（材料加工工程专业论文）基于有限元模拟的大型厚壁封头热拉深成形理论分析.pdf

重庆大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e f o r m i n g p r o c e s s o f t h i c k s h e e t m e t a l i s d i f f e r e n t f r o m t h a t o f t h i n o n e . a l t h o u g h t h e d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m o f t h e f o r m e r i s n o t s o c o m p l i c a t e d a s t h e l a t t e r , i t s f o r m i n g i s m o r e d i f f i c u l t t h a n t h a t o f t h i n o n e , e s p e c i a l l y t h e d o m e - s h a p e d p a r t s p r o d u c e d f r o m t h i c k s h e e t m e t a l . t h i s p a p e r o v e r v i e w s t h e e x i s t e d f o r m i n g p r o c e s s e s o f t h i c k - w a l l e d h e m i s p h e r i c a l h e a d ; b y d i v i d i n g t h e p l a t e b l a n k i n t o f o u r r e g i o n s : t h e f l a n g e r e g i o n , t h e c i r c u l a r b e n d i n g r e g i o n o f c a v i t y d i e , t h e c o n e r e g i o n a n d t h e s p h e r i c a l r e g i o n , t h e h o t s t a m p i n g p r o c e s s o f t h i c k h e m i s p h e r i c a l h e a d i s s y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e d t h r o u g h t h e t r a d i t i o n a l e n g i n e e r i n g m e t h o d - s l a b m e t h o d , i n c 飞 u d i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f s t r e s s e s a n d t h e l a w o f i t s t h i c k n e s s v a r i a t i o n d u r i n g i t s f o r m i n g p r o c e s s . t h e a u t h o r , t h e n , e m p l o y s a n e f f e c t i v e a n a l y s i s m e t h o d -f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ， a n d u s e s t h e a d v a n c e d n o n -l i n e a r f i n i t e e l e m e n t n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e -m a r c , t o s i m u l a t e t h e p r o c e s s o f h o t s t a m p i n g o f t h e h e a d , a n d v e r i f y t h e v a l i d i t y o f t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s . m e a n w h i l e , i t s d e f o r m a t i o n r u l e s a r e s t u d i e d a n d t h e r e s u l t s a r e c o m p a r e d w i t h t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s . t h e i n f l u e n c e s o f v a r i o u s p r a c t i c a l f a c t o r s a r e a n a l y z e d , s u c h a s t e m p e r a t u r e , f r i c t i o n , e t c . t h e f o r m i n g d e f e c t s a r e a l s o f o r e c a s t e d a n d t h e s o l u t i o n s t o t h e m a r e p r o v i d e d , e s p e c i a l l y t o t h e b o t t o m h e a d w h i c h p r o c e s s e s i r r e g u l a r s h a p e . b a s e d o n t h i s , t h e g e o m e t r i c p a r a m e t e r s o f t h e p l a t e b i l l e t s a n d t o o l s f o r t h e f o r m i n g a r e o p t i m i z e d . l n t h e e n d , t h e p r o b l e m o f t h e b i l l e t v o l u m e l o s i n g a n d t h e d e v e l o p m e n t t r e n d s o f t h e s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y o f f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a r e d i s c u s s e d . k e y w o r d s : s p h e r i c a l h e a d , s l a b m e t h o d f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( f e m ) . s t a m p i n g m a r c , s i m u l a t i o n 重庆人学硕士学位论文i 绪论 1 绪论 1 . 1 论文的 背景 1 该课题 秦山二期6 0 0 m w 核电 稳压器封头锻件成形工艺 研究是 秦 山 二 期6 0 0 m w 核电 稳 压器 锻 件研 制课 题中 的 一 部分， 后者是以 二重集团 公司承接的国营某厂的秦山二期6 0 0 m w 核电 稳压器锻件产品为对象， 并由 国 家计 委 核电 办经 过 众多 专 家评审 论证， 原国 家机械工 业部与 二 重集团 公 司在北 京 签订的国 家 重点 科 技攻 关 项目 专 题 合同， 系“ 九五”国 家重大 技 术装备 科技攻关项目 。 二 重 集团 公 司又 委 托重庆 大学 做了 大量的 研究 工作， 本论文即是在此课题的基础上开展的。 1 .2 课 题的 提出 l 1 近几十年来，随着世界人口 数量的猛增， 现代社会的巨大进步，各国 工业化 进 程加快， 环境 污 染日 益 严 重， 材 料与 能 源危 机己 成为 全 球科学家 共同 关注的 焦点。 许多 发达国 家 不惜斥巨资 采取多 种措施， 通过多种渠道 将目 光对准了 常规以 外的新兴能 源。 核电则首当 其冲，以 其无 可比 拟的优 势， 在近二 十年来， 得到了 迅猛的 发展。西方发达国 家都把发 展核电 作为 发展电 力事业的主要部 分， 其制 造技术发展也相当 快。 核电已 成为重要的 能 源工业。 近几十年来， 世界 各国 都建造了 许多核电 站， 约有2 7 个国家和 地区拥有核电站， 建成并运行的 核电站达4 2 3 座。 核发电量占总发电量比 重高的国家首推法国，约占7 4 . 6 % ;人均核发电量最多的国家是瑞典。当 前， 世界各国正在兴建的 核电 站约 有1 0 0 座， 拟建的约有7 3 座， 加上己 运 行的4 2 3 座， 共 有5 6 9 座 n 。目 前， 按中国 国内 的 产业政策， 核电 亦 将是 我国未来二十年重要的能 源发 展方向。 随着中国 经济高速稳定增长 和国内 外对环保资源及生态环境的要求越来越高，核电工业在我国方兴未艾，国 外己将中国作为世界核电发展的重要国家之 一 。 二重集团公司是国内较早研制核电大锻件的厂家，对核电用 m n - m o 一i 钢及核电锻件的冷热加工技术进行了大量的基础性研究及技术 储备工作。曾对3 0 0 m w , 6 0 0 m w , 9 0 0 m w 核电图纸及技术条件与多家核设 计 重庆人学硕士学位论文 院进行商讨，并对其设计、制造提出 过诸多建设性的意见，对核电压力容 器关 键零部 件压力 壳 和蒸发器等 进行过多 项冷、 热 加工 模拟实 验， 经过多 年的、大量的探索， 取得了大量的工艺技术参数，掌握了许多关键技术和 工艺。 1 9 9 6 年1 1 月2 2 日， 根据国 营某厂和核动力设 计院 对第二重型 机械集 团公司承制稳压器锻件的资格评审，二重承接了 秦山二期6 0 0 m w 核电稳压 器锻件的 研制任务， 签订了 合同。 以 此产品为 依托， 1 9 9 7 年8 月由国 家计 委核电办组织，经过国内众多 专家评审与论证，原机械工业部核电办与二 重集团公司 在北京签订了 国家重点科技攻关项目 秦山 二期6 0 0 m w 核电 稳 压器锻件研制专题合同。 9 8 年4 月， 二重集团又委托重庆大学承担部分 研究工作，主要就上、下封头 热拉深成形的变形规律进行深入的基础理论 研究。 秦山 二期6 0 0 0核电 稳 压 器件 属 商业 用核电 核岛 设备产品， 属于 核安 全一级设备。它主要包括:上、 下 封头， 上、中、下筒体， 支撑筒， 三个 接管嘴， 人孔座， 人孔盖等锻件。由 于对其安全需要，以 及使用条件与工 作环境的 特殊性， 稳压器锻件对钢水的 残余元素 和纯洁度， 组织的 均匀性， 高温强 度等提出了 很高的 要求， 锻造成形以 厚壁带直边半 球形上、 下封头 的 制造 最难，尤其 是外缘带 整圈凸 台( 裙 座， 工 程术语) 的 下封头热 拉深 成形更难。 1 . 3 课题研究的主要内 容 本课题的主要宗旨 是:针对稳压器锻件大型厚壁半球形封头的制造成 形难点，按设计图纸，技术条件，质保要求对成形规律进行深入的分析研 究，以获得较佳的成形条件和工艺参数。根据己查得的文献资料发现，对 于该类大型封头的成形，国内 外一些工厂虽对之作了一定的研究工作，但 主要是从生产中的工艺方面入手进行分析， 在相关塑性成形理论方面的研 究则很少。作者拟在前期工作的基础上， 对出 现的问 题再进行一些深入细 致的工作。利用塑性成形的基本原理和有限元数值模拟方法， 进一步分析 该类封头成形的基本规律，以 提高封头成形工艺及方法的可靠性，为同类 锻件产品的塑性加工提供理论依据。具体主要体现在以下几点: 1 、 利用近似数学解析方法一 主应力法， 分析封头在热拉深成形过程中 的应力分布规律; 2 、 以秦山6 0 0 0 核电稳压器封头为典型实例， 分析讨论其成形前后工 件的壁厚变化规律; 论一 ?一 重庆人学硕士学位论文 3 、 利用有限 元数值模拟软件 -m a r c ， 对上、 下 封头成形过程中 金属的 流动状况进行有限元动态模拟， 并根据模拟结果，分析产生缺陷的原因， 找出解决措施，同时予以 优化; 4 、 总结基础理论分析与有限元模拟结果， 分析讨论坯料原始形状对封 .头锻件成形的影响， 优化坯料原始形状尺寸及模具工作部分形状与尺寸。 1 .4 论文的学术及实用意义 核电大型铸锻件是核岛设备的重要组成部分，在该设备费 用中占有高 比例份额， 是实现核岛设备国产化的重点之一。 “ 八五” 期间国家投入不多， 却取得了 丰硕的 研究成果， 使核电 大型 铸锻件实 现国 产化向 前迈出了 坚实 的一步。 “ 九五” 期间， 应进一步 加强 科技攻关， 加大核电 投入， 加快大型 压水 堆 核电 设 备 大型 铸 锻 件国 产 化的 步 伐 川 。 论文的 研究工作是为了 提高 特大型厚壁半 球形类封头生产工艺的 科学 性和准 确性，为同 类型 产品的 生 产提 供 理论 依 据， 缩短 其生 产周期， 为 其 工装设 计 提供技术支持， 减少前 期生 产及工艺 探索的 工作量，降 低其工作 难度， 避免因前期准备不足而可能带来的不必 要的 损失，实 现以 更低的成 本、 更 短的 周期、 更 好的 质量生 产出 合格产品， 完 成 此类封头的 成形， 为 工厂企业提高经济效益， 增强技术储备的目 的。 研究条件 重庆大学机械传动国家重点实验室为本论文的研究提供了良 好的软 硬件环境。 购买的国际上先进的美国m a r c 公司开发的非线性有限元分 c口、 l件 析软件m a r c / a u t o f o r g e 及美国 斯 坦 福 大学开 发的s u n 工作站， 能 够为 本论 文的完成提供足够的物质保障。 配置如下: 1 . 5 . 1硬件环境 s u n u l t r a 3 0 / 2 5 0 / c r e a t e 3 d 7 6 8 m b / 1 4 g b 2 0 g u n i x 工作站各两套 s u n u l t r a 1 / 1 了 o e / c r e a t e 3 d 1 2 5 m b / i o g b 2 0 g u n i x工作站各两套 奔腾 p h i n t工作站一套 重庆大学硕十学位论文 绪论 5 . 2软件环境 c a d 软件系统:s d r c p t c i - d e a s m s 4 . 0 / 5 . 0 / 6 . 0 p r o / e 1 8 . 0 / 1 9 . 0 / 2 0 . 0 各一套 各一套 模 拟软 件系统: m a r c / a u t o f o r g e , p e r m a s 操作系统:s u n o s 5 . 5 . 1 , s o l a r i s 2 . 6 和 w i n d o w s / n t 5 . 3 网络环境 该实验室以金长城n t 2 3 0 0 , 1 2 8 m b / i o g b 作为网络服务器， 并配有i n t e l 5 1 0 t 1 0 / l o m b 型 交换 机， 此局 域网 通过重 庆大学 校园网c q u n e t 主节点 联 入因特网。 具体配置见附录b 。 重庆大学硕士学位论文 z 封头成形用材料及成形工艺综述 2 封头成形用材料及成形工艺综述 2 . 1 引言 封头，作为压力容器上的关键元件，在能源、化工等工业领域中 起着 十分重要的作用。 封头的分类， 有不同的方式。 按照其形状可分为椭圆形、 半球形、平底形、碟形、无折边球形、有折 按照其壁厚可分为薄壁、中厚壁、厚壁封头 形、无折边锥形封头等; 钢、 法， 普通低合金钢、合金钢、不锈钢、 有色 照其材料可分为普通碳素 钢封头等。封头的成形方 这其 目 前主要有冷、 热拉深， 旋压， 爆炸成形等(2 由 于封头的 类型、 加工 工艺相当 繁杂， 涉及面 广， 为了 突出 重点， 里主要 针对本论文的 研究对象， 就承受高 压整体厚 壁球形封头用材料及 热拉深成形， 对目 前己有的理论和加工工艺作一分析与归纳。 2 .2 封头成形用材料13 1 核反应堆压力容器 ( p w r p v )为厚壁压力容器，是一个承受高温、高 压、高放射性、高辐射的 特殊高 压容器。出于核辐射安全方面的考虑， 对 压力容器锻件的制造和质量要求都非 常严格， 对锻件用钢的选择也非常慎 重。 p w r p v大型锻件因其工作 环境与 使 用条件决定了 其所使用的 材料必须 满足以下要求: ( 1 ) 在室温和工作温度下具有合适的强度和高韧性及尽可能 低的脆 性转变温度 ( t , , ) ; ( 2 ) 在反应堆辐照条件下应具有良 好的抗辐照脆化敏感性; ( 3 )具有良 好的可焊性和冷热加工性; ( 4 ) 在工作温度下具有最大的组织稳定性; ( 5 ) 有足够大的截面淬透性和厚断面组织性能均匀性; ( 6 ) 应具有高 疲劳 强度; ( 7 ) 合理的经济性。 除此之外，还必须满足使用条 件和功能所要求的一些书殊性能，主要 重庆人学硕十学位论文2 封头成形用材料及成形 丁 艺综述 有以下两点: ( 1 ) 焊缝区的材料性能至少应具有母材的同等性能，尤其是韧性; ( 2 )易于大型锻件的生产，并具有优良、均匀的内部质量和性能。 目 前，世界各国 大多 采用 m n - n i - m o型低合金高强度钢作为 p w r p v 用 材料，它是在m n - m o 型低合金钢的基础上加 n i 发展起来的，目 的在于提 高钢的韧性，为了 获得满意的淬透性，并保证厚壁锻件的各项性能达到规 定的要求， 对钢的化学成分范围都作了 仔细的分析和选择。虽然各国所使 用的锻件钢号不同，而且化学成分也略有差异，但实际上都大同小异，其 性能亦相差无几。典型的p w r p v 锻件用钢主要有美国的s a 5 0 8 c 1 . 3 ;德国 的2 0 m n m o n i 5 5 , 1 9 m n 5 ;法国的1 6 m n d 5 ;日 本的s f v v 3 等。 我国自1 9 7 3 年开始研制封头压力容器锻件用钢， 它是在国 产的 m n m o n b钢种上添加 0 . 6 - 0 . 9 % n i 改 进而成， 命名为s 2 7 1 钢， 相当于美国的a 5 3 3 b 钢板。 据 报道我国p w r p v 用特殊优质钢已 达到国 际先进水平， 能成功生产出a 5 0 8 - 3 钢。 二重集团 在生产该锻件时所使用的 材料是 1 6 m n d 5钢， 其质量要 求十 分苛 刻。 它 隶属于 法国 标准 ( n o r m e s f r a n c a i s e s ) ， 是由 法国 标准 化 协会 ( a f n o r ) 制订的。 其符号含义如下: m 代表m n , n 代表n i , d 代表m o ; 1 6 表示c % 的1 0 0 倍数字即 含c 量为0 . 1 6 % . 5 表示主 元素m n 含量， 除以 相 应的指数4 ，即m n 含量为1 . 2 5 % 。 其具体化学成分见下表: 表2 . 1 1 6 m n d 5 化学 成分 11 标准8 9 1 s -1 4 5 0 0 技术协议 元素 c m n 一 n i 一i m o s i i c r 一 p svc u a 1 一i c o a si s n i s b (% ) 。50. 20 1. 15-1.55 0.50 -0 .8 0 0 .45-0.55 0. 10 -0 .30 0.25 0.0 12 。 .s0 .0 12 0.0 1 0 .10 0 .04 u . o s 0 .0 1 。 50 .0 1 0 . w 5 该材料易受到反应堆芯的中子轰击而引起辐照损坏，影响其辐照脆化 程度的因素 很多， 其中 辐照 温度和中 子通量是两个重要外因，而 钢的 质量 则是内因。因此，该钢对化学成分有着严格的控制。 ( 1 ) c : 在标准钢中， c 的含量是保证强度满 足规范要 求的主要元素。 c含量低，强度可能满足不了要求， c含量高又会降低钢的可焊性，同时 会提高 辐照 脆化性。因 此， 最好把c 控制在0 . 1 5 - - 0 . 2 0 % 的范围内 。 ( 2 ) m n :主 要合金元素 m n ，除了 起强化基体作用外， 还能有效地提 高 钢的 淬透性， 故实 际生 产中 大多 将m 。 控制在1 . 1 5 - 1 . 5 5 % a ( 3 ) n i : n i 能明显改变钢的冷态韧性，但实 验证明高n i 比低n i 辐 照 脆化 大。 由 于n i 是 扩大y 相的 元素， 能降低 钢的a 。 点 温 度， 在热 峰作 用下使晶 格畸变增多，辐照效应大; n i又是保证厚截面钢淬透性所必需 的。因此，n i 含量在保证冷态韧性达到要求的情况下尽量按下限控制。 a庆人学硕士学位论文z 封头成形用材料及成形工艺综述 ( 4 ) m 。 : m 。的 作用 是提高 耐 热性 和减少回火 脆性， 在实际生 产中 可 把m o 控制在0 . 5 % 左右。 ( 5 ) c r : c r 可进一步提高钢的强度和综合性能。 ( 6 ) s i : s i 是 强 化元素， 但含量高 会增加 辐照 脆性， 故 将其控制在 低限为好。 ( 7 ) p : p 对辐照脆性非常敏感，故有的p w r p v 钢补充规范要求含p 量应低于 0 . 0 1 2 % . ( 8 7 s : s 在 钢中 形 成m n s 和f e s ， 降 低 了 钢 的 冲 击 韧 性， 影 响 其 焊 接 性 能 。 因 此 应 将 之 控 制 在0 . 0 1 2 % 以 下 。 ( 9 ) v : v可细化晶 粒， 细晶 粒 钢比 粗晶 粒钢辐照脆性小;另外还可 形成沉淀强化，进一步提高强度。 ( 1 0 ) c u :实 验证明， c u是 对 辐照脆 化最有害的 元素，为限 制其有 害作用， c u 含量应低于0 . 1 0 % . ( 1 1 ) a s , s n , s b : 这些 残余 元素一 方面 增加钢的回 火 脆性， 另一方 面也增加辐照脆性， 故应严格控制其含量。 ( 1 2 ) n , h , 0 : 这 些气体 对 钢的 性能 均 有害， 增加 辐照脆化效应， 应将其含量降到最低水平。 总之， 综合冷、 热态性能 要求， 一方面调整钢的 合金成分含量，另一 方面从工艺上尽量降低钢的杂质元素含量， 严格控制c u , p 及残余元素、 气体含量，提高钢的纯净度，改善其性能。 2 . 3 封头成形工艺综述 2 .3 . 1 封头成形方法比 较 尽管封头的种类较多，但常用的是椭圆形和半球形封头，而且大都 是由 板料制成的。 封头的成形方法，目 前主要有拉深成形， 旋压成形，高 速成形 ( 高能成形，当其能 源为炸药时特称为爆炸成形) 等。 这三种方法各有其特点: 用冲压 ( 拉深) 成形整体一次性拉深大直 径的封头，往往需要大吨位及大台面的冲压设备以及笨重而又昂贵的模 具，故而成本较高，但效率高， 适用于批量生产;用旋压法可采用并非庞 大的通用旋压机又不需专用模具 ( 无胎旋压) ，因此成本低。用该法制造 锥形封头较拉深法成本低，其效率也比拉深法低，同时难于加工比较深的 椭圆形封头和半球形封头，多 适用于浅碟形封头生产;至于高速高能成形 重庆大学硕十学位论文 2 封头成形用材料及成形工艺综述 法， 其优点是模具结构简单， 无需上 模和大型冲压设备， 成本低， 特别适 用于某些难于变形的金属， 缺点是效率低，仅适用于单件生产，成形后往 往还需要校形。目 前， 在国 外比 较普遍采用旋压法生 产;而 在国内， 多采 用冲压拉深法成形，有条件的工厂偶尔也采用旋压法生产。 对于大型厚壁高压球形封头的成型，目 前国内 外还没有一套完整又成 熟的理论。早在二十世纪六十年代后期，我国就有研制大型压力、 化工容 器的设想，但由于未能解决大型封头的技术问题而没有实现。其中关键的 技术之一便是大型球形封头的热拉深成形4 2 .3 .2 坯料尺寸计算 封 头 成 形 所 用 坯 料， 其 尺 寸 一 般由 外 径d o 、 厚 度t , 、 削 边 根 部 直 径d c , 削边高 度c 组 成。 见图2 . 1 19 1 . 1 、 坯料外径计算 封头的 热拉深成形， 与一 般的板料拉深变形规律相似， 存在着底部的 变薄和 边缘部分的 增厚。 在实 际生产中， 坯料直径计算一 般是以 坯料的 表 竺 二二 宝 二二 兰 “ ， 图2 . 1 封头成形用坯料图 f ig . 2 . 1 b i l l e t f o r h e a d 面 面积与冲压后封头中心层曲 面面积相等的等面积理论为依据来求得的， 即由 坯料到封头的 成形过程中 ， 其中间 层的面积总和基本保持不变。 这是 一 种合理的假设， 相应有公式: 牛d= 号 ( d ,y + s )2 + rr(d l + s )(h + h 2) ( 2 . 1 ) 整 理 得 :d o = 寸 2 ( 几+ s ) 2 + 4 ( 纵+ s ) ( h + h 2 ) ( 2 . 2 ) 式中 d ,一 坯 料初 始直径; d 内 封 头 内 径 ; s -谁 j 头设计厚度: 日 封头直边高度; h t - 一 球形 封头 边 缘修 边 余量， 可 取 比 =( 1 - 2 . 5 ) s ， 大 直径、 薄 壁取大值:小直径、厚壁取小值。 2 、 坯料厚度计算 按 g b 1 5 0 . 8 9 钢制压力容器规定，冲压成形后的封头，其最小叮 重庆人学硕十学位论文2 封头成形用材料及成形工艺综述 度不得小于名义厚 度减去钢板厚 度负偏差。因 此坯 料厚度应相应增加。 封 头在成形过程中，由于坯料在各处的应力、应变状态各不相同， 使成形后 的封头各部分壁厚也各不相同。封头热拉深用坯料，大多都是在冷锻件图 的基础上按 1 5 % 的减薄率将其坯料增厚，以 对成形减薄量予以补偿，即 t o 一 t m i. t 1 5 % ， 或t o =t o o . 8 5 % ( 2 . 3 ) 式中 t ,一热拉深用坯料厚度; t . m 球形 封头 锻件允 许最小 壁厚， 也可 取 之为设计厚 度s . 如是特厚封头，或对产品的表面 质量有特殊要求， 则应在上述基础上进一 步 增 加t 值， 封 头 的内 径d 内 也 应 做 相 应 调 整 。 封头成形时， 其边缘部分的 壁厚在周向压应力作用下有一定的增厚。 对 于 厚 壁 球 形 封 头 成 形， 当 满 足 条 件( d o - d 内 ) ( 6 - 8 ) t 。 时 ， 往 往需 对坯料进行削边。 根据经验， 削 边可按下式计算: c = ， 一 ” ，% 。 d = 气 + t o ( 2 . 4 ) 通过削边，可使压得的封头壁厚较均匀， 封头边缘部分壁厚不至于增 厚过多，以 利于与 筒体相焊:同 时避免 封头顶部壁厚减薄量过大，降 低金 属流入凹模的阻力， 减小封头压制力。 2 .3 .3 工艺变形力 计算4 , 18 . 7 . 8 , 9 1 厚壁球形封头的热拉深，一般均满足下式: 三、 1 0 0 : 2 .2 一 2 .4 d o ( 2 . 5 ) 故不需要压边，只需要计算拉延力。 由于封头成形过程非常复杂， 还没有一种十分可靠的方法来计算拉延 力。当前，其计算还带有很大的经验性。用得较多的经验公式有: ( p = (1.6 一 2 .0)二 d , -s -v tiln 奇 ( 2 . 6 ) 式中 d 内 、 氏 、 s 符号 见前 述，试为 材料 压 制温 度下的 抗拉强 度值。 重庆大学硕士学位论文 2 封头成形用材料及成形 艺综述 ， 一 (1 + 1.6 p )(毖 一 ) 一 。 ， ; 一 ; ( 2 . 7 ) p 摩 擦系 数， k - 一 拉 伸 系 数， 0 , , - 封头 中 径， 其 余 符 号同上。 p 一 。 k 二 (d o 一 d j . t t 。 , ( 2 . 8 ) 封头k = 1 . e 压边力影响系数，无压边时e = 1 . 0 ，有压边时e = 1 . 2 5 ; k 封头形状影响系数， 碟形及椭圆 形k = 1 . 4 - 1 . 5 ， 球形 2 - 1 . 3( 小直径取下限，大直径取上限) ，其余同上。 p 一 k ;r 帆- d j - t -v ; ( 2 . 9 ) 厂 一封 头 形 状 系 数 ， 可 取 k 一 丝， h 为 封 头 总 高 ， 标 准 h o )中 (4式 椭圆封头取h o _ d a ， 球 形 和 球 缺 形 封 头 取 h 。 一 d f4 ( d 内 为 封 头 内 径 ) 。 z 一般说来， 各生产单位的 设备加工能 力是一定的. 没有选择余地，故 工艺变形力的计算主要用来判断 单位现有设备是否能 满足工艺需要。 如果 不能，则需对设备进行适当的改造。 从相关文献看，以上各公式的应用可靠性是有限的，尤其是当计算出 的拉延力与设备吨位相接近时， 使用时应十分慎重。 2 .3 .4 厚壁球形封头成形模具设计113 1 1 、模具结构形式 厚壁球形封头的成形，当满足一定条 件时，不需要压边。 2 、以内径为准的封头热压模设计 ( u热压收缩率计算 在厚板热冲压工艺中，由 于工件在高 温下成形， 成形后从脱模温度降 惬 室温时， 其尺寸将随之缩小， 这种现象叫热压收缩，热压收缩率的计算 值为: s=a- m- 4 t - 1 0 0 % ( 2 . 1 0 ) 忆 中 。 材料线膨胀系数 ( 二/ m m ) ; 们 一 翡一 度修正系数，在0 . 9 - 1 . 1 之间取值; 重庆大学硕士学位论文2 封头成形用材料及成形 艺综述 at - 一- 脱模温度与室 温之差 ( ) 。 因封头壁厚，散热慢，故脱模温度较高，存在较大的尺寸收缩率。壁 越厚，尺寸收缩越严重，其收 缩规律见图 2 . 2 。图中细实线范围内的箭头 所指为金属收缩的方向及大小示意伙 图2 . 2封头热成形后壁厚收缩规律 f ig . 2 .2 c o n tr a c t r u le o f t h ic k n e s s f o r h e a d 实践表明， 不同尺寸的封头，因其散热速度不一样， 其热压收 缩率也 不一样， 故在收 缩率的取值上， 还得同 实际生 产条件与经验相结合。 ( 2 )凸 模 ( 冲头)设计 对 于以 内 径 为 准 的 封 头 热 压 模 具， 热 压 收 缩 率 应 取 在 凸 模 上。 各 部 分 尺寸计算如下: 名 义 直 径 d : 气 = 入(1 十 的 _ 。 式 中 一 模 具 制 造 公 差 。 上 部 直径d :为 使脱 模 顺 利， 一 般 将上部 直 径适当 增 大2 - 4 m m , 即 几= 几 ， + ( 2 一 4 ) m m。 对厚 壁球形 封头， 如果 直 边部分h 较 高， 则应 进一步 加大d 曲 面 部 分 高 度h . : h ， 一 h . ( 1 * 的 式 中 h ,。一 封 头曲 面 部 分 高 度 。 直 边部分高 度比 : h - h + h 2 + h s + h , 式中 ! 卜 一封头直边部分高度; h 1 一 封 头 修 边 余 量， 一 般 取( 1 2 . 5 ) s ; h ;卸 料板厚 度， 一 般可 取5 0 8 0 m m ; h 二附 加保险余 量， 一 般取6 0 -1 4 0 m m o 凸 模 壁厚s: 对于凸 模 壁厚可根 据 封头直 径与 壁 厚承 受的 冲 压力 用经验法来确定。一 般在千吨级以 下的压 机上， s- 3 0 -6 0 m m ; 在千吨级 以 上 的压 机上， s , . = 7 0 -9 0 m m 。 必 要时 可 验算 其强 度。 凸 模上 可适当 设置 几根加强筋，凸模底部应钻几个( 2 0 - 3 0 m m的 通气孔，便于坯料贴模及成 形后封头顺利脱模。 重庆大学硕十学位论文 2 封头戍形用材料及成形艺综述 ( 3 )凹 模 拉环) 设计 凹模结构形式分为整体式和组合式两种。 整体式凹模 ( 见图 2 . 3 ) 一般采用铸钢材料。 但该材料耐磨性差，易 拉毛工作表面，影响封头表面质量， 适用于小批量生产。 组合式凹模 ( 见图 2 . 4 )由 拉环及拉环外套组成。当冲压直径相近的 封头时，只需要更换拉环即 可。 拉环外套由 铸钢材料制成，而拉环可用具 _ 卫竺 上_ 月r . r z 环 外食 图2 . 3 整体 式凹 模图2 . 4 组合式凹 模 f i g . 2 .3 w h o le f e m a le d ie f ig . 2 .4 u n it f e m a l e d ie 有自 润滑性的铸铁材料制造，以 保证拉环不被损坏， 组合式凹模是目 前工 厂中常采用的 模具形式。 拉 环内 径 :d 二 ( d . + 2 s + z ) e 式中 z 一一 模具 直径间 隙( ，) ， 对以 内 径为准的 模具， z 应取 在凹 模上， 热 冲压时一 般 取z = ( 0 . 1 - 0 . 2 ) s e z值的选取， 与封头直边高 度及坯 料削边高 度有很大关系。 z的大小 直接影响冲压力的 大小、 封头质量、 模具的磨损及寿命。 z过大， 对封头 直边成形不利; 过小， 成形后期 将对封头过度挤压， 造成其壁厚过度减薄。 它应包含材料公称厚度、材料厚度正公差及拉深后材料的增厚值。 一般而 言 ，对于厚壁封头，为保证产品质量及尺寸要求，应保持z为一定值。 拉 环圆 角半 径r , r , 越大， 金 属 通 过时 受 弯曲 变 形 的 阻 力愈 小， 冲 压 力也 越小 。 但 r , 过 大 将 使 拉 环 外 套 尺 寸 相 应 增 大 。 因 此 ， 无 压 边力 时 一 般 取r ; ( 2 - 5 ) s o 板薄取大值， 板厚取小值。 当 板料厚时， r , 值较 大。 因 受 拉 环高 度的限 制， 可 采 用双半 径 或带斜 认 斤厂厂厂州 、少厂、 八伯引们 / ，/2 川男才 ，厂八/ 图2 . 5 双半 径与 带斜坡的拉环圆 角 f ig . 2 .5 f e m a le d ie w it h d u a l r a d i u s h值过大，虽 然使 封头的 成形精度好， 但脱模力与拉环受胀力都较大，且封头的 表面拉毛较 严重。 对厚壁球形封头可取 h = 7 0 - 1 5 0 m m ，大直径、厚壁取大值，反之取 小值。 3 、 模具材料的 选择q 模具主要零件材料的选择可参考表2 . 2 . 表2 . 2模具材料。 模具润滑13 1 零件名称凸 模整体凹模拉环 拉环外套托架、底座 材 料铸 铁铸钢或铸铁铸 铁铸钢 铸铁或铸钢 封头热拉深中 的良 好润滑， 不仅能 起到减少摩擦的 作用， 而且还可以 减少划伤、防 止粘模、 烧伤、 提高模具寿命及工件质量。 涂沫润滑剂时应注意两点: 第一是不可 将润滑剂涂抹到凸 模表面上或涂抹到与凸 模接触的坯料表 面上， 否则会引 起坯料的 滑动、 拉伸与 变薄， 也有利于随凸 模一起进入凹 模。 但如果封头直边 较长的话， 则可在凸 模上部涂抹润滑剂。 第二是应将润滑剂涂抹到 下模孔口圆 角处，以 减少材料与 模具间的 摩 擦， 有利于金属流入凹模。 润滑剂 可分为 两类: 一类 是不带 填料的润滑剂，另一 类是带填料的 润 滑剂， 后者比前 者更易 形成坚 实的薄膜， 对于不同的材料应选用不同 的润 滑剂， 但选用的 润滑剂应满足下列要求: ( 1 ) 能在冲模和冲压材料 相接触表面之间形 成坚实的薄膜; ( 2 ) 具有良 好粘附 性; ( 3 ) 有最好的 摩擦系数; ( 4 )与金属不起化学作用，不 产生腐蚀; ( 5 )容易擦拭和除掉; ( 6 ) 价 廉又 无毒 性。 对于碳素钢及合金钢，润滑剂可用水基石墨或油基石墨。 i f : 铸铁o f 选 q t 5 0 0 - 1 , h t 2 0 0( 盯2 0 - 4 0 ) ,铸钢a l 选 z g 2 7 0 5 0 0 ( z g 3 5 ) 重庆大学硕十学位论文 3 半球形封头热拉深成形理论分析 3 半球形封头热拉深成形理论分析 3 . 1 引言 迄今为止，虽然国内 外众多学者对封头等板类工件的热拉深成形己做 了大量的研究工作，但由于封头的拉深成形是一个非稳态的轴对称金属变 形问 题。 尽管其几何形状不算复 杂， 然而其边界条 件却 在不断改 变， 这就 给从理论上对封头的热拉深成形过程进行深入分析带来很大困 难。这样， 它对实际生产的 指导在很大 程度上还依赖于经验。 在这里，采用工程上广泛使用的主应力法 ( 切块法，s la b me t h o d ) 来对封头 成形过程中的 应力进行分析，以 期 对该 类产品的 设计、生产与加 工有所帮助。 为了 便于理论分析的 顺利进行， 在分析时需对该成形过程进 行一定的 假设，以 使平衡方程和塑性条件得以 简化。主应力 法的基本原理 如下: i 、 把变形体的 应力与 应变状态简化为 轴对称问 题或平面问 题; 2 、单元体上的正应力， 均为主 应力， 且在单元体上均匀分布; 3 、接触面上剪应力作为外力处理， 服从库仑摩擦条件， 且不改变单 元体主 应力方向， 对塑性条件不产生影响; 4 、不 考 虑 模具 弹性变形， 不 考虑 惯性力的 作 用， 流 动 应力。 ， 在所 研 究的 特定变形区内 是常数。 对于本例，需做以下简化，包括: 1 、因是厚板拉深成形，板坯不会起皱， 其几何形状与所受载荷对称， 变形属轴对称变形; 2 、虽是高 温成形， 但因板坯厚，散热很慢， 成形时间 较短，故可认 定 是 一 个 高 温下 的 等 温 成 形 过 程， 其高 温下 的 屈 服 应 力。 、 为 常 量; ( 。 为材料在成形温度下的屈服应力) ; 3 、在应力分析中，不计板料在球面中心部位的减薄和边缘部位的增 厚，不考虑削边对板厚的影响，即假设板坯在变形过程中厚度保持不变， 但在变形分析中，则认为板厚是变化的; 4 、虽为厚板成形，但仍认为应力沿板厚方向不变，并忽略弯矩的影 响。 在以上 的简化中，第 3 , 4条与实际情况有一定的出入，应用时要加 重庆大学硕士学位论文3 半 球形封头热拉深成形理论分析 以注意。 3 .2 封头拉深成形过程中应力分析 板坯拉深成形过程大致如图 3 . 1 所示，再根据以上的简化假设， 按 变形特点，可人为将板料划为四个区域:法兰区、凹模圆角区、悬空锥形 i 一一法兰区 1 1 凹模圆角区 i i i 一悬空锥形区 n球形区 图3 . 1 封头拉 深成形 示意图 f ig . 3 . 1 d r a w in g p ro c e s s o f h e a d 区、球形区。 封头这类旋转体曲 面形状零件的 成形 过程有其自 身 特点:是拉深和胀 形两种变形方式的复合。 坯料各部分 所处 位置不同， 各自 的 应力状态和变 形状况亦各不相同。 下面主要就对各区应力状态进行具体分析。 3 .2 . 1 法兰区 对于封头的拉深成形， 法兰区仅存在于整个变形的初期，且所占 面积 较小，又没有对坯料压边，故可认为 法兰的上下表面均无摩擦阻力。毛坯 法兰部分的 应力状态和变形 特点与圆 筒形 件拉深类似。 1 、 法兰区 应力分析: 如图3 . 2 所示， 取一单元体进行应力分析，对板料面内 径向方向列微 分平衡方程有: (。 ; + d a ,)(一 d r) ， d o co s警 一 ， ， 二 d o cos誓 一 ， 。 ， ， s in 塑. 竺二c o s a = 0 ( 3 1 ) 对板料法线方向列微分平衡方程有: ，、 ， _d o， _ .d a_d b d b t a r + a a , j k r + a , p - a