拉深件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析

摘 要：拉深件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)十分復(fù)雜，由于拉深件的壁厚很不均勻，致使拉深件凸緣區(qū)在切向壓應(yīng)力作用下極易起皺，筒壁上的危險(xiǎn)斷面也很容易被拉裂。如何解決起皺和拉裂問(wèn)題，是拉深成形能否順利完成的關(guān)鍵。起皺主要是由于凸緣的切向壓應(yīng)力超過(guò)了材料臨界切向壓應(yīng)力所引起的，在拉深過(guò)程中，凸緣變形區(qū)在不斷縮小，其厚度在不斷增加，這兩個(gè)因素對(duì)起皺都會(huì)產(chǎn)生影響；常見(jiàn)的防皺措施是采用便于調(diào)節(jié)壓邊力的壓邊圈，把凸緣緊壓在凹模表面上。防止拉裂的根本措施是減小拉深力和提高筒壁材料的強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)拉深模時(shí)，首先應(yīng)控制材料的變形程度，然后再采取其它各種措施防止危險(xiǎn)斷面的拉裂。

關(guān)鍵詞：拉深成形；應(yīng)力應(yīng)變；起皺；拉裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.023

拉深也叫拉延，是利用拉深模具將平板毛坯塑性成形為各種開(kāi)口的空心零件的一種沖壓加工方法。在生產(chǎn)實(shí)際中，用拉深方法可以制成筒形、矩形、錐形、階梯形、球面形和其它不規(guī)則形狀的薄壁零件。如果與其它沖壓工藝配合，還可制造形狀更為復(fù)雜的零件。在拉深變形過(guò)程中，隨著凸模的不斷下行，留在凹模端面上的毛坯外徑不斷縮小，圓形毛坯逐漸被拉進(jìn)凸、凹模之間的間隙中形成直壁，當(dāng)板料全部進(jìn)入凸、凹模間的間隙時(shí)，拉深過(guò)程結(jié)束。拉深件可加工的尺寸范圍很大，因此在工業(yè)領(lǐng)域和日用品加工中得到了廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的典型零件，基于塑性成形的基本理論，探討拉深過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變變化的內(nèi)在規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)中殼罩類零件拉深工藝的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 拉深成形

拉深與沖裁的主要區(qū)別是：拉深模的凸模和凹模均有較大的圓角半徑，凸、凹模之間的間隙也較大，其間隙值一般大于板厚t。拉深是沖壓工藝中很重要的一種成形工序，應(yīng)用很廣。如汽車(chē)、拖拉機(jī)的一些罩件、殼件、覆蓋件等，航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上的許多零件以及儀表、電器上的許多殼體件，還有很多日用品等都是采用拉深制成的。拉深件的種類很多，大體可以劃分為旋轉(zhuǎn)體（軸對(duì)稱）類零件、矩形（盒形）類零件、復(fù)雜形狀零件等三類。

2 拉深變形過(guò)程

拉深過(guò)程如圖1所示。在凸模的作用下，原始直徑為D的毛坯被拉進(jìn)凸、凹模之間的間隙里而形成圓筒的直壁。工件上高度為h的直壁部分是由毛坯的外形（外徑為D，內(nèi)徑為d）部分轉(zhuǎn)變而成的，所以，拉深時(shí)毛坯的外部環(huán)形部分是變形區(qū)；底部一般不參加變形，稱為不變形區(qū)；被拉入凸、凹模之間的直壁部分已經(jīng)完成了變形，稱為傳力區(qū)[1]。

在拉深成形階段，凹模平面上的各單元體毛坯在圓周方向（切向）的長(zhǎng)度，隨凸模的下行而不斷縮短，而毛坯的徑向（同心圓間距）長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，直至單元體全部被拉入凹模型孔內(nèi)。

圓形的平板毛坯究竟是怎樣變成圓筒形工件的？如果將平板毛坯的三角形陰影部分b1、b2、b3、…切去，留下、、、…這樣的一些狹條，然后將這些狹條沿直徑為d的圓周彎折過(guò)來(lái)，再把它們加以焊接，就可以成為一個(gè)圓筒形工件了。這個(gè)圓筒形工件的直徑d可按需要裁取，而其高度為。

但是，在實(shí)際拉深過(guò)程中，我們并沒(méi)有將陰影部分的三角形材料切掉，這部分材料是在拉深過(guò)程中由于產(chǎn)生塑性流動(dòng)而轉(zhuǎn)移了。這部分被轉(zhuǎn)移的三角形材料，我們通常稱之為“多余三角形”。這部分“多余三角形”材料的轉(zhuǎn)移，一方面要增加工件的高度△h，使得，另一方面要增加工件的壁部厚度。

3 拉深件各部分的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)拉深件各部分的厚度是不一致的。一般是底部略有變薄，但基本上等于原毛坯的厚度；壁部上段增厚，愈靠近上緣壁部增厚愈明顯；壁部的下段變薄，愈靠下部變薄愈多；由壁部向底部轉(zhuǎn)角的稍上處，則出現(xiàn)嚴(yán)重變薄，甚至斷裂。另外，沿高度方向，零件各部分的硬度也不一樣，愈到上緣硬度愈高。這說(shuō)明，在拉深過(guò)程中的不同時(shí)刻，毛坯內(nèi)各部分由于所處的位置不同，它們的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是不一樣的。為了更加深刻地認(rèn)識(shí)拉深過(guò)程的本質(zhì)，了解拉深過(guò)程中所發(fā)生的各種現(xiàn)象，必須分析拉深過(guò)程材料各部分的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)[2]。

3.1 平面凸緣區(qū)為主要變形區(qū)

平面凸緣區(qū)也就是凹?？诘耐咕壊糠旨磮D中的Ⅰ區(qū)。這是小單元體由扇形變?yōu)榫匦蔚膮^(qū)域，即拉深變形的主要區(qū)域。拉深過(guò)程主要在這個(gè)區(qū)域內(nèi)完成。如前所述，這部分材料的徑向受拉應(yīng)力的作用，切向受壓應(yīng)力的作用，因而發(fā)生塑性變形，逐漸進(jìn)入凹模。在厚度方向，由于壓邊圈的作用，產(chǎn)生壓應(yīng)力。在一般情況下，由于和的絕對(duì)值比大得多?！岸嘤嗳切巍辈牧系霓D(zhuǎn)移主要是向徑向延展，同時(shí)也向毛坯厚度方向流動(dòng)而增加厚度。這時(shí)厚度方向的應(yīng)變是正值。由于愈到外緣，需要轉(zhuǎn)移的材料愈多，因此，愈到外緣材料變厚愈大，材料的硬化也愈嚴(yán)重[3]。

假若不用壓邊圈，自然=0，這時(shí)的要比有壓邊圈時(shí)大。而當(dāng)“多余三角形”較大，板料又較薄時(shí)，則在凹?？诘耐咕壊糠?，特別是最外緣部分，在切向應(yīng)力的作用下會(huì)失去穩(wěn)定而拱起，即形成所謂“起皺現(xiàn)象”。

3.2 凹模圓角區(qū)為過(guò)渡區(qū)

凹模圓角區(qū)指的是凹模圓角部分的區(qū)域，這是一個(gè)過(guò)渡區(qū)，材料的變形比較復(fù)雜，除有與Ⅰ區(qū)相同的特點(diǎn)（即在徑向受拉應(yīng)力和切向受壓應(yīng)力的作用）外，厚度方向上還由于承受凹模圓角的壓力和彎曲作用而產(chǎn)生的壓應(yīng)力。

3.3 筒壁部分為傳力區(qū)

這一部分是由凸緣部分材料變形后轉(zhuǎn)化而成。這部分材料已經(jīng)形成筒形，材料不再發(fā)生大的變形。但是，在繼續(xù)拉深時(shí)，凸模的拉深力要經(jīng)由筒壁傳遞到凸緣部分。因此，它承受單向拉應(yīng)力的作用，

發(fā)生少量的縱向伸長(zhǎng)和變薄。

3.4 凸模圓角區(qū)為過(guò)渡區(qū)

這是筒壁和筒底的過(guò)渡區(qū)域，它承受徑向和切向拉應(yīng)力、的作用，同時(shí)，在厚度方向由于凸模的壓力和彎曲作用而受壓應(yīng)力的作用。

在這一區(qū)域中筒壁與底部轉(zhuǎn)角處稍上的地方，由于傳遞拉深力的截面積最小，因此產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大。同時(shí)，因?yàn)樵谠撎幩枰D(zhuǎn)移的材料最少，故該處材料的變形程度最小，冷作硬化最低，材料的屈服極限也就最低。

3.5 圓筒底部為小變形區(qū)

這部分材料處于凸模下面。該區(qū)域直接接受凸模施加的力并將力傳給圓筒壁部，因此該區(qū)域也是傳力區(qū)。此處材料在拉深前后都是平的，不產(chǎn)生大的變形，但由于凸模拉深力的作用（主要作用在凸模圓角部分），材料承受兩向拉應(yīng)力，厚度略有變薄。

綜上所述，在拉深中經(jīng)常遇到的主要問(wèn)題是起皺和拉裂。一般情況下，起皺不是主要的，因?yàn)橹灰捎脡哼吶?，即增加的作用即可解決。主要的破壞形式是拉裂。但在一定條件下，主次也是會(huì)相互轉(zhuǎn)化的。

4 拉深件質(zhì)量問(wèn)題及解決措施

綜上分析可知，拉深變形時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變十分復(fù)雜，拉深件的壁厚也很不均勻。因此，拉深件凸緣區(qū)在切向壓應(yīng)力作用下將會(huì)起皺，筒壁上的危險(xiǎn)斷面也有可能被拉裂。如何解決“起皺”和“拉裂”問(wèn)題，是拉深成形能否順利完成的關(guān)鍵。

在進(jìn)行拉深時(shí)，有許多因素會(huì)影響到拉深件的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至關(guān)系到拉深成形能否順利進(jìn)行。常見(jiàn)的拉深質(zhì)量問(wèn)題有平面凸緣部分的起皺、筒壁危險(xiǎn)斷面的拉裂、凸緣或口部邊緣不整齊、筒壁表面拉傷、拉深件的形狀和尺寸誤差等。在這些質(zhì)量問(wèn)題中，拉深件平面凸緣部分的起皺和筒壁危險(xiǎn)斷面的拉裂是拉深生產(chǎn)中的兩個(gè)主要工藝問(wèn)題。

4.1 起皺及防止措施

起皺是指在拉深過(guò)程中，某一部分材料沿切向產(chǎn)生波浪形的拱起。起皺現(xiàn)象輕微時(shí)，材料在流入凸、凹模間隙時(shí)能被凸、凹模擠平。起皺現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，起皺的材料無(wú)法被凸、凹模擠平，繼續(xù)拉深時(shí)會(huì)引起拉深力的急劇增加，導(dǎo)致危險(xiǎn)斷面破裂。

在模具設(shè)計(jì)方面，應(yīng)注意壓邊圈的位置和形狀，模具表面形狀不要過(guò)于復(fù)雜。多道工序拉深時(shí)，也可采用反拉深防止起皺。

4.2 拉裂及防止措施

筒壁部分在拉深過(guò)程中起到傳遞拉深力的作用，可近似認(rèn)為受單向拉應(yīng)力的作用。當(dāng)拉深力過(guò)大時(shí)，筒壁將被拉斷。由于在筒壁與底部圓角交界處附近材料的厚度最小，硬度最低，因而該處是發(fā)生拉裂的危險(xiǎn)斷面，拉深件很容易在此處被拉裂。

防止拉裂的根本措施是減小拉深力和提高筒壁材料的強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)拉深模時(shí)，首先應(yīng)控制材料的變形程度，然后再采取其它各種措施防止危險(xiǎn)斷面的拉裂[3]。

為防止拉裂，應(yīng)注意選用合適的材料進(jìn)行拉深，材料的硬化指數(shù)越大，屈強(qiáng)比越小，拉深性能越好，越不易拉裂。拉深材料的拉深系數(shù)不能太小，以避免危險(xiǎn)斷面處被拉裂；設(shè)計(jì)模具時(shí)，凸、凹模圓角半徑不能太小，以防止材料不易拉入凹模而使制件過(guò)早拉斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]官英平.筒形件拉深起皺臨界厚度的計(jì)算[J].鍛壓技術(shù)，2014（06）

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[2]柯旭貫.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]李再參.筒形拉深件的壓邊力有限元分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2013（01）：104-106.

作者簡(jiǎn)介：楊曉紅（1981-），女，甘肅會(huì)寧人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械制造、材料成型。