中等高度锥形件的拉深成型工艺及数值模拟.pdf
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1、模具技术2 0 2 3.No.3文章编号:10 0 1-49 34(2 0 2 3)0 3-0 0 2 9-0 729中等高度锥形件的拉深成型工艺及数值模拟孙慧1,陈永兴,资阳鹏(1陕西工业职业技术学院,陕西2宁波鹏信模具制造有限公司,浙江摘要:锥形件的成型过程是集拉深和胀形于一体的复合成型过程。不锈钢餐盒属于典型的锥形拉深件,而起皱是不锈钢餐盒在拉深时最易出现的质量问题。借助于FASTAMP软件对中等高度锥形件在反拉深成型过程中出现的起皱问题进行分析,重新确定成型方案,并通过摩擦系数等参数的优化,解决中等高度锥形件在拉深时的起皱问题。研究表明:增大压料面积、选用厚向异性系数值大的材料、设置合
2、理的摩擦系数,可成功解决中等高度锥形件侧壁起皱的问题。该案例在教学中有助于学生更深入地理解起皱和拉裂的原因、探索更合理多样的解决措施。关键词:锥形件;拉深;起皱;压料面积;摩擦系数中图分类号:TG142.1咸阳712000;宁波3315000)文献标识码:ADrawing process and numerical simulation of medium-height conical partSUN Hui,CHEN Yongxing,ZI Yangpeng(1.Shaanxi Polytechnic Institute,Xianyang 712000,Shannxi,China;2.Nin
3、gbo Pengxin Mould Manufacturing Co.,Ltd.,Ningbo 315000,Zhejiang,China)Abstract:The forming process of a conical part is a compound forming process integratingdrawing and bulging.The stainless steel lunch box belongs to typical conical drawing part,and wrinkling is the main quality problem of stainle
4、ss steel lunch box in drawing.In thispaper,FASTAMP software is used to analyze the wrinkling problem of medium-heightconical part in the reverse-drawing process.The wrinkling problem of medium-height conicalpart in drawing is solved by redetermining forming scheme,and optimizing frictioncoefficient.
5、The results show that the problem of side-wall wrinkling of medium-heightconical part can be solved successfully by increasing the pressing area and setting reasonablefriction coefficient.This case is helpful for students to better understand the causes ofwrinkling and cracking,and to explore more r
6、easonable and diversified solutions.Key words:conical part;drawing;wrinkling;pressing area;friction coefficient收稿日期:2 0 2 2-0 1-0 7基金项目:变压边力环境下拉深模具的设计、模拟与制造(编号:KCZ19-02)。作者简介:孙慧,副教授,主要从事模具设计与制造,模具CAD/CAE/CAM方面的研究。300 引 言教学用不锈钢餐具属于锥形拉深件,其变形区和变形特点都与常见的筒形拉深件不同,如图1所示。对于筒形拉深件,其变形区是凸缘(法兰);而对于锥形件,其变形区包括凸缘和
7、侧壁。两者的变形区不同,则两者在变形时的应力应变状态也不同,在变形达到极限时出现的质量问题也不同。本文将借助于华中科技大学的FASTAMP板料成型模拟软件对不锈钢餐具的变形区和变形特点进行模拟分析,并通过试模结果来确定最佳的中等高度锥形件的拉深成型方案。152(d2)88(d.)$163(a)二维图(b)三维图图1不锈钢餐具模型Fig.1 Stainless steel lunch box model1拉深件工艺性分析及拉深方案的确定1.1#拉深工艺性分析锥形件在拉深过程中易出现两个质量问题:其一,锥形件的侧壁在拉深过程中处于悬空状态,此处材料的抗失稳能力非常差,易出现起皱问题;其二,锥顶圆角
8、部分与凸模的接触面积小,此处材料变形不均匀程度大,易发生破裂问Die and Mould Technology No.3 2023题。为防止变形极限的出现,锥形件的拉深通常是采用多次拉深,其拉深次数是根据锥形件的相对高度(h/d)来确定的,如图2 所示:当h/d0.2时,属于浅锥形拉深件,可一次拉深成型;当0.2 h/d0.5时,属于中等高度锥形拉深件,需要两道拉深工序来成型;当h/d0.5时,属于深锥形拉深件,需要多道拉深工序来成型1。图2 中,d1为锥顶直径,d2为锥底直径,,h为锥形件高度。锥底圆角侧壁锥顶圆角Fig.2The conical deep drawing part1.2#拉
9、深方案的确定该不锈钢餐具属于中等高度锥形件,其相对高度h/d=0.29,相对厚度t/d=0.005,相对锥顶半径di/d=0.58这3个参数满足:0.2h/d20.5,t/d20.5的要求,第二道拉深工序可采用反拉深。依次确定该锥形件的拉深方案一:落料首次拉深二次反拉深,如图3所示。反拉深时工序件与凹模包角为18 0,坏料沿凹模流动的摩擦阻力和弯曲抗力均增大,坏料的流动性变差,因此反拉深成型需要更大的径向拉应力,相应地,径向伸长变形量也增大,从而减小了切向压缩变形所需的切向压应力,可有效降低锥形件侧壁起皱的趋势 2 。由于反拉深增大了径向拉应力,所以二次反拉深不设置压边圈。锥形件的成型属于拉深
10、与胀形相结合的复合成型,即锥形件侧壁上段是拉深变形(切向压缩变形、径向伸长变形),锥形件侧壁下段是胀形变形(切向、径向均为伸长变形),但在整个侧壁上拉深变形占主导地位 3。试模结果证明了一点:拉深过程中,侧壁的起皱会向锥顶延伸,拉深至最后时刻,锥形件侧壁的大部分的区域都有起皱。首次拉深时的底部圆角在二次反拉dd图2 锥形拉深件凸缘底部$20888模具技术2 0 2 3.No.3192$163152(d.)88(d.)$163(a)拉深工序二维图31是降低起皱区的切向压应力。降低切向压应力的措施很多,措施一:增大压料面积。增大了压料面积,也就是增大了压料力,相应地增大了径向拉应力,最终实现径向伸
11、长变形量的增大。增大径向伸长变形量,可以使切向压缩变形在很小的切向压应力作用下发生,可大大降低切向压缩变形所需的切向压应力。依此确定该锥形件的拉深方案二:落料拉深翻边,如图5所示。655$152172$163$88R9$152(b)拉深工序三维图(a)拉深工序二维图图3拉深方案一Fig.3Deep Drawing scheme I深时发生反弯曲变形,且过小的内表面圆角半径(2 mm)使得反弯曲变形的阻力增大,使得此处材料在反拉深时径向伸长变形不彻底,从而在侧壁上端留下一圈压痕。起皱和压痕如图4所示。(b)拉深工序三维图图5拉深成型方案二Fig.5Deep drawing scheme II图4
12、反拉深成型的锥形拉深件Fig.4 The conical deep drawing part formedby reverse deep drawing从试模结果来看,该锥形件出现的主要质量问题是侧壁起皱,而解决起皱的根本方法就2拉深材料的确定降低切向压应力的另一途径是采用厚向异性系数大的材料。板料的厚向异性系数r是指32板料单向拉伸时,宽度方向与厚度方向的应变之比,可以理解为切线方向和厚度方向的应变之比(r=/e,),如图6 所示。厚向异性系数越大,坏料越容易沿平面流动,即很小的切向压应力便可以让坏料发生切向压缩变形,可有效解决锥形件侧壁起皱的问题 4。表1为SUS304材料的厚向异性系数,
13、可见其各向异性不明显。0图6 锥形件拉深至某一时刻的应变状态Fig.6The strain state at a given moment of a conicaldrawing part at a certain moment表1SUS304的厚向异性系数Tab.1Thickness anisotropy coefficients of SUS304厚向异性系数rro145r90平均值ro+r9o+2r4s)平均=4不锈钢的抗氧化性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜(Cr2O)的形成,有效防止了氧原子的继续渗人和氧化,从而获得抗锈蚀的能力。密度强化系数K条件屈服应力0.27.93 g/cm31
14、42Die and Mould Technology No.3 2023为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性,不锈钢必须含有18%(质量分数)以上的铬,因此,SUS304(0 C r 18 Ni9)符合不锈钢的抗氧化性和耐腐蚀性的要求;SUS304(0 Cr 18 Ni 9)为奥氏体不锈钢,在室温至8 0 0 条件下,仍能保持其优良的物理性能和力学性能,同时在室温及高温下均有较高的塑性和韧性,因此,SUS304不锈钢作为被认可的食品级不锈钢,是餐具用料首选,同时也满足了环保要求。3土坏料形状与尺寸的确定FASTAMP 软件中的 Blank EstimationWizard(毛坏展开向导)模块仅需数分
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