半球形正反冲压有限元模拟

摘要：随着计算机技术的飞速发展，数值模拟技术慢慢成为金属板材塑性成形研究方向的一种可靠的探究技术，且对生产具有指导作用。本文基于Marc有限元软件，对球形件一次拉深过程和正反拉深过程进行模拟，并以此探究其成形零件的应力应变分布规律。

关键字：半球形件；冲压；有限元模拟

1.引言

板材成形的变形机制相当复杂，而理论分析中的其它方法，如主应力法、滑移线法、上限法和下限法等[1-3]，由于利用过多的假设，分析结果存在很大误差，有时甚至是错误结果[4-6]。有限元法是对塑形成形过程进行数值模拟的最有效方法。运用有限元模拟，可以对金属塑性加工过程金属的流动进行分析，从而得出流动规律，应力应变分布规律等，依此来推测在相应的条件下所发生的实际过程，对设计方案和工艺参数进行评价和优化，筛选出最优的工艺方案[7-9]。有限元模拟无需建造物理模型，这相对于物理模拟，无疑就节省了大量的人力、物力和时间[6-10]。

2.球形件正反冲压有限元模拟

2.1几何模型及材料属性

用Marc软件对球形件一次拉深成形和正反拉深成形进行有限元模拟，所建模型为1/4对称模型。其中坯料半径为42mm，厚度为1.08mm，凸模半径均为23.35mm，凹模内径为24.35mm，凹模圆角半径均为6.5mm。采用八节点六面体单元，共划分12288个网格。

材料为304不锈钢，经过公式换算 ， 得出材料的弹性模量E=145.757GPa，泊松比 =0.3，摩擦系数为 =0.1。

2.2 接触条件及工况载荷设置

按照接触类型将坯料定义为变形体，上凸模、下凸模、上凹模和下凹模定义为刚体，之后再定义两个对称面。

球形件二次正反深成形模拟时，两个凸模的运动由的曲线给定，定义LOADCASE历程的总时间为450s，总的步数为450，成形时凸模综合位移为32mm。

球形件三次正反深成形模拟时，两个凸模的运动由曲线给定，摩擦系数不变，定义LOADCASE历程的总时间为600s，总的步数为600，成形时凸模综合位移为32mm。

3.模拟结果及对比分析

3.1等效应力状态分析

球形件正反拉深第一阶段等效应力云图，可以得到受力区主要在球底变形的区域；分析正反拉深过程中第二，三阶段等效应力云图，可以得到应力较大区域出现在球底贴模区域及其附近，球顶尖部位应力并不大，这是由于正反过程中该区域变形“翘起”未贴模；分析正反拉深最后成形时（未卸载）时等效应力云图，该阶段法兰区和圆角区为主要受力区，球顶尖部位应力仍很小。

正反变形过程最大等效应力出现在了零件最后成形的阶段，并可见在正反拉深中间过程中不会出现因为应力超过抗拉强度破裂的情况。

3.2等效应变状态分析

分析球形件正反拉深成形第一阶段应变云图，该阶段变形主要发生在坯料底部，坯料的其他区域变形量很小；分析球形件二次正反拉深成形第二阶段等效应变云图，可以看出变形主要发身在正反变形区域和球底区，而悬空区、凹模圆角区及法兰区变形量很小；分析球形件二次正反拉深成形第三阶段等效应变云图，该阶段变形主要发生在正反变形区及球头区域，坯料其他区域变形量极小；分析为球形件二次正反拉深成形第四阶段等效应变云图，分析可知该阶段最大变形发生在凹模圆角区，其次球头部位变形量也很大，悬空区域变形量很小。

4.球形件正反拉深成形结束时的应力应变

4.1成形时应力对比

分析球形件一次拉深完全成形时（未卸载）中间一层的径向应力和周向应力分布曲线。可以得到，径向应力均为拉应力，在球头部位基本不变，之后随着与毛坯中心距离的增加下降，在凹模口附近出现峰值。周向应力变化与周向应变变化趋势大致相似，在球底区随着与毛坯距离的增大缓慢下降，致贴模点附近骤降为零，此处为应力分界圆。然后应力变为压应力继续下降，在凹模口出现一正应力峰值。径向应力和周向应力在凹模口处出现峰值，是因为在凹模圆角处考虑存在摩擦阻力和弯曲阻力的作用。在球底区，径向应力和周向应力均为拉应力，为双向拉应力的胀形状态。且在球底中心附近，径向拉应力和周向拉应力同时出现峰值，减薄量最严重，所以该处最容易发生断裂。

4.2成形时应变对比

三种拉深工艺下，径向应变均为拉应变，且变化趋势大体一致，而周向应变和厚向应变出现很大差异。首先，在球心处，随着拉深正反次数增多，周向拉应变减小；其次，随着正反次数增加，周向应变零点往球心处移动，即应变分界圆往球心移动。这就使得多次正反拉深时，胀形区范围明显减小。因为周向拉应变与周向压应变值大幅度的减小，使得胀形区域减薄量也明显减小。

分析球形件一次拉深、球形件二次正反拉深、球形件三次正反拉深三种拉深工艺下，通过计算得到的球形件最后成形时厚向应变的分布曲线。可以看出，正反拉深时球底区厚向应变明显减小，正反次数越多，厚向应变变化越小。

三次正反时，厚度方向应变近似为零，这与前面模拟的得到的壁厚分布曲线规律基本一致。

5.结论

本文对球形件进行正反冲压计算机仿真，将成形过程和仿真结果与传统一次冲压进行对比得出如下结论：

（1）正反变形过程最大等效应力出现在了零件最后成形的阶段，并可见在正反拉深中间过程中不会出现因为应力超过抗拉强度破裂的情况；最大变形发生在凹模圆角区，其次球头部位变形量也很大，悬空区域变形量很小。

（2）两种工艺下的径向应力分布基本相同。而在球底区，正反拉深时径向应力明显小于球形件一次拉深时的径向应力。在球底中心区域，球形件一次拉深时，该区域周向应力为拉应力最大值。而球形件二次正反拉深时，该区域为微小的压应力或较小的拉应力。

参考文献：

[1]陈一哲.2219 铝合金筒形件充液拉深成形研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学材料加工工程学科博士学位论文，2013：1-5.

[2]刘晓晶，徐永超，苑世剑. 预胀压力对铝合金球底筒形件充液拉深过程的影响[J]. 塑性工程学报，2008，15 （3）：42-46.

[3]郭斌，中村和彦，李硕本.圆筒形件充液拉深成形精度[J]. 塑性工程学报，1997，4（3）： 92-97.

[4]郭烈恩，涂文斌. 金屬管、板材液压成形工艺[J]. 新技术新工艺，2004（11）：52-53.

[5]路大涛.板材液压成形的数值模拟及实验研究[D].武汉：华中科技大学硕士毕业论文，2004：4-6.

作者简介：

汤安朔（1982年12月—），男，山东省临沂市人，工程师，研究方向：机械设计及自动化，信息化管理。