 2 1 ) 式中:矾使拉深变形区产生塑像变形所必需的径向拉应力,其值取决于板 料的机械性能与拉深时的变形程度: 吒一克服由于压边力q 所引起的毛坯与压边圈和凹模表面之间摩擦 阻力必须增加的拉应力部分,其值为仃。:2 1 , _ _ q q 一; ;, t a f t 吼一克服毛坯在凹模圆角区范围内产生的弯曲变形阻力而必须增加的 拉应力部分; p 了一考虑毛坯沿凹模圆角表面滑动时产生的摩擦阻力的系数; 一摩擦系数。 因为p 譬l + 竿1 + 1 6 ,代入式2 1 可得 p = ( 仃,+ 仃口) ( 1 + 1 6 1 t ) + 仃w ( 2 2 ) 从拉深变形区截取夹角为口的扇形部分( 如图2 6 ) 。宽度为搬的条状扇形 微体的平衡条件是: 图2 - 6 变形区应力分析 f i g 2 6s t r e s sa n a l y s i so f d e f o r m a t i o nz o n e 1 4 第二章筒形件带顾制孔拉深成形理论 q 尺口f + d ( a ,r a t ) 一q 尺讲+ 2 f 宰d xs i n 导积= o ( 2 3 ) z 因为所取的夹角很小,所以可以取s i n 詈詈;代入式2 - 3 ,并整理可得 r d c r ,+ ( 仃,+ 仃口) d r = 0 ( 2 - 4 ) 根据塑形条件有:盯,- i - 仃p = 仃s ;式中是考虑中间主应力影响的系 数,可近似的取为p = 1 1 ,故可得: 盯r4 - 盯口= 1 1 0 s ( 2 5 ) 将其代入2 - 4 ,并整理可得: 峨一1 - 1 仃。等 ( 2 - 6 ) 上式积分可得:q = 一1 1 n 警 ( 2 7 ) 上式中的q 是毛坯变形区内各不同部位上金属的变形抗力。由于不同部位上金属 所经历的塑性变形程度不同,所以由于冷变形硬化的作用,使变形区内各点上金 属的变形抗力吒也不同,但是为了计算的需要再此取q = 吒。为一常量。0 3 。是 变形区内不同部位金属变形抗力的平均值。于是( 2 - 7 ) 可整理得: q = - 1 1 n ,百d r ; 积分可得:q = - 1 1 吒,l n r + c ( 2 - 8 ) 当r = r 时,在毛坯变形区外缘的自由表面上径向拉应力的数值为零,即在 r _ 足时,o r = 0 ,代入上式可得c = 1 1 0 s 。l n r 。将c 代入式2 - 8 可得拉深变形区 内各点匕径向拉应力的计算式: c r = - 1 1 吒m l n 丢 ( 2 9 ) 利用式( 2 - 5 ) 与式( 2 9 ) ,并取吒= q ,即可得到拉深变形区内各点上切向应 力的计算式:t r o = 1 1 t 。( 1 一门争 ( 2 1 。) 根据式( 2 - 9 ) 与式( 2 1 0 ) 计算所得到的变形区内径向应力与切向应力的分布如 图( 2 7 ) 所示。由图2 7 中的分布曲线可以看出:径向拉应力的数值,在变形区外 1 5 广东t 业人学硕i j 论文 边缘为零,而在变形区内边缘,即凹模入口处达到最大值。切向压应力的数值, 在变形区内边缘最小,在变形区外边缘达最大值。 口 户 图2 7 变形区内径向应力与切向应力分布 f i g 2 7d i s t r i b u t e do fr a d i a ls t r e s sa n dt a n g e n t i a ls t r e s si nd e f o r m a t i o nz o n e 在拉深变形区内径向应力t 与切向应力相等时,即当q = 时,由式( 2 9 ) d 与式( 2 1 0 ) 得:l n 等= 0 5 ,亦即: r = 0 6 0 6 r 。( 2 1 1 ) 上述的分析表明,在拉深变形区内,在r - - 0 6 0 6 r 的位置上,径向应力的大 小恰好与切向应力相等,方向相反,所以在这个位置上的金属处于平面应变状态, 厚度方向上的应变等于零。在这个位置上板料的厚度不增大,也不减小。当 r 0 6 0 6 r 时, 即在所有半径大于0 6 0 6r 的位置上,切向应力大于径向应力,切向应变也大于 径向应变,而厚度方向上的应变是正的,板厚增大。 2 2 3 带预$ 1 j :f l 板料极限拉深系数的讨论 2 2 3 1 带预s u j :l 板料极限拉深系数的影响因素分析 在一定的成形条件下,筒形件的极限拉深系数大小取决于筒壁传力区的最大 拉应力。当最大拉应力增加到筒壁危险断面的抗拉强度筒壁的承载能力达到极限 值,危险断面濒临拉裂。此时的拉深系数即为该筒形件的极限拉深系数,总的来 1 6 第_ 二章筒形件带预制孔拉深成形理论 说,凡是能够使得筒壁传力区的最大拉应力减小,使危险断面抗拉强度增大的因 素,都有助于极限拉深系数的降低。其主要影响因素如下“7 埔1 : 1 ) 屈强比:q 对于屈强比吼l o b 越小的材料,通常塑性较好,筒壁传力区最大拉应力相对 值也越小,同时危险断面的抗拉强度也相对较大。因此其极限拉深系数【m 】可以取 得更小的值。 2 ) 加工硬化指数n : 加工硬化指数n 值表示在塑性变形中材料硬化的强度。硬化指数n 值大的材 料在相同的变形程度下,真实应力的增加要多。因此对加工硬化越强的材料材料 越不容易产生拉深细颈,因而危险断面的严重变薄和拉断现象也可相应延迟但是 n 值增大的同时也增加了法兰变形区的变形抗力。因此对极限拉深系数【m 】是两方 面的。总的来说是有利,但是这个影响并不是很大。 3 ) 厚向异性指数r : 由于结晶与轧制等原因,板料塑性在各个方向上有差异,称为板料的塑性各向 异性。板料的塑性厚向异性表示板料宽度方向与厚度方向之差异,又称板料的厚向 异性指数或塑性应变比,通常用r 表示。厚向异性指数对极限拉深系数有着更为 显著的影响,厚向异性指数增大在明显提高失稳强度的同时,又在一定程度上降 低了法兰变形区的屈服强度。这样,在板料拉深时,毛坯在拉应力作用下,厚度 方向上的变形比较困难,即变薄量小。而在板料平面内与拉应力垂直的方向上的 压缩变形比较容易,因而有利于极限拉深系数取得更小值。 4 ) 板料相对厚度 当材料一定,凸、凹模圆角半径一定,且摩擦条件也一定时,极限拉深系数 就取决于材料的相对厚度和工件直径( 或凸、凹模尺寸r p 及心) 极限状态t - r 件直径与毛坯原始尺寸d 也存在一定的关系。故相对厚度是一个与料厚,毛坯 尺寸及工件直径相关的参量。实际上,相对厚度本质上是通过压边力对拉深极限 产生影响。工件相对直径越小,极限状态下的相对厚度越大,所需的不起皱单位 压边力及压边面积就越小,减少摩擦损耗。因此极限拉深系数也可以更小。 5 ) 凸、凹模圆角半径 凸模圆角半径r 。的值对于筒壁传力区的最大拉应力影响不大,但是却影响 危险断面的抗拉强度尺。值太小,板料绕凸模弯曲的拉应力增加,降低危险断面的 1 7 广东t 业大学硕l :论文 抗拉强度。但是若尺。值太大,又会减少传递拉深力的承载面积,同时还会减少凸 模端面与板料的接触面积增加板料的悬空部分,易产生内皱现象。 凹模圆角半径如若太小,使得板料在拉深过程中弯曲阻力增加,从而增加了 筒壁传力区的最大拉应力,不利于极限拉深系数的降低但是反之若屹取得太大 又会减小有效压边面积,易于使板料失稳起皱。 6 ) 凸、凹模间隙 如前所述,板料在拉深过程中有厚度变化。因此,对于模具间隙大小,一方 面增大间隙值可以有利于拉深时板料的塑性流动

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