壓邊力對超半球深腔薄板拉深成形的模擬分析

0 引 言

拉深成形是在固定圓角半徑的凸、凹模作用下，將板料成形為空心制件的沖壓工藝

。拉深成形工藝中存在的缺陷主要是開裂和起皺，在板料拉深成形中，法蘭區的切向壓應力超過了臨界壓應力而起皺失穩。在板料拉深成形時，板料最薄處的圓角區開裂，是因徑向拉應力大于板料的抗拉強度

，起皺通常是采用加大壓邊力的方式解決

，但壓邊力的增大會導致板料拉深時產生開裂

。

研究的Al-Mg-Si合金塑性好、耐腐蝕、強度高，最大的優勢在于無應力腐蝕和開裂傾向、塑性成形性優良、焊接性好，廣泛應用于需具有一定強度和抗腐蝕性要求的航空、航天、兵器、船舶、電車和電子家電等領域，是各類精密儀器、電器元件、導體、母線等不可缺少的材料

?，F利用DYNAFORM有限元

模擬軟件對鋁合金超半球深腔薄板件的拉深成形過程進行模擬，通過模擬對比有無壓邊圈成形極限，分析壓邊圈對板料拉深成形質量的影響，模擬不同坯料尺寸成形中起皺、開裂缺陷，以修整坯料外形、尺寸來提升制件成形質量

，通過改變壓邊圈與凹模間隙以改變壓邊力的大小，分析最大減薄率曲線變化規律，通過調節壓邊圈與凹模間隙控制成形制件的質量，通過模擬得到壓邊力對成形制件的影響規律

，以提高制件成形質量，為模具設計、制造以及制件的批量成形提供依據。

1 工藝分析與仿真模型建立

1.1 拉深成形工藝分析

拉深成形分為壓邊圈向下運動到與凹模提前設置好的間隙位置和凸模向下運動到與凹模提前設置好的間隙位置2個過程。圖1所示為制件形狀，其材料型號為 6061鋁合金,厚度為（1.0±0.3）mm，超半球深腔的深度為52 mm，已超過半球半徑

40 mm,馮蘇樂等

研究在半球形拉深成形中的主要受力情況如圖2、圖3所示，半球形拉深成形過程中容易產生缺陷的位置主要集中在B區的凹模圓角區域和C區的球底。B區的材料受到切向壓應力和徑向拉應力的作用，當壓邊力較小時，該區材料在切向壓應力的作用下起皺，隨著拉深的進行，該區起皺無法消除，最終導致半球形側壁處起皺。從A區的摩擦力分布可知，拉深時越靠近凹模圓角，摩擦力越大，當壓邊力過大時，造成A、B區摩擦力增大，導致C區的材料無法得到補充，該區材料在拉深中處于懸空狀態，抗失穩能力差，受到雙向拉應力作用容易造成壁厚減薄甚至開裂。

我國作為農業大國，水果和蔬菜十分豐富，但貯藏保鮮技術不夠先進，同時由于貯藏期間果蔬的生命運動會加快它的衰老，最終導致其質量下降腐爛變質；保持庫內合理的溫度濕度以及氣體成分比例，能夠延緩果蔬氧化作用，達到保鮮。因此，研究設計智能化、集成度高的冷調庫實時監測系統，有效緩解農產品不能長期存儲的問題。

綜上所述，為避免起皺和開裂對成形制件質量的影響，應確定最佳參數值，控制壓邊力的大小。

城鎮居民人均可支配收入既可以宏觀地反映經濟發展水平，又可以微觀地體現居民的生活質量。陳迅和CAYLA J等發現收入與居民能源消費量之間存在正相關關系，認為居民收入對能源消費量影響的主要原因在于收入水平對居民生活能源消費中設備購買的束縛。收入對電能消費有影響顯著，收入水平越高，相應的電能消費也越多。［21-22］因此，本文選取城鎮居民人均可支配收入為財富因素的代表性指標。

1.2 仿真模型建立

將壓邊力的值設置為0，構造無壓邊圈的模擬成形，如圖7（a）所示。壓邊力的值設置為非零時，即有壓邊圈時模擬成形，如圖7（b）所示。

一是網絡參政。隨著網絡時代的來臨，互聯網在我國公眾的政治、經濟和社會生活中扮演著重要角色，公民“主動”“積極”地行使知情權、參與權、表達權、監督權有了便捷路徑，即網絡參政。一方面，網民參政推動了政府工作;另一方面，各級政府機關順應形勢，搭建起多層次網絡參政平臺。國家領導人率先做出表率，2008年6月，胡錦濤總書記通過人民網與網友在線交流，問候網友，傾聽民意。各地官員紛紛效仿，各級政府部門還專門搭建了網絡參政平臺，及時收集網民意見。從2006年起，全國人大陸續在人民網、新華網、央視網等主流媒體開通“我有問題問總理”專欄，億萬網民通過留言和跟帖向總理反映社情民意，詢問發展大計。

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2 模擬結果與分析

2.1 有無壓邊圈的模擬結果分析

利用有限元軟件DYNAFORM依據圖1制件形狀分別構建拉深成形需要的凸模、壓邊圈、坯料和凹模的三維仿真模型，根據拉深成形要求創建各模型的相對位置，如圖4所示，壞料形狀如圖5所示。

在初始設計模型的基礎上，坯料尺寸分別?。?04 mm×232 mm、284 mm×212 mm、264 mm×192 mm、244 mm×172 mm、224 mm×152 mm進行拉深有限元模擬，模擬結果如圖8所示。

2.2 不同坯料尺寸模擬結果分析

對比有、無壓邊圈成形極限

得到：無壓邊圈的坯料因法蘭處無拉應力限制材料流動導致起皺，且外形發生變形；有壓邊圈的坯料由于材料的流動受拉應力的限制，成形制件整體外形規整，無起皺現象。因此必須設置壓邊圈以防止薄壁板料在拉深中起皺，提升制件成形質量。

凸、凹模在CATIA軟件中分別提取制件內、外型面所得；壓邊圈通過CATIA軟件從凹模頂部外緣平面提取、偏移所得；坯料根據壓邊圈偏移、縮減余量得到

。模型建立完成，依次另存為IGS格式，導入DYNAFORM模擬軟件中，如圖6所示。

分析圖8成形極限可知，坯料尺寸的減小能避免裂紋的產生，但起皺程度隨著坯料尺寸的減小而加重。這是因為減小坯料的面積實際是減小了法蘭區的面積，使拉深成形壓邊力的作用減小，增大起皺程度

。因此必須計算最佳坯料尺寸以減小起皺和裂紋的產生，對比圖8（a）～（e）成形極限可以得出，圖8（d）、（e）制件的成形質量好，但中間兩側法蘭區缺料，需優化坯料外形和尺寸。通過修整板料外形和尺寸，最終確定最佳坯料尺寸為224 mm×172 mm，形狀如圖8（f）所示，成形制件表面無起皺、裂紋缺陷，外形規則。

綜上所述，針對理論界探討和實踐中已有體現的處理機制，每一種都具有自身的局限性，都難以作為執行依據不明確的處理方式統一適用。

2.3 壓邊圈與凹模不同間隙模擬結果分析

由圖9可知，隨著壓邊圈與凹模間隙的增大，壓邊圈受被動的壓邊力逐漸減小，坯料最大減薄率總體上隨壓邊力的減小而逐漸減小。當壓邊圈與凹模間隙≤1.1 mm時，隨著壓邊圈與凹模間隙的不斷增大，最大減薄率逐漸減??；間隙在1.1～1.16 mm，最大減薄率總體不變且在該區間最??；間隙達到1.18 mm，最大減薄率下降最快。為確認最佳間隙值，通過后處理模塊得到壓邊圈與凹模間隙對應板料最大增厚率曲線如圖10所示。

拉深成形是利用固定壓邊圈與凹模之間的間隙以施加壓邊力，當坯料有翹曲并與壓邊圈有接觸趨勢時，因壓邊圈的作用，在法蘭向上接觸壓邊圈迫使壓邊圈產生被動的壓邊力

。分別選取壓邊圈與凹模間隙為 1、1.02、1.04、1.06、1.08、1.10、1.12、1.14、1.16、1.18、1.2 mm建立有限元模型進行模擬，得到壓邊圈與凹模間隙對應板料最大減薄率曲線如圖9所示。

從圖10可知，隨著間隙的增大，最大增厚率總體上逐漸增大，在間隙1.18 mm出現快速升高。結合上述分析最大減薄率曲線中確定的最小值在1.1～1.16 mm，最終確認最佳間隙為1.1 mm。最佳間隙成形制件模擬結果如圖11所示，成形制件表面光亮，無起皺、無裂紋。

2.4 不同壓邊力模擬分析

板料在拉深成形過程中，壓邊圈作用于板料而對其施加的力稱為壓邊力。合理的壓邊力可有效預防坯料破裂或起皺，壓邊力過大導致壓邊圈所受的徑向力增大，限制法蘭區板料流動性，局部供料不足、厚度嚴重減薄，附加受凸模的沖壓而開裂；當壓邊力過小，因限制板料不合理變形的應力小而產生起皺。壓邊力在板料成形中影響較大

，必須設置合適的壓邊力壓緊坯料以得到高質量的成形制件，采用控制單一變量的方式，得到拉深成形制件質量與壓邊力影響規律

，分別選取壓邊力為30、40、50、60、70、80、90、100 kN進行拉深模擬分析，得到壓邊力對板料最大減薄率、最大增厚率的影響規律如圖12所示。

由圖12可知，隨著壓邊力逐漸增大，板料最大減薄率總體呈增大趨勢，壓邊力在40～60 kN最大減薄率不變且最小，而最大增厚率呈減小趨勢，通過對比最終確定壓邊力的最佳參數為50 kN。

2.5 最佳參數模擬驗證

固定上述確定的最佳參數：坯料尺寸224 mm×172 mm，壓邊圈與凹模間隙1.1 mm，壓邊力50 kN，以驗證研究的壓邊力對鋁合金超半球深腔薄壁板料拉深成形的影響。拉深模結構如圖13所示，模柄1被夾緊定位于沖床上，下模座8定位于沖床工作臺上，將確定的坯料平放于壓邊圈4上，凹模3、凸模5利用導柱6導向，凹模3向下移動至與壓邊圈4夾緊坯料，繼續移動至與凸模5接觸坯料，隨著上模下行，由推桿7、壓邊圈4組成的機構提供反向壓邊力以壓緊坯料，由凹模3、凸模5完成最終的成形。凹模3反向分離后，成形制件在推桿7、壓邊圈4組成的機構提供反向力作用下推出，至此完成成形和卸料。成形制件形狀規則、法蘭平整、無明顯起皺或裂紋缺陷，如圖14所示。

3 結束語

利用DYNAFORM軟件對有無壓邊圈、不同坯料尺寸、壓邊圈與凹模不同間隙、不同壓邊力的模型分別進行數值模擬，分析在不同條件下的拉深成形過程中出現的起皺和開裂缺陷以及最大減薄率、最大增厚率的變化規律。通過分析不同參數的成形數據得出：設計模具時必須設置壓邊圈以防止板料拉深起皺；對比分析各坯料尺寸的成形極限，優化坯料尺寸和外形，最終確定坯料尺寸為224 mm×172 mm時成形質量最好；通過建立壓邊圈與凹模不同間隙的仿真模型進行拉深模擬，分析最大減薄率、最大增厚率的變化規律，確認最佳間隙為1.1 mm；模擬和分析8組不同壓邊力的板料厚度最大、最小值，確定最大減薄率、最大增厚率的變化規律，確認最佳壓邊力為50 kN。通過設置各項最佳參數后進行數值模擬，驗證壓邊力對鋁合金超半球深腔薄壁板料拉深成形質量的影響，為鋁合金超半球深腔薄壁板料制件的成形提供理論依據。

[1]李二玲,鄧沛然,楊尚磊,等.薄板拉深過程中壓邊力與破裂關系的研究[J].鍛壓技術,2014,39(6):55-59.

[2]毛耀本,孔曉華,李憲賓,等.方盒形件混合分塊壓邊拉深工藝研究[J].精密成形工程,2018(6):57-64.

[3]孔曉華.基于徑向分塊壓邊方法的板材拉深成形理論及工藝研究[D].秦皇島:燕山大學,2019:13-21.

[4]DE MAGALH?ES CORREIAJ.P,FERRONG.Wrinkling of anisotropic metal sheets under deep-drawing:analytical and numerical study[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,15(10):155-156.

[5]PARKNAMSU,HOON H,SUNG J L,et al.Facture-based forming limit criteria for an-isotropic materials in sheet metal forming[J].International Journal of Plasticity,2016,28(6):115-126.

[6]張慧妍,劉延輝,宣守強.基于Dynaform的316L不銹鋼拉深成形分析[J].模具工業,2021,47(9):1-5.

[7]潘道召,王芝秀,李 海,等.雙級時效對6061鋁合金拉伸性能和晶間腐蝕性能的影響[J].中國有色金屬學報,2010,20(3):435-441.

[8]CLOUGH R W.The finite element method in plane stress analysis[J].Struct Div ASCE Proc of 2nd Conf Electronic Computation,1960,23:345-378.

[9]TOH C H,KOBAYASHI S.Deformation analysis and blank design in square cup drawing[J].International Journal of Machine Tool Design and Research,1985,25(1):15-32.

[10]RI-HUAN LU,LIUXIANG-HUA,CHENSHOU-DONG,et al.Spring back behavior of tailor rolled blank in U-shape forming[J].Journal of Iron and Steel Research(Inter?nationl),2017(8):787-794.

[11]付澤民,喬濤濤,張鎖懷,等.基于變壓邊力的方盒形工件拉深工藝研究[J].熱加工工藝,2020(3):106-109.

[12]李 琳,陳忠家,李 奇,等.盒形件分區變壓邊力拉深研究[J].鍛壓技術,2016,41(2):25-28.

[13]李 奇,吳曉英,鄭旭煙,等.鎂合金筒形件熱拉深變壓邊力工藝研究[J].金屬功能材料,2017,24(6):28-32.

[14]肖景容,姜奎華.沖壓工藝學[M].北京:機械工業出版社,1990:137-143.

[15]馮蘇樂,張柳峰,羅益民,等.純鋁半球構件拉深成形數值模擬及工藝研究[J].航天制造技術,2016,10(5):35-37.

[16]NAKAMACHI E,SOWERBY R.Finite element modeling of the punch stretching of square plates[J].Journal of Ap?plied Mechanics,ASME,1988,55:667-670.

[17]KEELER STUART P.Circular grid system—A valuable aid for evaluating sheet metal[J].Formability.SAE Trans,1968,No 680092,371-378.

[18]石美華.薄壁盒形件法蘭區起皺影響因素的有限元模擬研究[J].現代制造工程,2013,6(1):91-95.

[19]陳曉桐.鋁合金車門覆蓋件拉深成形的數值模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2018:37-40.

[20]王旺兵,劉 驥,劉 松,等.基于Deform-3D的鋁合金圓筒件沖鍛成形壓邊力模擬分析[J].鍛壓技術,2019,44(3):1-6.