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1、王新云 欧阳坤 夏巨谌等：冲锻成形过程强力拉深增厚工艺的有限元分析冲锻成形形过程强力力拉深增增厚工艺艺的有限限元分析析国家自然科学基金资助项目(50705034)华中科技技大学 模具技技术国家家重点实实验室 王新新云 欧欧阳坤 夏巨谌谌胡国安安摘要结合冷挤挤压与拉拉深工艺艺的特点点，以双双杯形工工件为对对象，开展了了冲锻成成形过程程的强力拉深深增厚工工艺研究究。即在在反向拉深的同同时，对对侧壁也也施加轴轴向推力力，进行强强力拉深深以达到到拉深并并增厚的的目的。采采用有限限元模拟拟软件DDynaaforrm研究究了拉深深增厚工工艺中材材料的流流动规律律，分析析了压环环的运动动速度、压压边力、凸模
2、与凸凸凹模之之间的间间隙对工工件最小小厚度和和内壁最最大厚度度的影响响，为优优化模具具结构和和工艺参参数提供供了理论论依据。关键词：冲锻成成形；拉深增增厚；双杯形形件；数值模模拟FEM anaalyssis of thee poowerrfull drrawiing-thiickeeninng ttechhnollogyy inn thhe sstammpinng-fforggingg hyybriid pproccesssAbsttracctA poowerrfull drrawiing-thiickeeninng ttechhnollogyy waas pprommpteed ffor d
3、ouublee-cupp-shhapeedwoorkppiecces,it ccombbineed tthe chaaraccterristticss off coold exttrussionn wiith draawinngprroceess. Ann axxiall thhrusst wwas exeerteed tto tthe siddewaall inbbackkwarrd ddrawwingg too thhickken it. Thee FEEM ssofttwarre DDynaaforrm wwas utiilizzed to ressearrch thee maaterr
4、iall fllow. The imppactt off thhe vveloocitty oof tthe preessuure rinng, thee biindeer fforcce aand thee gaap bbetwweenn puunchh annddiie tto tthe minnimuum aand maxximuum oof tthe worrkpiiecee thhickknesss wweree annalyyzedd.Key worrds:staampiing-forrginng hhybrrid forrminng;draawinng-tthicckenning
5、g; dooublle-cupp-shhapeedwoorkppiecce; nuumerricaal ssimuulattionn 1引言对于大表表面积且且壁厚差差变化较较大的零零件，其其通常的的加工方方法，或或者是整整体铸造造；或者者是采用用温/热热锻后切切削的加加工方法法；或者者是薄壁壁部与较较厚部分分通过焊焊接组合合并热处处理等的的多工序序方式来来制造。这这样不仅仅整体性性能有所所下降，成成本及能能耗也较较高，而而且工序序多也导导致效率率较低，不符合节能与绿色制造的社会发展趋势。本文提出出一种结合了冲冲压与锻锻造技术术特点的的板料冲冲锻成形形工艺，为成形这类具有大表面积且厚差较大的零件
6、提供了一种新的塑性成形方法。主要特点为：以板材（或者管材）为坯料，通过冲压工艺成形出中空薄壁形状，并预先在拉深工序中储备足够体积的金属，再采用锻造工艺，对特定部位压缩增厚，以提高厚度与刚度。这样，不仅可避免仅采用冲压方法制造的零件，没有足够厚度与刚度的缺点；也可避免仅采用锻造方法来制造大表面薄壁零件时，需要过高成形力的缺点。冲锻成形形工艺与与焊接成成形过程程的比较较如图11所示。图1 冲冲锻成形形与焊接接成形的的比较a)与cc)为冲冲压后焊焊接成形形；b)与d)为冲压压锻造整整体成形形与焊接或或者铸造造方法相相比，采采用这种种整体塑塑性成形形方法，减减少了车车削加工工与焊接接工序，不不仅能够够
7、提高材材料利用用率、降降低能耗耗，而且且零部件件的综合合机械性性能也有有较大提提高。近年出现现了一些些利用板板坯料进进行锻造造的研究究1-4,但均均只是采采用了板板坯料来来进行锻锻造，不不同于本本文提出出的先拉拉深空间间形状后后增厚局局部的冲冲锻成形形工艺。本文将结结合有限限元分析析软件DDynaaforrm，开开展冲锻锻成形过过程的强强力拉深深增厚工工艺的研研究，分分析材料料流动及及局部增增厚等规规律。2工艺分分析 本文所研研究的零零件如图图2所示示，要求求中部反反向拉深深出的壁壁厚大于于原始坯坯料的厚厚度。工工艺过程程为：（11）正向向拉深工工序，从从平板坯坯料变形形为一定定深度的的圆杯形
8、形，初步步完成零零件的外外部薄壁壁形状。（22）反向向拉深工工序，拉拉深到一一定高度度，形成成反向圆圆筒。在在正向拉拉深工序序，以尽尽量减小小壁厚变变薄及起起皱为目目标。在在反向拉拉深工序序，以增增大中间间圆筒内内壁的厚厚度为目目标。因因此，在在反向拉拉深时，对对外壁同同时施加加推力，促促使材料料从外壁壁流向内内壁，通通过控制制推力与与反向拉拉深速度度，促使使内壁增增厚，以以实现强强力拉深深增厚。图2零件件示意图图3模拟参参数Dynaaforrm是专专用于板板料成形形模拟的的软件，可可以预测测成形过过程中板板料的破破裂、起起皱、减减薄、划划痕、回回弹，评评估板料料的成形形性能。本本文选择择Dy
9、nnafoorm软软件，对对各工序序进行模模拟分析析。模具具材料选选择stteell，设置置为刚性性，板坯料与与模具间的的摩擦系系数取00.1225。3.1 正向拉拉深正向拉深深过程工工件示意意图如图图3所示示，模拟拟模型如如图4所所示。经经工艺分分析，可可见处于于窄凸缘缘圆筒件件拉深的的一次拉拉深成形形范围5。图3正向向拉深工工件示意意图图4正向拉拉深模型型圆板坯料料厚度为2mmm， 直径径为450mmm，材料料为STT14FF，平面各各向同性性材料，参数如表1所示，Dynaform模拟参数设置如下表2所示。表1材料料参数参数密度（TT/mmm3）杨氏模量量（N/mm22）泊松比屈服应力力（
10、N/mm22）数值0.288表2正向向拉深参参数设置置凹模压边圈凸模结束控制制合模工序序固定20000mm/s固定压边圈和和凹模间间距2.2mmm拉深工序序固定50kNN50000mm/s凸模和凹凹模间距距2.22mm3.2 反向拉拉深反向拉深深工件示示意图如如图5所所示：图5反向向拉深工工件示意意图根据工件件几何尺尺寸，可可知拉深深系数为为0.442，小小于极限限拉深系系数0.55，故常规拉深方法难以一次拉深成形，图6所示的常规拉深方法的模拟结果也证实了这个结论。模拟中，坯料选用正向拉深后的数据文件。a)截面面厚度图图b)成形形极限图图图6常规规拉深由于采用用常规反反向拉深深工序不能能在一个
11、个工步内内拉深得得到需要要的零件件，同时时，也为为了达到到在反向向拉深工工序中实实现内壁壁圆筒增增厚的目目的，因因此，采采用强力力拉深成成形工艺艺，也即即在反向向拉深的的同时，对对外侧壁壁施加向向下的推推力，以以促进外外侧壁金金属流向向内侧壁壁。强力力拉深模模具装置置示意图图如图77所示，拉拉深时凸凸凹模固固定，压压环、凸凸模成形形时分别别向下和和向上运运动，凹凹模浮动动，在压压环的作作用下被被动运动动。反向向强力拉拉深时的的工艺参数数见表33。图7强力力拉深成成形工艺艺表3反向向拉深参参数设置置合模工序序拉深工序序凸模固定凸模50000mm/s凸凹模固定凸凹模固定压边圈20000mm/s压边
12、圈300kkN压环固定压环运动速度度递增凹模固定凹模50kNN结束控制制压边圈和和凸凹模模间距22.2mmm结束控制制凸模和凸凸凹模间间距2.2mmm为了研究究凸模与与凸凹模模间隙对对成形的的影响，本本文设计计了5组不同同间隙值值和压边边力（见见表4）的的模拟试试验：除除模型中中凸模与与凸凹模模间隙值值、压边边力不同同外，各各组其它它参数设设置均相相同。表4各组组模拟试试验的间间隙值组别abcde间隙值（mmm）2.42.63.02.63.0压边力（kkN）3003003003804504模拟结结果及分分析4.1 正向拉拉深压边圈起起着控制制材料流流动，防防止起皱皱的作用用。但过过大的压压边力
13、，会会阻止材材料流入入凹模中中，使拉拉深过程程不能正正常进行行。当压压边力为为50kkN时，法兰不发生起皱，且获得壁厚减薄较小，模拟所得工件的厚度分布如图8所示：凸模圆角处壁厚最小，沿着侧壁向法兰，壁厚逐渐增加，法兰处壁厚最大。壁厚减薄较小的正向拉深，有利于后续反向强力拉深。图8正向向拉深结结果4.2 反向拉拉深4.2.1 压压环、压压边圈形形状尺寸寸变化对对反向拉拉深的影影响为了解压压环、压压边圈的的形状尺尺寸对反反向拉深深的影响响，设计计如图99所示的的压环、压压边圈，其其模拟结结果如图图10所所示。平面圆环环形状压压环、压压边圈效效果最差差，在成成形过程程中，rr2首先减减小，材材料径向
14、向流动阻阻力增大大，在压压环的强强制推力力作用下下，材料料反向流流动到凹凹模圆角角处的自自由空间间，使得得r1也减小小，材料料流动阻阻力进一一步加大大，随着着压环的的继续向向下运动动，材料料因难以以流入内内侧而将将压边圈圈顶起，形形成折叠叠（如图图10（aa）所示示）。而而且由于于材料不不能径向向流动以以补充中中间圆筒筒成形所所需的金金属，从从而最终终导致拉拉裂。图9 不不同形状状的压环环、压边边圈a)压环环、压边边圈为平平面圆环环b) 压压环圆角角、压边边圈倒角角c) 压压环、压压边圈圆圆角图10不不同形状状尺寸压压环、压压边圈的的模拟结结果采用弧形形压环与与倒角式式压边圈圈时，虽虽然能始始
15、终保证证材料由外外壁流向向内壁圆圆筒，但但是倒角角使得压压边圈与与凸凹模模间的间间隙不均均匀，形形成一个个自由的的小三角角形空腔腔，材料容容易在此此处弯曲曲甚至堆堆积（如如图100（b）及及图111所示），增增大了材材料的流流动阻力力。在采用弧弧形压环环与压边边圈时，由由于弧形形的约束束，有效效的保证证了材料料流动的的唯一性性，即外外壁材料料流经凸凸凹模的的外、内内圆角，并并在凸模模的拉力力作用下下成形中中间圆筒筒，而不不会产生生折叠。模拟结结果如图图10（cc），可可以顺利利完成反反向拉深深工序，且且内侧壁壁与初始始板坯厚厚度相比比，有较明明显的增增厚。可可见采用用弧形压压环与压压边圈可可以
16、取得得较好的的效果。a)中间间过程bb)最后后结果图11采采用压环环圆角、压压边圈倒倒角的不不足4.2.2 压压环速度度对壁厚厚的影响响压环速度度与工件件外壁最小小厚度关关系如图图12所示示。工件件最小厚厚度在凸凸模圆角角与顶面面相切处处（如图图13），说说明压环环使最小小厚度位位置发生生了转移移，表明明压环能能有效促进进材料由由外壁向向内壁流流动。随随着压环环速度的的增加，单单位时间间金属流流入内壁壁的体积积增多，因因此，最最小厚度度也单调调增加，但但增加也也有一定定极限。因因为随着着压环速速度的增增加，为为了防止止起皱现现象，所所需要的的压边力力需相应应增加，这这也增大大了材料料流动的的阻
17、力，不不利于最最小厚度度的增加加。当过过于增大大压环速速度，流流动阻力力大于材材料抗拉拉强度时时，便会会发生拉拉裂现象象。图12压压环速度度与工件件最小厚厚度关系系图图13最最小厚度度位置（间间隙2.4mmm，压边边力3000kNN，压环环速度229911mm/s）压环速度度与工件件内壁圆圆筒的最最大厚度度关系如如图144所示。工工件内壁壁圆筒的的最大厚厚度在内内壁下部部靠近凸凸凹模的的内圆角角处，随随着压环环速度的的增加，工件内壁圆筒的最大厚度同样单调递增。压环的速度越大，单位时间内流向内壁圆筒的材料越多，而凸模的运动速度一定，故工件内壁圆筒的最大厚度越大。受工件成形性的限制，压环速度存在一
18、个极值，故工件内壁圆筒的最大厚度也存在一个极大值。图14 压环速速度与工工件内壁壁圆筒最最大厚度度关系图图4.2.3 凸凸模与凸凸凹模间间隙对增增厚程度度及壁厚厚分布均均匀性的的影响从图122和144可见，间间隙为22.4mmm所对对应的最最小厚度度曲线和和最大厚厚度曲线线分别位位于最上上方与最最下方，而而间隙为为3.00mm所所对应的的最小厚厚度曲线线和最大大厚度曲曲线位置置相反，间间隙2.6mmm所对应应的曲线线则居中中。以上上表明：间隙越越大，壁壁厚分布布越不均均匀。这这是因为为，当凸凸模与凸凸凹模间间隙较大大时，拉拉深表现现为锥形形拉深。而而锥形件件变形主主要集中中在零件件底部向向锥面
19、过过渡的圆圆角附近近（即凸凸模圆角角处），变变形不均均匀性严严重。凸凸模与凸凸凹模间间隙越大大，则锥锥形件的的小端直直径与大大端直径径比值越越小，拉拉深时板板坯料中中间部分分（即凸凸模作用用区域）的的承载能能力越小小，变形形不均匀匀加剧，导导致最后后零件壁壁厚分布布越加不不均匀。压边圈在在防止起起皱的同同时，也也限制了了材料的的流动，使使得金属属在压边边圈和凸凸凹模间间产生堆堆积，使使工件此此处产生生增厚，压压边力越越大，对对金属的的流动阻阻力越大大，增厚厚现象越越明显，壁壁厚分布布也就越越不均匀匀。随着着压环的的继续向向下运动动，外壁壁材料继续续流向内内壁圆筒筒，已经经增厚的的金属在在后面金
20、金属的压压力和凸凸模产生生的拉力力下经过过内壁圆圆角，向向上流动动，形成成内壁圆圆筒。凸凸模与凸凸凹模间间隙越大大，能流流经的增增厚材料料的厚度度也越大大。如果果间隙小小于一定定值，则则材料因因堆积在在在凸凹凹模的内内圆角处处，使材材料流动动阻力增增大，导导致工件件被拉裂裂。因此此，间隙隙越大，增增厚程度度越大。4.2.4 成成形载荷荷压环速度度与凸模模载荷如如图15所示。凸凸模拉力力和压环环推力促促使材料料向内壁壁圆筒流流动。凸凸模与凸凸凹模间间隙越小小，对金金属流入入内壁的的摩擦阻阻力也就就越大。因因此，在在图155所示的的压环速速度与凸凸模载荷荷曲线中中，a所所对应的的曲线在在最上方方，
21、c在在最下方方，b处处在中间间。压环环速度越越大，单单位时间间流向内内壁圆筒筒的材料料越多，则则对已流流入金属属的推力力也就越越大；但但同时增增厚现象象也越明明显，摩摩擦阻力力也会越越大。因因此，推推力与摩摩擦阻力力的综合合作用，影影响到成成形载荷荷的大小小。但由由于开始始阶段推推力的增增大占主主导地位位，因此此曲线会会呈下降降趋势；但压环环速度增增大到一一定程度度时，由由于增厚厚使摩擦擦阻力的的增大占占主导，导导致凸模模载荷增增加，表表现出曲曲线开始始呈现上上升趋势势，故图图15的各各条曲线线会呈现现出先下下降再上上升的趋趋势。图15压压环速度度与凸模模载荷关关系图5结论(1) 压环、压压边
22、圈的的形状尺尺寸影响响反向拉拉深的结结果，弧弧形结构构的压环环、压边边圈，因因材料流流动受到到约束，反反向拉深深结果最最好。(2) 压环能能有效的的促进材材料由外外壁向内内壁流动动，并在在内壁圆圆筒下部部产生增增厚现象象，压环环速度越越高，下下部的增增厚现象象越明显显，但随随着压环环速度的的增大，所所需的临临界压边边力也越越大，因因此拉深深增厚存存在一个个极值。(3)随随着压环环速度的的增加，工工件最小小厚度单单调递增增，但同同拉深增增厚一样样，最小小厚度的的增大也也存在一一个极值值。(4)随随着压环环速度的的增加，凸凸模最大大载荷呈呈现先下下降再上上升的趋趋势。凸凸模与凸凸凹模间间隙越小小，
23、凸模模载荷越越大。参考文献献1李李雪松, 陈军军, 吴吴公明, 王刚刚. 汽汽车离合合器衬套套冲锻复复合工艺艺研究及及其数值值模拟J. 锻压压装备与与制造技技术. 20006, 1: 49-512李李建平, 车路路长. 冲压冷冷锻成形形工艺的的模具设设计及坯坯料计算算方法研研究JJ. 锻压技技术. 20007, 32(4): 522-5663SShenng ZZ Q, Shhivppurii R. A hybbridd prroceess forr foormiing thiin-wwallled maggnessiumm paartssJ. MMateeriaals Sciiencce aand Enggineeeriing A. 20006, 4288: 1180-18774 张士宏宏, 王王忠堂, 周丽丽新. 板材零零件局部部体积成成形技术术研究J. 塑性性工程学学报. 20008, 15(2): 311-3665 钟毓斌斌. 冲冲压工艺艺与模具具设计M. 北京京:机械械工业出出版社, 2000087