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n冲锻成形过程强力拉深增厚工艺的有限元分析国家自然科学基金资助项目(50705034)华中科技大学 模具技术国家重点实验室 王新云 欧阳坤 夏巨谌 胡国安摘要结合冷挤压与拉深工艺的特点，以双杯形工件为对象，开展了冲锻成形过程的强力拉深增厚工艺研究。即在反向拉深的同时，对侧壁也施加轴向推力，进行强力拉深以达到拉深并增厚的目的。采用有限元模拟软件Dynaform研究了拉深增厚工艺中材料的流动规律，分析了压环的运动速度、压边力、凸模与凸凹模之间的间隙对工件最小厚度和内壁最大厚度的影响，为优化模具结构和工艺参数提供了理论依据。关键词：冲锻成形；拉深增厚；双杯形件；数值模拟FEM analysis of the powerful drawing-thickening technology in the stamping-forging hybrid processAbstractA powerful drawing-thickening technology was prompted for double-cup-shaped workpieces, it combined the characteristics of cold extrusion with drawing process. An axial thrust was exerted to the sidewall in backward drawing to thicken it. The FEM software Dynaform was utilized to research the material flow. The impact of the velocity of the pressure ring, the binder force and the gap between punch and die to the minimum and maximum of the workpiece thickness were analyzed.Key words: stamping-forging hybrid forming; drawing-thickening; double-cup-shaped workpiece ; numerical simulation 1 引言对于大表面积且壁厚差变化较大的零件，其通常的加工方法，或者是整体铸造；或者是采用温/热锻后切削的加工方法；或者是薄壁部与较厚部分通过焊接组合并热处理等的多工序方式来制造。这样不仅整体性能有所下降，成本及能耗也较高，而且工序多也导致效率较低，不符合节能与绿色制造的社会发展趋势。本文提出一种结合了冲压与锻造技术特点的板料冲锻成形工艺，为成形这类具有大表面积且厚差较大的零件提供了一种新的塑性成形方法。主要特点为：以板材（或者管材）为坯料，通过冲压工艺成形出中空薄壁形状，并预先在拉深工序中储备足够体积的金属，再采用锻造工艺，对特定部位压缩增厚，以提高厚度与刚度。这样，不仅可避免仅采用冲压方法制造的零件，没有足够厚度与刚度的缺点；也可避免仅采用锻造方法来制造大表面薄壁零件时，需要过高成形力的缺点。冲锻成形工艺与焊接成形过程的比较如图1所示。图1 冲锻成形与焊接成形的比较a)与c)为冲压后焊接成形；b)与d)为冲压锻造整体成形与焊接或者铸造方法相比，采用这种整体塑性成形方法，减少了车削加工与焊接工序，不仅能够提高材料利用率、降低能耗，而且零部件的综合机械性能也有较大提高。近年出现了一些利用板坯料进行锻造的研究1-4,但均只是采用了板坯料来进行锻造，不同于本文提出的先拉深空间形状后增厚局部的冲锻成形工艺。本文将结合有限元分析软件Dynaform，开展冲锻成形过程的强力拉深增厚工艺的研究，分析材料流动及局部增厚等规律。2 工艺分析 本文所研究的零件如图2所示，要求中部反向拉深出的壁厚大于原始坯料的厚度。工艺过程为：（1）正向拉深工序，从平板坯料变形为一定深度的圆杯形，初步完成零件的外部薄壁形状。（2）反向拉深工序，拉深到一定高度，形成反向圆筒。在正向拉深工序，以尽量减小壁厚变薄及起皱为目标。在反向拉深工序，以增大中间圆筒内壁的厚度为目标。因此，在反向拉深时，对外壁同时施加推力，促使材料从外壁流向内壁，通过控制推力与反向拉深速度，促使内壁增厚，以实现强力拉深增厚。图2 零件示意图3 模拟参数Dynaform是专用于板料成形模拟的软件，可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能。本文选择Dynaform软件，对各工序进行模拟分析。模具材料选择steel，设置为刚性，板坯料与模具间的摩擦系数取0.125。3.1 正向拉深正向拉深过程工件示意图如图3所示，模拟模型如图4所示。经工艺分析，可见处于窄凸缘圆筒件拉深的一次拉深成形范围5。 图3 正向拉深工件示意图 图4 正向拉深模型圆板坯料厚度为2mm， 直径为450mm，材料为ST14F，平面各向同性材料，参数如表1所示，Dynaform模拟参数设置如下表2所示。表1 材料参数参数密度（T/mm3）杨氏模量（N/mm2）泊松比屈服应力（N/mm2）数值0.28表2 正向拉深参数设置凹模压边圈凸模结束控制合模工序固定2000mm/s固定压边圈和凹模间距2.2mm拉深工序固定50kN5000mm/s凸模和凹模间距2.2mm3.2 反向拉深反向拉深工件示意图如图5所示：图5 反向拉深工件示意图根据工件几何尺寸，可知拉深系数为0.42，小于极限拉深系数0.55，故常规拉深方法难以一次拉深成形，图6所示的常规拉深方法的模拟结果也证实了这个结论。模拟中，坯料选用正向拉深后的数据文件。 a)截面厚度图 b)成形极限图图6 常规拉深由于采用常规反向拉深工序不能在一个工步内拉深得到需要的零件，同时，也为了达到在反向拉深工序中实现内壁圆筒增厚的目的，因此，采用强力拉深成形工艺，也即在反向拉深的同时，对外侧壁施加向下的推力，以促进外侧壁金属流向内侧壁。强力拉深模具装置示意图如图7所示，拉深时凸凹模固定，压环、凸模成形时分别向下和向上运动，凹模浮动，在压环的作用下被动运动。反向强力拉深时的工艺参数见表3。图7 强力拉深成形工艺表3 反向拉深参数设置合模工序拉深工序凸模固定凸模5000mm/s凸凹模固定凸凹模固定压边圈2000mm/s压边圈300kN压环固定压环运动速度递增凹模固定凹模50kN结束控制压边圈和凸凹模间距2.2mm结束控制凸模和凸凹模间距2.2mm为了研究凸模与凸凹模间隙对成形的影响，本文设计了5组不同间隙值和压边力（见表4）的模拟试验：除模型中凸模与凸凹模间隙值、压边力不同外，各组其它参数设置均相同。表4 各组模拟试验的间隙值组别abcde间隙值（mm）2.42.63.02.63.0压边力（kN）3003003003804504 模拟结果及分析4.1 正向拉深压边圈起着控制材料流动，防止起皱的作用。但过大的压边力，会阻止材料流入凹模中，使拉深过程不能正常进行。当压边力为50kN时，法兰不发生起皱，且获得壁厚减薄较小，模拟所得工件的厚度分布如图8所示：凸模圆角处壁厚最小，沿着侧壁向法兰，壁厚逐渐增加，法兰处壁厚最大。壁厚减薄较小的正向拉深，有利于后续反向强力拉深。 图8 正向拉深结果4.2 反向拉深4.2.1 压环、压边圈形状尺寸变化对反向拉深的影响为了解压环、压边圈的形状尺寸对反向拉深的影响，设计如图9所示的压环、压边圈，其模拟结果如图10所示。平面圆环形状压环、压边圈效果最差，在成形过程中，r2首先减小，材料径向流动阻力增大，在压环的强制推力作用下，材料反向流动到凹模圆角处的自由空间，使得r1也减小，材料流动阻力进一步加大，随着压环的继续向下运动，材料因难以流入内侧而将压边圈顶起，形成折叠（如图10（a）所示）。而且由于材料不能径向流动以补充中间圆筒成形所需的金属，从而最终导致拉裂。图9 不同形状的压环、压边圈a)压环、压边圈为平面圆环b) 压环圆角、压边圈倒角c) 压环、压边圈圆角图10 不同形状尺寸压环、压边圈的模拟结果采用弧形压环与倒角式压边圈时，虽然能始终保证材料由外壁流向内壁圆筒，但是倒角使得压边圈与凸凹模间的间隙不均匀，形成一个自由的小三角形空腔，材料容易在此处弯曲甚至堆积（如图10（b）及图11所示），增大了材料的流动阻力。在采用弧形压环与压边圈时，由于弧形的约束，有效的保证了材料流动的唯一性，即外壁材料流经凸凹模的外、内圆角，并在凸模的拉力作用下成形中间圆筒，而不会产生折叠。模拟结果如图10（c），可以顺利完成反向拉深工序，且内侧壁与初始板坯厚度相比，有较明显的增厚。可见采用弧形压环与压边圈可以取得较好的效果。 a)中间过程 b)最后结果图11 采用压环圆角、压边圈倒角的不足4.2.2 压环速度对壁厚的影响压环速度与工件外壁最小厚度关系如图12所示。工件最小厚度在凸模圆角与顶面相切处（如图13），说明压环使最小厚度位置发生了转移，表明压环能有效促进材料由外壁向内壁流动。随着压环速度的增加，单位时间金属流入内壁的体积增多，因此，最小厚度也单调增加，但增加也有一定极限。因为随着压环速度的增加，为了防止起皱现象，所需要的压边力需相应增加，这也增大了材料流动的阻力，不利于最小厚度的增加。当过于增大压环速度，流动阻力大于材料抗拉强度时，便会发生拉裂现象。图12 压环速度与工件最小厚度关系图图13 最小厚度位置（间隙2.4mm，压边力300kN，压环速度2991mm/s）压环速度与工件内壁圆筒的最大厚度关系如图14所示。工件内壁圆筒的最大厚度在内壁下部靠近凸凹模的内圆角处，随着压环速度的增加，工件内壁圆筒的最大厚度同样单调递增。压环的速度越大，单位时间内流向内壁圆筒的材料越多，而凸模的运动速度一定，故工件内壁圆筒的最大厚度越大。受工件成形性的限制，压环速度存在一个极值，故工件内壁圆筒的最大厚度也存在一个极大值。图14 压环速度与工件内壁圆筒最大厚度关系图4.2.3 凸模与凸凹模间隙对增厚程度及壁厚分布均匀性的影响从图12和14可见，间隙为2.4mm所对应的最小厚度曲线和最大厚度曲线分别位于最上方与最下方，而间隙为3.0mm所对应的最小厚度曲线和最大厚度曲线位置相反，间隙2.6mm所对应的曲线则居中。以上表明：间隙越大，壁厚分布越不均匀。这是因为，当凸模与凸凹模间隙较大时，拉深表现为锥形拉深。而锥形件变形主要集中在零件底部向锥面过渡的圆角附近（即凸模圆角处），变形不均匀性严重。凸模与凸凹模间隙越大，则锥形件的小端直径与大端直径比值越小，拉深时板坯料中间部分（即凸模作用区域）的承载能力越小，变形不均匀加剧，导致最后零件壁厚分布越加不均匀。压边圈在防止起皱的同时，也限制了材料的流动，使得金属在压边圈和凸凹模间产生堆积，使工件此处产生增厚，压边力越大，对金属的流动阻力越大，增厚现象越明显，壁厚分布也就越不均匀。随着压环的继续向下运动，外壁材料继续流向内壁圆筒，已经增厚的金属在后面金属的压力和凸模产生的拉力下经过内壁圆角，向上流动，形成内壁圆筒。凸模与凸凹模间隙越大，能流经的增厚材料的厚度也越大。如果间隙小于一定值，则材料因堆积在在凸凹模的内圆角处，使材料流动阻力增大，导致工件被拉裂。因此，间隙越大，增厚程度越大。4.2.4 成形载荷压环速度与凸模载荷如图15所示。凸模拉力和压环推力促使材料向内壁圆筒流动。凸模与凸凹模间隙越小，对金属流入内壁的摩擦阻力也就越大。因此，在图15所示的压环速度与凸模载荷曲线中，a所对应的曲线在最上方，c在最下方，b处在中间。压环速度越大，单位时间流向内壁圆筒的材料越多，则对已流入金属的推力也就越大；但同时增厚现象也越明显，摩擦阻力也会越大。因此，推力与摩擦阻力的综合作用，影响到成形载荷的大小。但由于开始阶段推力的增大占主导地位，因此曲线会呈下降趋势；但压环速度增大到一定程度时，由于增厚使摩擦阻力的增大占主导，导致凸模载荷增加，表现出曲线开始呈现上升趋势，故图15的各条曲线会呈现出先下降再上升的趋势。图15 压环速度与凸模载荷关系图5 结论(1) 压环、压边圈的形状尺寸影响反向拉深的结果，弧形结构的压环、压边圈，因材料流动受到约束，反向拉深结果最好。(2) 压环能有效的促进材料由外壁向内壁流动，并在内壁圆筒下部产生增厚现象，压环速度越高，下部的增厚现象越明显，但随着压环速度的增大，所需的临界压边力也越大，因此拉深增厚存在一个极值。(3) 随着压环速度的增加，工件最小厚度单调递增，但同拉深增厚一样，最小厚度的增大也存在一个极值。(4) 随着压环速度的增加，凸模最大载荷呈现先下降再上升的趋势。凸模与凸凹模间隙越小，凸模载荷越大。参考文献1 李雪松, 陈军, 吴公明, 王刚. 汽车离合器衬套冲锻复合工艺研究及其数值模拟J. 锻压装备与制造技术. 2006, 1: 49-512 李建平, 车路长. 冲压