半球形件变液压力变压边力充液拉深研究

彭彦君+雷君相

摘要：采用充液拉深工艺，运用变液压力变压边力组合的方法，以DYNAFORM软件为平台，对半球形件的成形过程进行了有限元仿真模拟.仿真结果表明，在恒定压边力充液拉深下，零件易发生起皱和破裂，零件减薄率较大，无法满足成形要求.采用变液压力和变压边力组合的加载方式进行研究.研究结果发现，采用变液压力变压边力组合进行充液拉深的零件不破裂、不起皱、减薄率小，零件厚度分布均匀，能够较大程度地改善零件的成形效果.最后通过试验验证了该工艺的可行性.

关键词：半球形件； 充液拉深； 变液压力； 变压边力； 减薄率

中图分类号： TG 386

文献标志码： A

Study on the Hydro-mechanical Deep Drawing of

Hemispherical Part with Variable Hydraulic

Pressure and Blank Holder Force

PENG Yanjun， LEI Junxiang

（School of Materials and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：In this paper，we used DYNAFORM software to simulate the forming process of hemispherical part by finite element method and via the process of hydro-mechanical deep drawing combining with the change of both hydraulic pressure and blank holder force.The simulation results show that the part would be easily wrinkled and fractured，and the thinning ratio was too large to meet the requirement of forming when hydro-mechanical deep drawing under the constant hydraulic pressure and blank holder force.However，when hydro-mechanical deep drawing with variable hydraulic pressure and blank holder force was applied，the forming parts showed the advantages of no wrinkle，no fracture，minimum thinning ratio and uniform thickness.Finally，our experiments also indicated that process can be able to achieve excellent part forming.

Keywords：hemispherical part； hydro-mechanical deep drawing； variable hydraulic pressure； variable blank holder force； thinning ratio

隨着现代工业的不断发展，产品的个性化生产呈明显发展趋势，致使零件的外形复杂程度日益增加.采用传统冲压成形工艺，因存在制模难度大、成本高等因素，使得人们迫切需要采用更加先进的冲压工艺代替传统冲压工艺来组织实际生产.其中充液拉深是一种先进的板料成形工艺，它以特定的液体作为传力介质代替刚性凹模传递载荷，使板料在凹模腔的液体压力作用下紧紧贴靠凸模以实现金属板料零件的成形，并在国内外得到广泛的应用[1-4]，发展了许多充液拉深成形方法，如：正反向加压充液拉深[5]、周向充液拉深等[6].在充液拉深过程中，由液体压力产生的摩擦保持和流体润滑效应可有效抑制材料的过度变薄，提高材料的成形极限[7].

在板料拉深成形过程中，通常需要压边装置产生足够的摩擦抗力，以增加板料中的拉应力，控制材料的流动、避免起皱[8].压边力的加载方式有恒定加载、渐增式加载、峰值加载及减小式加载.通过对变压边力的研究，发现变压边力成形的零件质量更好[9-13].利用渐增式压边力变化方式对成形性能改善效果最佳[14-15].因此，在充液拉深过程中，作用在毛坯上的液压力和压边力是影响板料成形的主要工艺参数.因此，展开对半球形件的变液压力变压边力的分析，不仅有利于其成形质量的提高，还对其他近似形状零件成形规律的研究有一定参考价值.

本文在其他参数不变的条件下，并在保证零件成形性能的基础上，对变液压力变压边力组合的半球形件模型进行模拟，获得最优组合.并将恒压边力充液拉深模拟结果与变液压力变压边力模拟结果进行对比，以最小减薄率为依据，发现在变液压力变压边力组合下成形的零件比采用恒定压边力充液拉深成形得到的零件，拥有更好的成形质量和成形性能.并对以上研究结果进行了试验验证.

1 有限元模型的建立

首先运用CATIA三维软件建立半球形件的有限元模型，如图1所示.保存为igs格式文件，并将模型导入DYNAFORM 5.9软件进行网格划分，在Autosetup模块中设置好相关参数，最后提交LS_DYNA求解器进行计算.半球形件选用厚度为1 mm的2219铝合金作为坯料，坯料直径为170 mm.其材料属性如表1所示.

2 有限元结果分析

液压力和压边力的大小会直接影响零件的最终成形质量.由经验公式，将液压力分别取7，9，11，13和15 MPa，压边力取18，20，22，24和26 kN，结合正交設计的方法，对恒定的液压力和压边力进行组合.并在DYNAFORM软件上进行数值模拟研究，通过分析最终成形件的成形情况，以成形件的最大增厚率、最大减薄率为标准，获得最佳液压力为13 MPa，最佳压边力为22 kN.

对模拟结果进行分析，在冲压成形初期，球面形零件主要发生胀形变形，会因胀形过大而引起破裂.同时因其自由表面较大，容易出现侧壁皱曲，此时适当的液压力可减少侧壁皱曲的产生.随后进入悬空区，因为在此阶段坯料减薄率很小，液压力的增大可适当加快.此时凹模圆角区，液压力增加到最大并保持恒定值到成形结束.设计的变液压力曲线如图2所示.

不同成形阶段对压边力的需求不同，如果施加相同的压边力，则会导致有些部位破裂，有些部位起皱.在法兰区，由于凸模的拉力作用，会使凸缘部分的材料向凹模口移动，于是在径向产生拉应力，切向产生压应力.当切向压应力过大时，会使材料失稳起皱.因此，法兰区的压边力达到最大并保持恒定，通过在厚度方向产生约束力，抑制材料的起皱.而凸模圆角区受到双向拉应力的作用，很难起皱，所以该处

的压边力增长较为缓慢，此时的压边力较小.在悬空区与凹模圆角区易出现内皱，因此该阶段的压边力增长较快，并很快超过不产生内皱的临界压边力.由分析可知，压边力开始增长缓慢，在凸模圆角区成形后期开始快速增长，到法兰区前期时增长速度达到最大值.设计的压边力曲线如图3所示.

由最佳恒定压边力充液拉深获得的厚度分布云图如图4（a）所示，其最大减薄率为29.60%，最大增厚率为6.35%.由变液压力变压边力组合获得的厚度分布云图如图4（b）所示，其最大减薄率为19.39%，最大增厚率为7.92%.由于增厚区主要集中在零件的法兰部分，对零件质量几乎没有影响，经过对比可知，变液压力变压边力组合所得成形零件质量优于恒定压边力充液拉深下成形的零件.

3 试验验证

3.1 试验设备

试验在自主研制的YT2863/40数控充液拉深机上进行.数控充液拉深机由电器控制系统、主机部分和液压系统3部分组成.控制系统采用可编程控制器（PLC），根据数值模拟所得参数设置好加载路径，进行充液拉深试验.选用直径为170 mm的铝合金坯料，结合变液压力变压边力技术组合的方法，经过多次试验最终成形出不起皱、不破裂的合格半球形零件，如图5所示.

3.2 试验结果

为研究成形后板料质量，依次选取从板料中心点沿半径方向到板料法兰边缘上的点，测量其厚度，并将其与在DYNAFORM软件上模拟所得成形件的厚度进行比较.图6为数值模拟与试验所得壁厚分布曲线.由图6中曲线可以看出，数值模拟结果与试验结果比较符合.因此可得出，结合变液压力变压边力组合得到的零件质量优于恒定压边力充液拉深所得零件，并可有效避免皱曲和破裂缺陷的产生.

4 结 论

（1） 对所得液压力和压边力的范围，进行了多组模拟，获得液压力和压边力的最佳值，并根据半球形件的成形过程设计出加载曲线.

（2） 在DYNAFORM软件中进行数值模拟.最终将所得结果与恒定压边力充液拉深模拟结果相比较，得出变液压力变压边力组合下的零件成形效果明显优于恒定压边力充液拉深下的零件.

（3） 将试验结果与数值模拟结果进行对比，验证了变液压力变压边力成形方案的可行性.

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