模具几何参数对3104冲杯成形的影响

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易拉罐俗称二片罐，于20世纪 60年代初在美国问世后，因其具有重量轻、安全以及较高回收再利用价值等优点 ，广泛应用于饮料 、破等行业 。

易拉罐的原材料是薄铝板 ，主要经过冲杯 、变薄拉伸、缩口等冲压工序，将铝板加工成符合要求的易拉罐罐体。冲杯工序是-道复合冲压工序，包括冲裁及拉深，即把薄铝板冲裁成圆坯，再拉深成杯状毛坯供变薄拉伸工序使用。在拉深过程中，由于受 冲头圆煌拉深凹模 圆弧以及压边圈的作用 ，杯下部壁厚减薄，而杯 口壁厚将增厚。同时杯转角处的圆弧大小对后道工序有-定的影响，特别是容易引起产生断罐。因此在冲杯工序中需要考虑如下因素：杯的直径和拉深 比、冲头 圆弧 、拉深 凹模 圆虎铝材的机械性能、模具表面的摩擦性能、材料表面的润滑、冲头的冲压速度、模具间隙等 。

冲杯过程实际上是筒形件的拉深过程。在拉深过程中，坯料边缘 的材料沿着径向形成杯 ，在塑性流动区域的材料处于双 向受压 ，单向受拉 的三 向应力状态，极易失去稳定而出现起皱现象 。当材料通过凹模圆角部分时，其变形较为复杂，除了径向拉伸与切向压缩外，还会产生很大的弯曲变形。如果凹模 圆角半径过小 ，坯料将会受到切向应力 的严重挤收稿 日期 ：2013-04-27作者简介：官春平(1975-)，男，高级工程师 ，硕士。

压和摩擦力的作用，使坯料沿凹内破裂；若凹模圆角半径过大，则会使压边圈压住的坯料面积过小，悬空部分过多，容易失稳起皱。而通过 凹模圆角后 的材料处于拉伸状态 ，由于其所受到的拉伸力来 自冲头压力，它需经过杯底圆角处传递，因此杯底圆角处的材料变薄最严重，极易破裂。当冲头圆角半径过小时，坯料在此受到过大的弯曲变形，降低了坯料危险断面的强度，易使零件被拉裂；同时，过大的冲头圆角半径 ，将会使零件在转角处失稳，易发生起皱。

模具间隙是保证模具正常工作，并获得高质量零件的-个重要因素。间隙过大，拉深时产生的径向拉力小，间隙对拉深零件筒壁部分的校直作用小，易使冲杯筒壁弯曲、起皱 ，并容易形成底汹大的锥形，降低冲杯件的尺寸精度；间隙过小，则加大了模具与坯料之间的接触应力 ，冲杯表面易被划破，且表面粗糙度降低，同时加速模具的磨损，使模具寿命降低 ，而且随着拉深过程 的进行 ，边缘 的材料增厚加剧。因此，必须选择-个合理的间隙，以满足材料增厚和起到校直作用的要求。

2 广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报 第 l2卷1 冲杯过程模拟易拉罐冲杯是-种复杂的力学过程，它包含几何非线性、材料非线性 、接触非线性等。采用解析方法研究冲杯过程非常困难 。如果采用实验方法将会出现成本过高、耗时长等问题 ，而且在实验过程中，各个参数的交互作用 ，难 以获得有效 的冲杯成形规律 。随着计算机技术及有 限元数值 方法 的不断发展，已经可以较精确地对易拉罐的冲杯工序进行仿真研究。

在冲杯成形过程中，不 同的拉深工艺参数对拉深变形以及拉深件质量的影响是十分明显的。合理的工艺参数，可以提高拉深变形的均匀性，降低易拉罐的生产成本。冲头圆角、凹模圆角和模具间隙等因素对冲杯成形性能产生重要的影响，因此，本文主要从这三个方面进行研 究，以获得该三因素对冲杯成形性能的影响规律。

易拉罐罐体冲杯所用的毛坯材料为0.29ram厚的 3104薄铝板(假定其为理想弹塑性材料 ，弹性模量 E：69GPa，泊松 比 0.3，屈服强度 盯 冲头 边髑阙坦 模2 仿真结果分析270MPa)，圆坯直径为 154.55mm，冲杯完成后的杯体直径 为 89.6mm，杯 深 44.5mm，压 边力 1000N。

为了分析凹模圆角、冲头圆角和模具间隙对冲杯性能的影响，凹模圆角半径 R 分别取 2.8、2.9和3ram，冲头圆角半径 R 婆分别取2.4、2.5和2.6ram，模具间隙 t 分别取 0.29，0.3和 0.31mm，其模型如图 1(a)所示。

有限元分析软件采用 ABAQUS 6.12。由于在冲杯过程中，主要考虑的是杯体的变形和受力分析，因此为了简化分析 ，冲头、凹模和压边圈采用刚体模拟，并采用轴对称平面进行仿真分析 。在仿真分析过程中，冲头垂直 向下运动 ，凹模固定不动 ，压边圈受向下的垂直载荷 ，毛坯材料在对称轴上 只能沿垂直方向移动。圆坯划分成 6000个 四边形结构化网格 ，如图 1(b)所示。冲头与坯料 、压边 圈与坯料和凹模与坯料之间的摩擦系数均采用0.3。由于主要考虑冲头圆角、凹模圆角和模具间隙对冲杯成形的影响，因此，不考虑冲压速度对成形的影响，在仿真过程 中采用准静态加载方式进行冲杯仿真。

)图 1 冲杯模型及网格划分示意 图图 2反映了冲杯过程中坯料的应力分布。从图中可以看出，在冲头圆角处和凹模圆角附近的应力较大，特别是凹模圆角下部-段区域。而且在冲头圆角处，坯料的厚度已经有所减校冲头底部区域和压边圈底部区域的应力水平较低，而且其材料厚度也没有发生较大变化。因此，有必要对冲头圆角大小 、凹模圆角大小以及模具问隙对 冲杯成形过程的影响进行详细分析。

图 2 冲杯过程 中的应力分布2.1 凹模 圆角对冲杯成形过程的影响凹模圆角的取值直接关系到变形区金属的流动特性 ，进而影响拉深所需成形力的大校在冲杯过第 2期 官春平：模具几何参数对 3104冲杯成形的影响 3程中，坯料将通过凹模的边缘沿着 圆角滑动，使之产生较大的双向弯曲变形。凹模的圆角半径过小，坯料在拉深成形过程中的弯曲阻力增加，从而使杯壁的最大拉应力增加，增加了拉裂的危险，同时坯料反复弯曲拉直的变形程度也相应增大，材料的硬化现象加重，同时也加重了凹模的摩损。而凹模圆角半径过大 ，减小压边 的面积 ，使悬空 区增大，增大起皱的危险∩见其取值合理与否对冲杯工艺的实施有着重要影响。

图3反映了凹模圆角对杯体成形最瘪度的影响。从图中可以看出，随着凹模圆角半径的增大，杯底圆角处的最瘪度减小，且凹模圆角半径越大，杯底圆角处的最瘪度越小 。主要原 因是 因为随着 凹模圆角半径的增加 ，该处的摩擦力也随之增加 ，导致冲压载荷增加 ，如图4所示 ，因此在杯底圆角处的拉应力有所增加，从而导致其最瘪度降低，增加了拉裂的可能。由于凹模圆角的增加 ，杯壁部分被拉直的程度减小，因此其最瘪度有所增加。

图 3 凹模圆角对成形厚度的影响图4 凹模圆角对成形载荷的影响2.2 冲头圆角对冲杯成形过程的影响冲头圆角半径虽然对筒壁的最大拉应力影响不大，但却影响危险断面的强度。当采用较小的冲头圆角时，坯料绕过冲头的弯曲应力增大，会使转角处的材料严重变薄，降低冲件危险断面的强度。当冲头圆角半径太大，则会减少传递冲头载荷的承载面积 ，还会减少冲头端面与坯料的接触面积 ，增加坯料的悬空部分，易使悬空部分起皱。

图5反映了冲头圆角大小对杯体成形最瘪度的影响关系。从 图中可以看 出：随着冲头圆角半径的增大，冲杯圆角处的最瘪度和杯壁最瘪度均增加。这是因为随着冲头圆角半径的增大，冲杯圆角处的半径也随之增大，在冲头圆角处的接触 面积增加，冲杯圆角处所传递的单位面积冲压力减小，因此，其变形将会有所减小，导致其最旭度有所增加。而冲头圆角半径的增加，冲杯圆角处的弯曲应力减小 ，导致坯料与凹模的摩擦力减小 ，使得冲压载荷减小，如图6所示。由于冲压载荷减小，杯壁所受到的拉应力也相对减小 ，因此 ，杯壁的最瘪度也相应增加。

图 5 冲头 圆角对成形厚度 的影 响图6 冲头圆角对成形载荷的影响4 广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报 第 12卷2.3 模具间隙对冲杯成形过程的影响模具间隙的变化会影响成形过程中坯料流动性的变化 ，直接影响到拉深力与冲杯 的质量。模具 间隙小 ，导致摩擦增大 ，使得拉深力增大。反之亦然。

坯料通过凹模圆角处时被拉弯 ，但在通过 冲头与凹模的间隙时又被拉直 ，若间隙过大 ，冲杯的侧壁易形成弯曲形状 ，或者形成 口大底小的锥形 ，导致冲杯的精度将不易控制 ；若 间隙过小 ，坯料与模具表 面之间的接触压力加大，易使冲杯的侧壁变薄，甚至拉断，而且模具磨损严重，缩短其使用寿命。

图7和图8反映了模具间隙对冲杯成形性能的影响。从 图中可以得出 ：随着问隙的增加，坯料与模具的摩擦减小 ，导致成形所需的载荷急剧减校虽然冲压载荷减小，但是成形的最瘪度也减校其主要原因是冲杯形成底小 口大的锥形 ，导致底部薄的部位在拉深过程中将被拉得越来越保图 7 模具间隙对成形厚度 的影响图 8 模具 间隙对成形载荷的影响3 结论第-，凹模圆角增大，杯体圆角厚度减小，杯壁厚度增加 ，所需的成形载荷增加。

第二，冲头圆角增加 ，杯体圆角厚度和杯壁厚度均增加 ，所需的成形载荷减小 。

第三，模具间隙增加，杯体圆角厚度和杯壁厚度均减小 ，所需的成形载荷减小 。

因此，需要对凹模圆角、冲头圆角和模具间隙进行优化设计，才能获得较为理想的杯体性能和较小的能量。