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1、77/9 冲锻成形过程强力拉深增厚工艺的有限元分析*华中科技大学 模具技术国家重点实验室 王新云 欧阳坤 夏巨谌胡国安 摘要 结合冷挤压与拉深工艺的特点，以双杯形工件为对象，开展了冲锻成形过程的强力拉深增厚工艺研究。即在反向拉深的同时，对侧壁也施加轴向推力，进行强力拉深以达到拉深并增厚的目的。采用有限元模拟软件 Dynaform 研究了拉深增厚工艺中材料的流动规律，分析了压环的运动速度、压边力、凸模与凸凹模之间的间隙对工件最小厚度和内壁最大厚度的影响，为优化模具结构和工艺参数提供了理论依据。关键词：冲锻成形；拉深增厚；双杯形件；数值模拟 FEM analysis of the powerful
2、 drawing-thickening technology in the stamping-forging hybrid process Abstract A powerful drawing-thickening technology was prompted for double-cup-shapedworkpieces,it bined the characteristics of cold extrusion with drawingprocess.An axial thrust was exerted to the sidewall inbackward drawing to th
3、icken it.The FEM software Dynaform was utilized to research the material flow.The impact of the velocity of the pressure ring,the binder force and the gap between punch anddie to the minimum and maximum of the workpiece thickness were analyzed.Key words:stamping-forging hybrid forming;drawing-thicke
4、ning;double-cup-shapedworkpiece;numerical simulation 1 引言 对于大表面积且壁厚差变化较大的零件，其通常的加工方法，或者是整体铸造；或者是采用温/热锻后切削的加工方法；或者是薄壁部与较厚部分通过焊接组合并热处理等的多工序方式来制造。这样不仅整体性能有所下降，成本及能耗也较高，而且工序多也导致效率较低，不符合节能与绿色制造的社会发展趋势。本文提出一种结合了冲压与锻造技术特点的板料冲锻成形工艺，为成形这类具有大表面积且厚差较大的零件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
5、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。冲锻成形工艺与焊接成形过程的比较如图 1 所示。*国家自然科学基金资助项目(50705034)板坯 拉深 冲孔 焊接增厚 板坯 拉深 冲孔 镦锻增厚 a 管坯 液压 冲孔 法兰焊接 管坯 液压 冲孔 法兰镦锻 cd 图 1 冲锻成形与焊接成形的比较 a)与 c)为冲压后焊接成形；b)与 d)为冲压锻造整体成形 与焊接或者铸造方法相比，采用这种整体塑性成形方法，减少了车削加工与焊接工序，
6、不仅能够提高材料利用率、降低能耗，而且零部件的综合机械性能也有较大提高。近年出现了一些利用板坯料进行锻造的研究1-4,但均只是采用了板坯料来进行锻造，不同于本文提出的先拉深空间形状后增厚局部的冲锻成形工艺。本文将结合有限元分析软件 Dynaform，开展冲锻成形过程的强力拉深增厚工艺的研究，分析材料流动及局部增厚等规律。2 工艺分析 本文所研究的零件如图 2 所示，要求中部反向拉深出的壁厚大于原始坯料的厚度。工艺过程为：（1）正向拉深工序，从平板坯料变形为一定深度的圆杯形，初步完成零件的外部薄壁形状。（2）反向拉深工序，拉深到一定高度，形成反向圆筒。在正向拉深工序，以尽量减小壁厚变薄及起皱为目
7、标。在反向拉深工序，以增大中间圆筒内壁的厚度为目标。因此，在反向拉深时，对外壁同时施加推力，促使材料从外壁流向内壁，通过控制推力与反向拉深速度，促使内壁增厚，以实现强力拉深增厚。79/9 图 2 零件示意图 3 模拟参数 Dynaform 是专用于板料成形模拟的软件，可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能。本文选择 Dynaform 软件，对各工序进行模拟分析。模具材料选择 steel，设置为刚性，板坯料与模具间的摩擦系数取 0.125。3.1 正向拉深 正向拉深过程工件示意图如图 3 所示，模拟模型如图 4 所示。经工艺分析，可见处于窄凸缘圆筒件拉深的一次拉
8、深成形 X 围5。134.62r20r20280230 图 3 正向拉深工件示意图图 4 正向拉深模型 圆板坯料厚度为 2mm，直径为 450mm，材料为 ST14F，平面各向同性材料，参数如表 1所示，Dynaform 模拟参数设置如下表 2 所示。表 1 材料参数 参数 密度（T/mm3）杨氏模量（N/mm2）泊松比 屈服应力（N/mm2）数值 9107.2 51007.2 0.28 210713.1 表 2 正向拉深参数设置 凹模 压边圈 凸模 结束控制 合模工序 固定 2000mm/s 固定 压边圈和凹模间距 2.2mm 拉深工序 固定 50kN 5000mm/s 凸模和凹模间距 2.
9、2mm 3.2 反向拉深 反向拉深工件示意图如图 5 所示：13067r1r2120230280 图 5 反向拉深工件示意图 根据工件几何尺寸，可知拉深系数为 0.42，小于极限拉深系数 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)截面厚度图 b)成形极限图 图 6 常规拉深 由于采用常规反向拉深工序不能在一个工步内拉深得到需要的零件，同时，也为了达到在反向拉深工序中实现内壁圆筒增厚的目的，因此，采用强力拉深成形工艺，也即在反向拉深的同时，对外侧壁施加向下的推力，以促进外侧壁金属流向内侧壁。强力拉深模
10、具装置示意图如图 7 所示，拉深时凸凹模固定，压环、凸模成形时分别向下和向上运动，凹模浮动，在压环的作用下被动运动。反向强力拉深时的工艺参数见表 3。凸 模凹 模压边圈坯 料压 环凸凹模 图 7 强力拉深成形工艺 表 3 反向拉深参数设置 合模工序 拉深工序 凸模 固定 凸模 5000mm/s 凸凹模 固定 凸凹模 固定 压边圈 2000mm/s 压边圈 300kN 压环 固定 压环 运动速度递增 凹模 固定 凹模 50kN 结束控制 压边圈和凸凹模间距 2.2mm 结束控制 凸模和凸凹模间距 2.2mm 为了研究凸模与凸凹模间隙对成形的影响，本文设计了 5 组不同间隙值和压边力（见表 4）8
11、1/9 的模拟试验：除模型中凸模与凸凹模间隙值、压边力不同外，各组其它参数设置均相同。表 4 各组模拟试验的间隙值 组别 a b c d e 间隙值（mm）2.4 2.6 3.0 2.6 3.0 压边力（kN）300 300 300 380 450 4 模拟结果及分析 4.1 正向拉深 压边圈起着控制材料流动，防止起皱的作用。但过大的压边力，会阻止材料流入凹模中，使拉深过程不能正常进行。当压边力为 50kN 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
12、深。图 8 正向拉深结果 4.2 反向拉深 4.2.1 压环、压边圈形状尺寸变化对反向拉深的影响 为了解压环、压边圈的形状尺寸对反向拉深的影响，设计如图 9 所示的压环、压边圈，其模拟结果如图 10 所示。平面圆环形状压环、压边圈效果最差，在成形过程中，r2首先减小，材料径向流动阻力增大，在压环的强制推力作用下，材料反向流动到凹模圆角处的自由空间，使得 r1也减小，材料流动阻力进一步加大，随着压环的继续向下运动，材料因难以流入内侧而将压边圈顶起，形成折叠（如图 10（a）所示）。而且由于材料不能径向流动以补充中间圆筒成形所需的金属，从而最终导致拉裂。倒角式压边圈弧形压边圈弧形压环R20R201
13、35267.8231.8232.2117.4232.2117.4208.33310 图 9 不同形状的压环、压边圈 a)压环、压边圈为平面圆环 b)压环圆角、压边圈倒角 c)压环、压边圈圆角 图 10 不同形状尺寸压环、压边圈的模拟结果 采用弧形压环与倒角式压边圈时，虽然能始终保证材料由外壁流向内壁圆筒，但是倒角使得压边圈与凸凹模间的间隙不均匀，形成一个自由的小三角形空腔，材料容易在此处弯曲甚至堆积（如图 10（b）及图 11 所示），增大了材料的流动阻力。在采用弧形压环与压边圈时，由于弧形的约束，有效的保证了材料流动的唯一性，即外壁材料流经凸凹模的外、内圆角，并在凸模的拉力作用下成形中间圆筒
14、，而不会产生折叠。模拟结果如图 10（c），可以顺利完成反向拉深工序，且内侧壁与初始板坯厚度相比，有较明显的增厚。可见采用弧形压环与压边圈可以取得较好的效果。83/9 a)中间过程 b)最后结果 图 11 采用压环圆角、压边圈倒角的不足 4.2.2 压环速度对壁厚的影响 压环速度与工件外壁最小厚度关系如图 12 所示。工件最小厚度在凸模圆角与顶面相切处（如图 13），说明压环使最小厚度位置发生了转移，表明压环能有效促进材料由外壁向内壁流动。随着压环速度的增加，单位时间金属流入内壁的体积增多，因此，最小厚度也单调增加，但增加也有一定极限。因为随着压环速度的增加，为了防止起皱现象，所需要的压边力需
15、相应增加，这也增大了材料流动的阻力，不利于最小厚度的增加。当过于增大压环速度，流动阻力大于材料抗拉强度时，便会发生拉裂现象。1.251.401.551.701.852.62.72.82.93.0压环速度（103mm/s）最小厚度（mm）abc 图 12 压环速度与工件最小厚度关系图 图 13 最小厚度位置（间隙 2.4mm，压边力 300kN，压环速度 2991mm/s）压环速度与工件内壁圆筒的最大厚度关系如图 14 所示。工件内壁圆筒的最大厚度在内壁下部靠近凸凹模的内圆角处，随着压环速度的增加，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
16、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，压环速度存在一个极值，故工件内壁圆筒的最大厚度也存在一个极大值。2.252.302.352.402.452.62.72.82.93.0压环速度（103mm/s）最大厚度（mm）abc 图 14 压环速度与工件内壁圆筒最大厚度关系图 4.2.3 凸模与凸凹模间隙对增厚程度及壁厚分布均匀性的影响 从图 12 和 14 可见，间隙为 2.4mm 所对应的最小厚度曲线和最大厚度曲线分别位于最上方与最下方，而间隙为 3.0mm 所对应的最小厚度曲线和最大厚度曲线位置相反，间隙 2.6mm所对应的曲线则居中。以上表明：间隙越大，壁厚分布越不均匀。
17、这是因为，当凸模与凸凹模间隙较大时，拉深表现为锥形拉深。而锥形件变形主要集中在零件底部向锥面过渡的圆角附近（即凸模圆角处），变形不均匀性严重。凸模与凸凹模间隙越大，则锥形件的小端直径与大端直径比值越小，拉深时板坯料中间部分（即凸模作用区域）的承载能力越小，变形不均匀加剧，导致最后零件壁厚分布越加不均匀。压边圈在防止起皱的同时，也限制了材料的流动，使得金属在压边圈和凸凹模间产生堆积，使工件此处产生增厚，压边力越大，对金属的流动阻力越大，增厚现象越明显，壁厚分布也就越不均匀。随着压环的继续向下运动，外壁材料继续流向内壁圆筒，已经增厚的金属在后面金属的压力和凸模产生的拉力下经过内壁圆角，向上流动，形
18、成内壁圆筒。凸模与凸凹模间隙越大，能流经的增厚材料的厚度也越大。如果间隙小于一定值，则材料因堆积在在凸凹模的内圆角处，使材料流动阻力增大，导致工件被拉裂。因此，间隙越大，增厚程度越大。4.2.4 成形载荷 压环速度与凸模载荷如图 15 所示。凸模拉力和压环推力促使材料向内壁圆筒流动。凸模与凸凹模间隙越小，对金属流入内壁的摩擦阻力也就越大。因此，在图 15 所示的压环速度与凸模载荷曲线中，a 所对应的曲线在最上方，c 在最下方，b 处在中间。压环速度越大，单位时间流向内壁圆筒的材料越多，则对已流入金属的推力也就越大；但同时增厚现象也越明显，摩擦阻力也会越大。因此，推力与摩擦阻力的综合作用，影响到
19、成形载荷的大小。但由于开始阶段推力的增大占主导地位，因此曲线会呈下降趋势；但压环速度增大到一定程度时，由于增厚使摩擦阻力的增大占主导，导致凸模载荷增加，表现出曲线开始呈现上升趋势，故图15 的各条曲线会呈现出先下降再上升的趋势。280.0300.0320.0340.0360.02.62.72.82.93.03.13.23.3压环速度（103mm/s）凸模载荷（kN）ade 图 15 压环速度与凸模载荷关系图 85/9 5 结论(1)压环、压边圈的形状尺寸影响反向拉深的结果，弧形结构的压环、压边圈，因材料流动受到约束，反向拉深结果最好。(2)压环能有效的促进材料由外壁向内壁流动，并在内壁圆筒下部
20、产生增厚现象，压环速度越高，下部的增厚现象越明显，但随着压环速度的增大，所需的临界压边力也越大，因此拉深增厚存在一个极值。(3)随着压环速度的增加，工件最小厚度单调递增，但同拉深增厚一样，最小厚度的增大也存在一个极值。(4)随着压环速度的增加，凸模最大载荷呈现先下降再上升的趋势。凸模与凸凹模间隙越小，凸模载荷越大。参考文献 1李雪松,陈军,吴公明,王刚.汽车离合器衬套冲锻复合工艺研究及其数值模拟J.锻压装备与制造技术.2006,1:49-51 2李建平,车路长.冲压冷锻成形工艺的模具设计及坯料计算方法研究J.锻压技术.2007,32(4):52-56 3Sheng Z Q,Shivpuri R.A hybrid process for forming thin-walled magnesium partsJ.Materials Science and Engineering A.2006,428:180-187 4 X 士宏,王忠堂,周丽新.板材零件局部体积成形技术研究J.塑性工程学报.2008,15(2):31-36 5 钟毓斌.冲压工艺与模具设计M.:机械工业,2000