帶凸緣圓筒件成形數(shù)值模擬

耿紅正，郭 勝，劉良瑞

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，湖北黃岡438002)

不同的凸、凹模圓角半徑對(duì)板料拉深成形有很大的影響，凸、凹模圓角半徑的確定也是拉深成形中關(guān)鍵;不好的圓角會(huì)使拉深成形產(chǎn)生很多缺陷，比如出現(xiàn)壁厚嚴(yán)重減薄，甚至破裂等缺陷，嚴(yán)重影響制件的質(zhì)量。在理論計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件abaqus進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從分析結(jié)果看，一方面驗(yàn)證了理論計(jì)算數(shù)據(jù)比較合理，同時(shí)找出了其變形與模具圓角半徑的關(guān)系，找到了其變形規(guī)律及成形過程中出現(xiàn)的問題，為該類零件的成形工藝提供了一定的借鑒和參考。

1 拉深件結(jié)構(gòu)及材料特性

圖1 帶凸緣圓筒件

如圖1所示帶凸緣的圓筒拉深件，其材料為08鋼，08鋼具有良好的沖壓拉深性能，是極軟的低碳鋼，其強(qiáng)度、硬度比較低，而塑性、韌性很好。其抗拉強(qiáng)度σb為325MPa;屈服強(qiáng)度σs為195MPa;彈性模量E為203GPa;泊松比μ為0.267;

2 工藝參數(shù)計(jì)算

2.1 毛坯尺寸計(jì)算

(1)修邊余量

在拉深成形過程中，通常在拉深件的凸緣周邊不整齊;因此必須有多一點(diǎn)余量，在拉深成形后將邊緣修剪去掉，修剪去掉的部分即為修邊余量。對(duì)該制件通過計(jì)算查手冊(cè)得修邊余量δ=3.5mm。

(2)毛坯直徑尺寸

計(jì)算毛坯的方法有等重量法、等體積法、等面積法、分析圖解法和作圖法等，這里采用等體積法;利用catia軟件求出拉深成形以后含修邊余量的體積［3－4］，然后根據(jù)體積相等，求得毛坯的直徑大約為110mm。

2.2 拉深工藝計(jì)算

(1)計(jì)算需幾次拉深成形

該零件的相對(duì)厚度:(t/D)*100%=(1.5/110)*100%=1.36%，

該零件的凸緣相對(duì)直徑:dt/d1=(80+2*3.5)/58.5=1.49，

根據(jù)上面計(jì)算的數(shù)據(jù)，查相關(guān)手冊(cè)得其最大相對(duì)拉深高度為0.50～0.63。因?yàn)樵摿慵南鄬?duì)拉深高度為 h1/d1=25/58.5=0.43，故可以一次拉深成形。

(2)計(jì)算凸、凹模圓角半徑

凸、凹模圓角半徑的大小對(duì)拉深成形有較大的影響，凸模圓角半徑過小，在拉深時(shí)危險(xiǎn)斷面處會(huì)減薄嚴(yán)重，甚至斷裂，但凸模圓角半徑太大，會(huì)使拉深初期不與模具接觸的材料增加，使得材料容易起皺;凹模圓角半徑過小，會(huì)使得材料進(jìn)入模具困難，拉深件容易產(chǎn)生劃痕或裂紋等缺陷，凹模圓角半徑過大，會(huì)使得壓邊量減小，造成懸空段增大，容易起皺。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 ≈7mm，R凸=(0.7～1)R凹≈(5～7)mm，這里取R凸=5mm。

(3)計(jì)算凸、凹模間隙

拉深時(shí)凸、凹模間隙對(duì)拉深件質(zhì)量也有一定的影響，通常較大的間隙有利于提高模具的壽命，但制件的質(zhì)量和精度低，較小的間隙制件的精度高，但又容易產(chǎn)生破裂的缺陷，模具壽命也降低。查相關(guān)手冊(cè)得凸、凹模單邊間隙Z=(1～1.05)t=(1.5～1.575)mm，這里取 Z=1.5mm。

2.3 擬定成形方案

根據(jù)上述計(jì)算，制件的基本形狀可一次拉深成形，但圓角半徑比計(jì)算值要小，故很難一次直接成形出來。采用拉深后整形，使制件達(dá)到尺寸要求。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 分析模型的建立

該制件為中心對(duì)稱零件，這里不討論模具的變形情況，為了提高模擬計(jì)算速度，對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，選取制件的一個(gè)截面進(jìn)行研究，板料設(shè)置為軸對(duì)稱可變形殼模型，并設(shè)置其材料屬性，拉深凸、凹模和整形凸、凹模以及壓邊圈都設(shè)置為軸對(duì)稱解析剛性線模型。

3.2 不同模具圓角半徑成形的數(shù)值模擬

模擬模型數(shù)據(jù)參考上述計(jì)算數(shù)據(jù)，先拉深，后整形。分別用不同的拉深凸模和凹模的半徑值進(jìn)行數(shù)值模擬，拉深工序，毛坯直徑為110mm，厚度為1.5mm，凸、凹模單邊間隙為1.5mm;然后整形;整形工序凸、凹模單邊間隙為1.5mm，凸模圓角半徑為2mm，凹模圓角半徑為5mm。

(1)不同拉深凸模圓角半徑成形數(shù)值模擬

分別采用凸模圓角半徑為3mm、4mm、5mm、6mm、7mm，凹模圓角半徑為7mm不變對(duì)模型進(jìn)行模擬分析。拉深整形后應(yīng)力變化及分布情況，如圖2所示。

圖2 不同拉深凸模成形應(yīng)力云圖

分別對(duì)凸模圓角半徑處和側(cè)壁處測(cè)量其各自區(qū)域的最小厚度。凸模圓角半徑處最小厚度記為t1，側(cè)壁最小厚度記為t2，其壁厚情況如表1。

表1 不同拉深凸模圓角半徑壁厚情況

(2)不同拉深凹模圓角半徑成形數(shù)值模擬

分別采用凹模圓角半徑為5mm、6mm、7mm、8mm、9mm，凸模圓角半徑為5mm不變對(duì)模型進(jìn)行模擬分析。整形后應(yīng)力變化及分布情況，如圖3所示。

圖3 不同拉深凹模成形應(yīng)力云圖

分別對(duì)凹模圓角半徑處和側(cè)壁處測(cè)量其各自區(qū)域的最小厚度。凹模圓角半徑處最小厚度記為t3，側(cè)壁最小厚度記為t4，其壁厚情況如表2。

表2 不同拉深凹模圓角半徑壁厚情況

(3)結(jié)果分析

從數(shù)值模擬結(jié)果的應(yīng)力云圖可看出，最大應(yīng)力主要集中在凸模圓角半徑處，說明該處是危險(xiǎn)區(qū)域，成形過程中有變薄和破裂的危險(xiǎn);該制件在凸模圓角半徑為3mm時(shí)，在拉深階段板料出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，在凹模圓角半徑為9mm時(shí)，在整形階段出現(xiàn)折疊現(xiàn)象。從減薄情況看，凸模圓角半徑逐漸增大，整形以后凸模圓角半徑處最小厚度逐漸減小，最薄處在靠近側(cè)壁位置，側(cè)壁最小厚度則逐漸增大，最小壁厚在接近側(cè)壁中間位置;凹模圓角半徑逐漸增大，整形以后其凹模圓角半徑處最小壁厚逐漸增大，最小壁厚在接近側(cè)壁位置，側(cè)壁的小厚度也逐漸增大，最小壁厚在側(cè)壁中間位置。從整個(gè)成形模擬看，該制件減薄最嚴(yán)重位置在凸模圓角半徑，該處的成形。是關(guān)鍵;其次減薄位置就是側(cè)壁中間位置。

4 結(jié)論

(1)該制件在整形階段應(yīng)力最大部位集中在凸模圓角半徑區(qū)域，有變薄和破裂的危險(xiǎn)，該處的成形是關(guān)鍵。

(2)在一定范圍內(nèi)該制件整形后凸模圓角半徑處的最小厚度隨著拉深凸模圓角半徑的減少而增大，但過小的拉深凸模圓角半徑會(huì)導(dǎo)致制件破裂;側(cè)壁最小厚度隨拉深凸模圓角半徑增大而增大，隨拉深凹模圓角半徑的增大而增大;過大的拉深凹模會(huì)導(dǎo)致制件整形時(shí)折疊;凹模圓角半徑處的最小厚度隨拉深凹模圓角半徑的增大而增大，總的減薄率不是很嚴(yán)重。

(3)應(yīng)用有限元數(shù)值模擬分析能很好的預(yù)測(cè)板料成形情況，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)成形過程中的問題。

［1］楊關(guān)全，匡余華.冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2007.

［2］許發(fā)樾.實(shí)用模具設(shè)計(jì)與制造手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］寧貴欣.CATIA V5工業(yè)造型設(shè)計(jì)實(shí)例教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］徐政坤.沖壓模具設(shè)計(jì)與制造［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［5］趙騰倫.ABAQUS6.6在機(jī)械工程中的應(yīng)用［M］.北京:水利水電出版社，2007.