中等高度锥形件的拉深成型工艺及数值模拟.pdf

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.Ningbo 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 stainless 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.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 reasonable 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，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/cm3142Die 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)模块仅需数分钟即可获应变分界点得工序件展开后的形状和尺寸，且展开尺寸的精度可达0.5mm,大大简化了计算工作量 5。具体的毛坏尺寸向导步骤如下。（1）在软件的材料库中新增SUS304牌号材料，SUS304材料的部分力学性能参数见如表 2 6 。（2）中性层是零件在拉深变形过程中未参SUS304与变形的一层,因此，为了获得精确的坏料形状0.936和尺寸，可将零件的中性层作为毛坏展开的计1.123算模型，在BlankEstimationWizard模块中需0.909要通过“网格偏置”，来获得零件的中性层：由于0.976零件片体是从凸模型面抽取的,所以中性层偏置的表面基准为凸模型面,具体的偏置距离根据片体的内表面圆角半径来计算，偏置方向朝外。该零件属于旋转体拉深件，展开后的坏料形状为圆形,求解所得的坏料直径D=208mm，如图 7 所示。表2 SUS304材料的部分力学性能参数Tab.2Mechanical property parameters of SUS304弹性模量E硬化指数泊松比205MPa194020MPa各向异性0.1930.2800.936451.123900.909滑油等方法人为改变，从而提高坏料的流动性，4摩擦系数的确定在实际生产中，摩擦系数可以通过涂抹润防止拉裂现象的出现、保证拉深件表面质量。在 FASTAMP 软件中的 Forming AnalysisWizard(成型分析向导)模块下的“参数化设置”Y模具技术2 0 2 3.No.3Y图7 中等高度锥形件的坏料形状和尺寸Fig.7Blank shape and size of the medium-heightconical deep drawing part选项中，摩擦面包括：凹模一坏料的摩擦面、压边圈一坏料的摩擦面、凸模一坏料的摩擦面；润滑级别及摩擦系数包括：良好（0.0 50）、一般（0.12 5）、粗糙（0.2 50）和自定义。试模时为了改善坏料的流动性，保证拉深件质量，在凹模一坏料的摩擦面均涂抹润滑油；与凸模圆角接触的坏料区域变薄最为严重，易出现拉裂问题，因此,在凸模一坏料的摩擦面上不涂抹润滑油。各工作零件与坏料的摩擦条件见表3。表3工作零件与坏料的摩擦条件Tab.3Friction conditions between the tools and blank接触面凹模面一坏料面压边圈面一坏料面凸模面一坏料面5#拉深数模的创建及模拟结果分析5.1拉深数模的创建FASTAMP软件中的 Forming AnalysisWizard(成型分析向导）模块可以实现拉延、翻边、回弹等板料成型的模拟功能 7。具体步骤如下：（1）选择压机类型，由于该零件的拉深模采用倒装式模具结构，所以“压力机类型”选用单动压力机，即凸模在坏料下面,凹模在坏料的上面，凹模作为主动工具向下运动完成拉深；33（2）选择参考几何体，由于数模片体是从凹模型面抽取的，所以“参考几何体”选用凹模型面；p27:207,4（3）创建工具模型，包括凸模、凹模和压X边圈；（4）设置摩擦系数，见表3；（5）工具定位，工具模型创建后要对工具进行自动检查定位，如图8 所示，凹模到凸模的距离为2 0 0 mm，凹模到压边圈的距离为100 mm。Z图8 工具的自动检查定位Fig.8 Automatic checking positioning of the tools润滑级别摩擦系数良好0.050良好0.125一般0.1255.2桂模拟结果与试模结果在FASTAMP-POST(板料成型模拟后处理)软件中可以获得拉深的成型极限图、厚度云图和厚度减薄量，图9所示为方案二中的拉深成型极限图和厚度减薄量。从成型极限图来看，方案二有效解决了锥形件侧壁起皱的问题；从厚度减薄量来看，锥底圆角（凸缘圆角）处材料最薄，厚度减薄量为10.1%，小于拉深件所允许的最大减薄量18%，变形是安全的 8 。模拟结果说明，该中等高度的锥形件可以一次拉深成型，文献中提到的“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”具有一定的局限性。模拟结果显示：该零件拉深成型所需的拉深力约为2 0 7 kN、压边力约为17.2 kN,如图10 所示。试模压机采用Y3210 0 型液压机，图11是拉深凹模和凸模，模具结构为倒装式，坏料定34Die and Mould Technology No.3 2023后工序件的凸缘区出现了突耳现象，且突耳数目为4个，坏料的厚向异性系数r越大，突耳越明显 。因此，需要对方案二进行修正，翻边工FLD图示序前还需要加一道修边工序：落料拉深修破裂危险边翻边。成形不足起皱趋势起皱(a）成型极限图厚向减薄08(a)凹模（b）厚度减薄量图9模拟结果Fig.9Simulation results国行程曲线250000225000200000175000150000125000100000750005000025000叶05101520253035404550轴轴行程（毫米）时间（秒）鼠标所在位置的力压边反力17222.3压边反力图10 拉深力和压边力Fig.10Deep drawing force and blank holder force位采用3个定位销定位，压边力由顶出液压缸提供，压边力稳定且不会过载。图12(a)是试模后的拉深工序件，试模结果证明：方案二中通过采用厚向异性系数大的材料和增大压料面的方法,来解决方案一中锥形件侧壁起皱的问题，是有效的。图12(b)中，外层绿色轮廓线为坏料轮廓线，中间红色轮廓线为拉深后坏料收缩后的轮廓线（简称收缩线），内层蓝色轮廓线为翻边前的修边线。比较收缩线和修边线可知：拉深X口压边反力1压边反力压边反力2成形力206670(b)凸模图11拉深模Fig.11Deep drawing die区成形力口压边反力2力的单位牛吨确定二(a）拉深件坏料轮廓线收缩线修边线（b）收缩线和修边线图12 拉深工序件Fig.12The deep drawing part模具技术2 0 2 3.No.36 结 论（1）方案二与方案一相比,虽没有增大坏料直径，但增大了压料面积,同时采用液压的压边装置，增大了径向拉应力，进而增大了径向伸长变形，使得切向压缩所需的切向压应力大大减小，可有效降低侧壁起皱趋势。因此，对于文献中提到的“中等高度锥形拉深件（0.2 h/d0.5），需要两道拉深工序来成型”的说法有一定的局限性，数值模拟和试模结果证明：对于中等高度锥形拉深件，增大径向拉应力，可以降低侧壁起皱的趋势。（2）为了保证拉深件质量，需设置合理的摩擦系数：在凹模一坏料的摩擦面均涂抹润滑油。涂抹润滑油使得板料易于流入凹模，为了保持足够的径向伸长变形，就需要保持足够的压边力，而液压压边装置可以保持稳定，且提供足够大的压边力。参考文献：1翁其金.冷冲压技术（第2 版）M.北京：机械工业出版社，2 0 11.WENG Q J.Cold Stamping Technology M.2nded.Beijing:Mechanical Industry Press,201l.2 钟智勇，黄毅宏.反拉深的研究.机电工程技术，2001(3):36-38.ZHONG Z Y,HUANG Y H.A study on reversaldeep drawing J.M e c h a n ic a l a n d Ele c t r ic a lEngineering Technology,2001(3):36-38.3姜海峰,李硕本,赵军,等.圆锥形件冲压成形过程中毛坏上各变形区域行为的研究.锻压技术，2 0 0 1(3):27-28.JIANG H H,LI S B,ZHAO J,et al.Deformationresearch on each region of blank during conical part35stamping J.Forging and Stamping Technology,2001(3):27-28.4林启权，宁智群，赵雄.椭圆盒拉深成形的数值模拟.湘潭大学自然科学学报，2 0 0 5（3）：136-151.LIN Q Q,NING Z Q,ZHAO 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