带凸缘圆筒件拉伸成形缺陷受力分析

杨涛，符有旺，覃天，杨辉

（1.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林541004；2.桂林理工大学，机械与控制学院，广西桂林541004）

带凸缘圆筒件拉伸成形缺陷受力分析

杨涛1，2，符有旺1，2，覃天1，2，杨辉1，2

（1.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林541004；2.桂林理工大学，机械与控制学院，广西桂林541004）

利用ETA/Dynaform5.6对带凸缘的圆筒件进行拉深成形模拟，通过观察成形极限图预测成形过程中有可能出现起皱倾向以及起皱的部位，并在这些部位各随机采集一个节点，获得节点从冲压开始到冲压结束的应力曲线图，分析在出现起皱倾向或者起皱瞬间的时间点在X方向、Y方向、Z方向的应力值，最后分析出使材料发生起皱倾向以及起皱的原因的是Y方向的应力。

拉深；数值模拟；受力分析

零件（图1）为带凸缘的圆筒件，在圆筒件的拉深成形的过程中，板料在凸模的压力的作用下底部的材料变形比较小，在凸缘面部分的金属在凸模压力的作用下，受到压应力与拉应力的作用，径向拉长，切向压缩，进入凹模与凸模的间隙里面成为圆筒的直壁，经过这样一个过程，毛坯就被拉深为深圆筒件。

该圆筒件在拉深的时候主要有以下几个问题，拉深的时候变形区域比较大，金属流动性强，拉深的过程中凸缘部分的材料因切向压缩很容易起皱，处于凸模圆角区域的材料因受到径向强烈拉深会变薄，严重时甚至破裂，导致拉深失败。在本论文中将运用有限元分析软件Dynaform5.6分析零件拉深变形的特点，对有起皱倾向、起皱区域进行受力分析，从中找出引起该缺陷的力。

1模拟实验准备

1.1 拉深实验模型

图1是带凸缘的圆筒件，该零件尺寸的精度是IT14，圆筒件的圆角的半径是6 mm，零件材料是DQSK37，图2为该零件展开时候的板坯。

图1 带凸缘的圆筒件结构示意图

图2 毛坯

1.2 模拟参数

采用双动，材料为DQSK37，凸凹模间隙为0.96 mm，板料厚度为0.8 mm，摩擦系数为0.125，虚拟冲压速度为20 000 mm/s[1].

2模拟方案及实验结果分析

从成形极限图3中可以看出该圆筒件底部安全，直壁部分呈现有起皱倾向，与凸缘连接的圆角部分以及凸缘呈现起皱现象，在凸缘的边缘部分呈现严重起皱现象，为了分析成形缺陷的受力情况，在有“起皱倾向”的圆筒直壁处随机选取一个节点4 724（图4)、在圆筒直壁“起皱”部分随机选取一个节点3 549（图4)、在凸缘的“起皱”部分随机选取一个节点8 505（图4)，通过观察这三个节点的受力情况来分析引起这些缺陷的原因[2]。

图3 成形极限图

图4 节点位置示意图

分析节点4 724，图5是该节点的正应力分量σxx，σyy，σzz在X，Y，Z方向上随时间变化的曲线图。在成形极限图中观察该节点，当动画运行到第9帧（图6，图7），时间点为0.003 774 s（表1）的时候圆筒出现起皱现象，在该时间点Y方向的应力为拉应力，应力大小为350 MPa，X方向的应力为拉应力，应力大小为200 MPa，Z方向的应力为拉应力，应力大小为20 MPa，｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，所以可以认为引起起皱的的原因是，Y方向的拉应力。

图5 节点4 724在X、Y、Z方向的应力

图6 节点4 724第9帧成形极限图

图7 第9帧成形极限图局部放大图

当动画运行到第10帧（图8，图9），时间点为0.004 365 s（表1）的时候，板料由起皱转变为有起皱倾向，观察图5，在该时间点Y方向的应力为拉应力，应力大小为250 MPa，Z方向的应力为拉应力，应力大小为30 MPa，X方向应力为压应力，应力大小为50 MPa，可以认为材料由起皱改为有起皱倾向，原因是Y方向的拉应力变小，X方向由拉应力变为压应力。｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，所以可以认为引起有起皱倾向的原因是，Y方向的拉应力。

图8 节点4 724第10帧成形极限图

图9 第10帧成形极限图局部放大图

表1 成形极限图每一帧图所对应的时间

分析节点3 549，图10是该节点的正应力分量σxx，σyy，σzz在X，Y，Z方向上随时间变化的曲线图。追踪该节点从冲压开始到冲压结束的运动轨迹，在成形极限图中观察该节点，当动画运行到第9帧图（图11，12）的时候，时间点0.003774 s（表1）的时候圆筒出现起皱倾向，在该时间点Y方向的应力为拉应力，应力大小为150 MPa，X轴方向的应力为压应力，应力大小为80 MPa，Z方向的应力为0，｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，可以认为引起板料有起皱倾向的是Y方向的应力。

图10 节点3549在X、Y、Z方向的应力

图11 节点3549在第9帧成形极限图

图12 第9帧成形极限图局部放大图

当动画运行到第13帧（图13，14），时间点为0.006 140 s（表1)的时候，在成形极限图中可以看到，图形中出现起皱，此时该节点的应力Y为拉应力，应力大小为250 MPa，Z方向的应力为拉应力，应力大小为45 MPa，X方向的应力为压应力，应力大小为90MPa，｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，可以认为引起板料有起皱倾向的是Y方向的应力。

图13 节点3 549在第13帧成形极限图

图14 第13帧成形极限图局部放大图

随机选取节点8505，如图所示，图15是该节点的正应力分量σxx，σyy，σzz在X，Y，Z方向上随时间变化的曲线图，追踪该节点从冲压开始到冲压结束的运动轨迹，在成形极限图中观察该节点，动画在前8帧的时候，在该节点板料还处于未充分拉深的状态，当动画运行到第9帧（图16，17）的时候板料从未充分拉深变化为起皱，观察该节点在这个时刻0.003 774 s（表1），在该节点Y的应力为压应力，应力大小为130 MPa，X方向应力为拉应力，应力大小为为70 MPa，Z方向的应力为0 MPa，｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，可以认为引起板料有起皱倾向的是Y方向的应力。

图15 节点8 505在X、Y、Z方向的应力

图16 节点8 505在第9帧成形极限图

图17 第9帧成形极限图局部放大图

3结束语

表2节点发生起皱倾向、起皱瞬间在X、Y、Z方向的应力值。

表2 节点发生起皱倾向、起皱瞬间在X、Y、Z方向的应力值

综上所述，通过观察表2，可以发现引起有起皱倾向的是Y方向的应力，引起有起皱现象的是Y方向的应力。

（1）当Y方向的拉应力在150～250 MPa范围时材料有起皱倾向。

（2）当Y方向的拉应力在250～350 MPa时范围时材料发生起皱。

[1]陈文亮.板料成型CAE分析教程[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]胡建华.CN100汽车发动机油底壳二次拉深模拟及实验研究[J].锻压技术，2011（6）：155-156.

Stress Analysis of Tensile Form ing Defectof CylinderW ith Flange

YANG Tao1，2，FU You-wang1，2，QIN Tian1，2，YANG Hui1，2
（1.Guilin University of Technology，GuangxiMining and Metallurgy and Environmental Science Experiment Center，Guilin Guangxi541004，China；2.College ofMechanical and Control，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

The flanged cylinder was simulated by using ETA/Dynaform5.6 drawing，map projections may have appeared in the process of forming wrinkle tendency and wrinkling of the site through the observation of forming limit，and in these parts of the random collection of a node，the node from the beginning to get stamping punch end stress curve analysis in the wrinkling tendency or the value of stress in X direction，Y direction and Z direction of the wrinklingmoment of time，finally analyzes the wrinkling tendency and the reason which makes the material iswrinkling stress in Y direction.

deep drawing；numerical simulation；stress analysis

TG386

A

1672-545X（2016）12-0067-04

2016-09-01

广西教育厅支助项目（编号：YB2014158）

杨涛（1994-），男，青海循化人，本科，研究方向；覃天（1981-），男，贵港人，工程师，硕士，研究方向为数控，模具，人工骨。