基于Dynaform 的鋁合金盒形件拉深過程研究

何旭東

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

隨著鋁合金等輕質(zhì)成形件在汽車、航空、航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及我國(guó)加工制造業(yè)的迅猛發(fā)展，使得高效精密的拉深成形工藝得到了越來越多的關(guān)注［1］。在輕質(zhì)合金板材的拉深成形過程中，通常會(huì)出現(xiàn)過度減薄、起皺、拉裂等失效形式，而以上成形失效的發(fā)生靠常規(guī)手段是難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的［2］。因此，應(yīng)用Dynaform 非線性有限元軟件對(duì)6061-T651 鋁合金盒形件的拉深成形過程進(jìn)行深入分析，為拉深成形質(zhì)量合格的鋁合金盒形件提供數(shù)值依據(jù)與理論指導(dǎo)。

1 研究方案

所須成形盒形件的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1 所示，板坯材質(zhì)為6061-T651 鋁合金，壁厚為1 mm。

圖1 盒形件結(jié)構(gòu)與尺寸

圖2 有限元模型裝配圖

采用非線性有限元軟件Dynaform對(duì)鋁合金盒形件拉深成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬過程中設(shè)定凸模、壓邊圈及凹模為剛性體，預(yù)成形板材毛坯為彈塑性體。根據(jù)所成形盒形件實(shí)際尺寸進(jìn)行三維建模，其幾何形狀由Pro/E軟件建立，直接生成片體，轉(zhuǎn)化成IGS 格式導(dǎo)入至Dynaform 軟件中，最終獲得的有限元模型如圖2 所示。工件模型中板材坯料的有限元網(wǎng)格是由Dynaform 的自動(dòng)生成網(wǎng)格命令所生成的。6061-T651 鋁合金的力學(xué)性能等參數(shù)通過板材單向拉伸試驗(yàn)獲得，擬合數(shù)據(jù)輸入至材料庫中。模擬過程中不考慮板材坯料與模具之間的熱交換問題，即將其視為等溫問題。

2 結(jié)果討論及分析

2.1 壓邊力對(duì)拉深過程的影響

在拉深成形工藝過程中，施加在板材坯料法蘭區(qū)的壓邊力大小是較為關(guān)鍵的成形工藝參數(shù)。因此，為了更好地控制鋁合金盒形件的成形質(zhì)量，避免其在成形過程中發(fā)生壁厚減薄破裂與起皺等缺陷，分別選取不同數(shù)值的壓邊力進(jìn)行拉深過程的對(duì)比模擬分析。圖3 所示為壓邊力為1 kN 條件下鋁合金板材坯料拉深的成形極限圖，由圖可以看出，在該壓邊力條件下，位于凹模與壓邊圈投影面積下的板材坯料法蘭區(qū)域沿盒形件4 個(gè)方向發(fā)生不同程度的起皺，由于該區(qū)域所生成的褶皺與凹模及壓邊圈發(fā)生大面積接觸，致使板坯在該區(qū)域發(fā)生流動(dòng)的阻力增大，阻礙了板坯送料，若凸模繼續(xù)下行拉深，則導(dǎo)致盒形件發(fā)生斷裂，無法成形。

圖3 壓邊力為1 kN 條件下的成形極限圖

圖4 所示為壓邊力為3 kN 條件下板坯拉深過程的成形極限圖，與壓邊力為1 kN 條件下相比，板坯法蘭區(qū)發(fā)生的塑性變形量相對(duì)平緩，板坯法蘭區(qū)與直邊處單元應(yīng)力狀態(tài)并不一致，但板坯的環(huán)向收縮與軸向拉深變形程度較為一致，致使板材在拉深過程中送料較為順利，法蘭區(qū)并未發(fā)生起皺，直邊處也未發(fā)生破裂。凹模處過渡圓角與凸模處過渡圓角均精確貼模，最終成形的盒形件尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 壓邊力為3 kN 條件下的成形極限圖

圖5 所示為壓邊力為5 kN 條件下板坯拉深過程的成形極限圖，與前兩者相比，該條件下壓邊力最大，法蘭區(qū)板材坯料發(fā)生流動(dòng)的阻力較大，板材送料困難，致使直邊處及底部圓角處板材發(fā)生嚴(yán)重的減薄形變，該區(qū)域板材壁厚發(fā)生不同程度的減薄。由FLC（成形極限）曲線可以看出，板材凸模圓角處在拉深至一定程度時(shí)發(fā)生了破裂，無法成形最終尺寸。

圖5 壓邊力為5 kN 條件下的成形極限圖

2.2 壁厚分布對(duì)比

由塑性屈服準(zhǔn)則可知，當(dāng)金屬材料所受外力達(dá)到該材料的塑性屈服強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)發(fā)生與受力狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的塑性變形。對(duì)于鋁合金盒形件的拉深成形，其塑性變形量主要體現(xiàn)在成形件的壁厚分布情況。圖6 所示為拉深成形中期盒形件各區(qū)域壁厚分布云圖，板材初始厚度為1 mm，板材法蘭區(qū)域發(fā)生了輕微程度的減薄，壁厚減至0.97 mm 左右。由于法蘭區(qū)板坯的走料與壓邊阻力的共同作用，使得凹模圓角處板材發(fā)生了相應(yīng)的增厚，而凸模圓角處所發(fā)生的塑性變形量最大，因此，4個(gè)圓角處的壁厚均發(fā)生了較為嚴(yán)重的減薄，壁厚減至0.76 mm。其余區(qū)域的減薄范圍在0.85～0.95 mm 之間，塑性變形量與各區(qū)域所受應(yīng)力狀態(tài)較為一致。

圖6 成形中期盒形件壁厚分布對(duì)比

圖7 成形中期盒形件典型點(diǎn)處壁厚數(shù)值分布

圖7 所示為板材坯料在成形中期盒形件各部分典型點(diǎn)處的壁厚分布示意圖，取1/2 板坯，在各區(qū)域分別取點(diǎn)1～10，將各點(diǎn)處的壁厚值測(cè)出并繪制壁厚分布曲線。圖中10 點(diǎn)處所示為盒形件底部，板坯雙向受拉，在凸模圓角所提供的有益摩擦條件下，10 點(diǎn)處發(fā)生塑性變形較少，減薄量相應(yīng)較少。7 點(diǎn)處為凸模圓角區(qū)，此處板材所受應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，受切向與徑向應(yīng)力的共同作用，在承受凸模豎直向下成形力的同時(shí)，還受到彎曲變形力矩的影響。因此，該區(qū)域通常是最先發(fā)生減薄的位置，由圖7 中曲線可以看出，7 點(diǎn)處壁厚減薄最為嚴(yán)重，處于波谷，為0.77 mm。6點(diǎn)至1 點(diǎn)壁厚呈緩慢上升的態(tài)勢(shì)，其中3 點(diǎn)處為凹模圓角區(qū)，由圖7 可以看出，該處壁厚大于原始壁厚，即成形過程中壁厚發(fā)生增厚現(xiàn)象，該處是板坯拉深送料的關(guān)鍵，在承受板坯拉深變形力的同時(shí)，還受到壓邊力作用下摩擦阻力的影響。

通過有限元對(duì)比分析壓邊力對(duì)鋁合金盒形件成形過程的影響，并結(jié)合對(duì)成形過程中板材壁厚分布的深入研究，得出壓邊力設(shè)為3kN 條件下，盒形件拉深成形質(zhì)量良好。對(duì)于給定尺寸的鋁合金盒形件，按有限元優(yōu)化結(jié)果確定實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行拉深實(shí)驗(yàn)，最終獲得成形質(zhì)量良好的零件。如圖8 所示，盒形件尺寸及表面精度均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 成形盒形件

3 結(jié)語

通過有限元模擬與工藝實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)6061—T651鋁合金盒形件拉深成形過程進(jìn)行分析，采用Dynaform 非線性有限元軟件對(duì)其進(jìn)行理論分析與探討，得出如下結(jié)論：

1）壓邊力過大或過小均會(huì)引起板坯的塑性失效，壓邊力設(shè)為3kN 條件下，盒形件成形質(zhì)量最優(yōu)；

2）凸模圓角區(qū)板材受力狀態(tài)復(fù)雜，同時(shí)承受凸模豎直向下成形力與彎曲變形力矩的影響，該區(qū)壁厚減薄最嚴(yán)重；

3）凹模圓角區(qū)壁厚大于原始壁厚，承受板坯拉深變形力與法蘭區(qū)摩擦阻力的共同作用，成形過程中出現(xiàn)增厚現(xiàn)象。

［1］張小兵，李建明，劉偉成.0Cr18Ni9 不銹鋼板拉深成形數(shù)值模擬［J］.熱加工工藝，2013，42（23）：132-140.

［2］朱亨榮，王志忠，王鎮(zhèn)柱，等.軸對(duì)稱帶孔板坯拉深—翻孔復(fù)合成形的仿真與實(shí)驗(yàn)［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2013，20（5）：50-55.