边缘周向均布小孔圆坯的杯形件拉深

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在冲压成形中，关于板料拉深过程中避免破裂和有效抑制起皱，-直是国内外新工艺研究的热点。

为提高板料的极 限拉深 比 LDR (Limited drawingratio)，相关学者进行了许多研究1 ]。但所得到的结论各不相同，如控制和优化压边力曲线，由于试验坯料、模具结构或加载历史及变形路径等因素差异的影响，采用何种压边力曲线为最优，有待进-步研究l5 ；文献[6]关于多点位控制压边技术，采用了变压边力压力机设备，但存在价格昂贵，并且控制效果有限，技术也不够成熟的问题。在凹模上设置-些小而浅盲孔的拉深孔技术7 ]，试验表明对提高板料的成形极限能力有-定效果。但由于在凹模上平面设置盲孔要求孔 口打磨光滑，同时对于复杂卞零件，还需要通过不断试压确定在材料流动困难区域上打孑L的密度及大小，因而难以运用于实际生产。

本文提出在圆坯边缘沿周边预先均布加工出小直径工艺孔，然后再进行拉深的方法，并对其成形机理进行分析。采用 LS-DYNA软件进行杯形件拉深模拟和试验。

1 成形机理(2006C21052)；浙江侍育厅科研资助项目 (20060011)。 拉深杯形件或复杂冲压件 (如汽车覆盖件)-TNN E-mail：dingliumingming###163.com 类的冲压件，原始坯料的外缘-般是作为工艺的辅作者简介：丁明明，男，1964年生，副教授，研究方向 助用边，有时在此类冲压件的坯料外缘再增加-定为塑性工程与模具技术 尺寸的工艺辅助边 ，工艺辅助边参与冲压拉深的变收稿日期：2013-03-02 修订日期2013-03-17 形， 因此需增加切边工序，如图 1所示。

44 塑性工程学报 第 2O卷图 l 杯形件和毛坯及切边工序后的辅助边Fig.1 The cup and the blank and thesecondary edge after trimming压边力过大过小，都会导致工艺辅助边起皱或拉深件壁部拉裂，即使压边力合适，工艺辅助边也可能发生增厚现象。图 2是拉深过程毛坯的应力与应变状态，图中 、 为径向应力和应变；dz、z为轴向 (厚度方向)应力和应变； 。、e。为周向应力和应变。

曼耋JPIi图 2 拉深过程毛坯的应力与应变状态Fig.2 State of stress and strain of the blankduring the deep-drawing process如图 3l9 所示，取凸缘变形区外缘上的单元体A 进行分析。单元体受到径 向拉应力 的同时，还受到两侧周向压应力 ，以及厚度方向的压应力。 的作用，但径向拉应力及厚度方向的压应力远小于周向压应力，其应力关系为l 。l>l l> l z l，根据拉深过程中体积不变条件，单元体在厚度方向是图3 凸缘上小单元体变形Fig.3 Deforming of small unit in flange增厚的，即。为正应变，当凸缘变形区外缘厚度堆积到-定程度时，就产生起皱现象。拉深过程本质就是凸缘部分材料逐渐转移流向拉深件筒壁部分的过程。在此过程中，单元体 A 上，由冲头运动产生径向拉应力 ，要克服作用在其上的周向压应力。 和轴向压应力 z所产生的，坯料上下两面分别与压边圈、凹模上平面之间产生的摩擦阻力 r，在径向拉应力的作用下产生塑性变形，多余材料沿径向被挤出，并不断被拉入凹模，最后成为拉深件筒壁部分单元体 A2。

在凹模上设置小而浅盲孔的拉深孔工艺方法，之所以能提高板料的成形极限能力，主要是由于拉深孔中储存的润滑油的作用，使压边力所产生的坯料与压边圈、坯料与凹模上平面之间产生的摩擦阻力 r减弱，从而使拉应力减小，抗破裂承载能力提高。圆筒形件拉深时的应力变化如图4所示。

，。 0 垒L O10n图 4 圆筒形件拉深时的应力变化Fig.4 Stress of cylindrical drawn part during drawing由图 4可见，凸缘变形区最外缘上的单元体受到最大的周向压应力 。作用，厚度堆积严重，由此使整体刚性压边圈实际上只能作用于板料的最外端，拉深时坯料其余部分几乎与压边圈、凹模面之间不产生摩擦阻力，因此拉深孔对提高板料的成形极限能力的效果有限，不是十分理想的设计方案。

在拉深杯形件时，如果预先在圆坯边缘沿周边冲出或加工出均布的凶作为工艺孔，如图 5所示，在两孑L之间取单元体，由于设有工艺孔，拉深时将会减弱堆积材料所产生的周向压应力，单元体增厚现象减弱或削除，此时只需克服作用在其上的，由压边力所产生的坯料与压边圈、凹模平面之间产生的摩擦阻力 r作用，而该摩擦阻力 r与周向压应力相比要小得多，从而使拉应力下降，提高了拉深件筒壁部分的承载能力，使得坯料拉深时破裂趋势减弱。圆坯边缘上打孔愈多，对拉深愈有利。相比于第 3期 丁明明 等：边缘周向均布dqL圆坯的杯形件拉深 45拉深孔工艺方法，在圆坯边缘上打孔的工艺方法， (见图 7)：在拉深过程中能更显著的提高板料的成形极限能力。

图 5 拉深前坯料上打孔示意图Fig.5 Blank with technique-holes before drawing2 拉深成形性能评价标准拉深件危险断面处-般位于壁部的底部靠近凸模圆角处 (见图 6a中筒壁的两条虚线之间，或图6b中筒壁的 3与 4部位之间o])，-般将拉深制件在危险断面处的厚度或厚度减薄率作为评判成形质量的标准，拉深件危险断面处，厚度愈大或厚度减薄率愈小愈好 ，表明拉深质量愈高。采用成形极限图 (FLD)评价拉深成形中的起皱和破裂，设置 3个 目标函数[1 13]。

tl 彳 IH - - III6543b图 6 拉深件沿高度方向的壁厚变化和变化率Fig.6 Wal thickness variations alongthe height of drawn part第-个 目标函数，是设距离临界破裂曲线裕度曲线 S (见图 7)：1- 1(2) (1)第二个 目标函数，是设距离起皱临界 曲线 S。

2- s2(e2) (2)拉裂区临界区 1 极限曲线形、 安全 起皱成。

极限曲线 /p 安全区 2图 7 目标函数设置图Fig.7 The map of the objective function第三个 目标函数，是设危险断面处板料厚度减薄率的满足关系：maxd≤ /'/1to (3)式中 △ --板料减薄率- - 最大减薄系数to--板料原始厚度3 有限元模拟3.1 有限元模型图 8所示为 3种拉深分析有限元模型。除了工艺孔尺寸不同外，有限元模型的尺寸参数相同。采用 ANSYS分析软件 I S-DYNA拈建模求解，并在 LS-PREPOST下进行处理分析。有限元模型选凸模压边圈坯料打孔凹模b凸模压边圈打孔坯料凹模图 8 有限元模型a)凹模上打孔 43ram；b)无凶杯形件；c)坯料上打孔 ≠6mmFig.8 Finite element model46 塑性工程学报 第 20卷用 SHEI L163和 BWC算法单元及面-面接触 中的FORM 1NG NE W AY SURFACE TOSURFACE接触类型。

毛坯采用 08A1材料，直径为 115mm，凸、凹模沿周边间隙 1.1mm，坯料厚度 t-lmm，特征如表 1l4]所示，其应力应变曲线方程为6Ke 。

表 1 08AI材料特性Tab.1 Characteristics of O8Al弹性模量 ， 白松 比， 屈服极限， 应变强因 硬化指 厚向异性E/MPa O's/MPa 数，K/MPa 数， 因数 ，r206.8 O.3 11O.3 537 O.21 1.83.2 模拟结果设工件与模具之间的摩擦系数 -0.1，模拟速度 -2m/s。经多次模拟，得到压边力合适的范围为 1250N1750N，取 1500N。对图 8中 3个有限元模型均加载 1500N压边力，分别在拉深深度 h-20mm、22mm、24mm时进行模拟，模拟试验后拉深件危险断面处厚度减薄率对比如图 9所示。图 10是 3个有限元模型加载压边力 1500N、拉深深度h-24mm时的模拟试验后的 FLD图。

芝 褂被蹬拉深高度，hlmm图 9 拉深件的危险断面处厚度减薄率对比Fig.9 Fhickness reduction rate comparison at thedangerous section of drawn part3.3 模拟结果分析由图9可知，当压边力与拉深高度相同时，圆坯外缘打孔后拉深的拉深件危险断面处厚度减薄率最小，根据成形性能评价标准，坯料外缘打孑L后进行拉深后的拉深件质量最好。对于板料拉深成形，- 般认为减薄率控制在3o 以内是可行的1 ，因此可设 3O 为临界状态。3个模型，当拉深高度 h-24ram时，有限元模型a和有限元模型 b，拉深后的拉深件危险断面处厚度减薄率均超过了 30 9/6；而有限元模型 C拉深后的拉深件危险断面处厚度减薄率在 3O 以内，说明模型 C拉深成功。

O.6O.5《 o·4髫 o.s州O.20- 0.3-O.2-O.1 O O.1 O.2 O.3 0.4次应变， 2a0.6O.50.40.3- 0.3-0.2-0.1 O O.1 O.2 0.3 O.4次应变，02bO- 0.3-0.2-O.1 O O.1 O.2 0.3 0.4次应变，02C图 1O 3个有限元模型拉深后拉深件的FLD图 (拉深高度 24mm)a)凹模打孔的杯形件；b)无凶杯形件c)圆坯边缘打孑L的拉深件Fig.10 FLD charts of drawn part by 3 finite elementmodels after drawing(with drawing height of 24mm)由图 10可知，有限元模型a拉深后的拉深件有- 定数量的应变点进入了临界区，因此，出现较高废品率；有限元模型 b拉深后的拉深件有-定数量的应变点进入破裂区，因此，也出现了废品率；而有限元模型 C拉深后的拉深件的所有应变点都在安全区内，因此未出现废品，产品均合格。