二阶筒形件多次拉深成形工艺分析及数值模拟

2021-03-18任广义王晓康何万飞李欣芮

模具工业 2021年2期

任广义，王晓康，何万飞，李欣芮

（成都飞机工业（集团）有限责任公司技术装备公司，四川成都 610091）

0 引言

板料拉深成形包含材料非线性、几何非线性、接触非线性的复杂变形过程，其成形机理复杂，仅依靠经验设计不仅不能保证成形制件的质量，而且延长模具的开发周期，增加开发成本[1]。筒形件是一类采用拉深成形的典型制件，目前对于简单圆筒形件的成形工艺及数值模拟已进行了较多的研究[2-4]，而对于阶梯筒形件的成形过程研究较少。现以二阶筒形件为研究对象，对其拉深过程进行工艺分析和计算，并基于PAMSTAMP 进行数值模拟仿真，预测成形制件的料厚分布，探索各道次拉深合适的压边间隙，并基于分析结果进行模具设计。

1 成形工艺分析

制件尺寸如图1 所示，材料为1Cr18Ni9Ti，厚度为1 mm，其为圆筒形、球形组成的二阶圆筒形结构。根据表面积相等并考虑修边系数，确定坯料尺寸为φ107 mm，则成形制件的总拉深系数m=44/107≈0.41，大直径阶梯拉深系数m1=52/107≈0.49，小直径阶梯拉深系数m2=44/52≈0.85。通过查表[5]可知，大直径台阶难以一次拉深成形，需要通过二次拉深，小直径台阶可以一次拉深成形，因此成形制件共需3 次拉深，考虑公差后各工序拉深系数如表1 所示，各工序成形尺寸如图2所示。

2 有限元数值模拟仿真

表1 各工序拉深系数

由于研究对象为回转体，为提高计算效率，采用1/4 简化模型。将凸模、凹模和压边圈设置为刚体，板料设置为变形体。在三维造型CAD 软件CATIA 中建立模具、板料的几何模型，并以.igs 格式导入仿真软件PAMSTAMP 中。板料的网格划分采用自适应网格优化法：在计算初期，使用较粗的单元网格，随着计算的逐步进行，在某些需要更细密网格描述的区域，将网格进一步划分，保证了以尽可能小的计算步骤获得更好的计算结果[6]。摩擦模型选用经典的库伦摩擦，凸模、凹模、压边圈与板料的摩擦系数均设置为0.12。

2.1 第1次拉深

图3 所示为第1 次拉深有限元模型，板料成形过程中，压边间隙对材料流动有着重要作用，是影响成形制件质量的关键因素。为确定合适的压边间隙值，在其他参数保持不变的前提下，研究取不同压边间隙值时成形制件的厚度分布。

图3 第1次拉深有限元模型

图4 所示为第1 次拉深取不同压边间隙值时成形制件的厚度分布云图。由图4 可知，压边间隙为1.1～1.25 mm 时，随着压边间隙增大，成形制件最大减薄率逐渐减少，且当间隙值＞1.2 mm 时减薄率改善不明显。随着压边间隙增大，成形制件口部区域起皱趋势加剧，因此第1 次拉深压边间隙选为1.2 mm，此时成形制件最大减薄区域位于筒形件底部，为6.3%；成形制件口部增厚最大，最大增厚率为23.4%。

2.2 后续拉深

图5所示为第2、3次拉深有限元模型，与第1次拉深相同，同样为确定后续拉深合适的压边间隙值，在其他参数保持不变的前提下，研究取不同压边间隙值时后续两道次成形制件的厚度分布。

图6、图7 所示分别为取不同间隙值时第2、3 次拉深后制件的厚度分布。由图6、图7 可知，在压边间隙为1～1.15 mm 时，制件最大减薄率随间隙变化不明显，当压边间隙较小时，模具的强烈约束可能会导致成形制件表面产生划痕。模具设计后续两道次拉深压边间隙均选为1.1 mm，第2 次拉深后制件最大减薄区域位于筒形件底部与凸模圆角接触区域，为14.4%；成形制件最大增厚区域位于筒形件口部区域，为14.5%。第3 次拉深后，制件最大减薄区域、最大增厚区域均与第2次拉深相同，最大减薄率为16.3%，最大增厚率为14.9%，均符合制件成形要求。

图4 第1次拉深不同压边间隙成形制件厚度分布

图5 后续拉深有限元模型

3 模具设计

通过对成形工艺进行分析并确定了各工序拉深系数及工序件尺寸，通过有限元仿真对工艺方案进行模拟分析，确定了合适的压边间隙值。同时为了避免拉深时产生粘接瘤、制件表面产生划痕，模具主要工作部分（凸模、凹模和压边圈）进行TD 处理[7]，如图8 所示。设计3 副拉深模进行试模，在3 000 kN液压机上进行，采用倒装式结构。3副模具全都一次试模合格，制件成形质量较好，3 次拉深后制件如图9所示。